基于随机因素影响的机翼结构热力耦合响应分析

作     者：周田田 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈卫东;于会军

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 

主      题：机翼 热力耦合 响应面法 随机因素 局部灵敏度 

摘      要：飞行器在飞行过程中所处环境复杂多变,气动加热现象会使飞行器承受过大的热载荷,同时也承受着气动载荷的冲击,当两者共同作用时,结构会产生热应力和机械应力,两者叠加非常考验结构材料的承受能力。有些材料是无法承受过高的热载荷的,严重时会引起飞行器局部的热烧蚀。除此之外,飞行器在飞行过程中,其结构材料的属性随着环境的变化会产生不确定性,因此需要探究其在不同工况下如何影响结构响应。本文通过ANSYS Workbench商业软件,主要研究机翼在材料参数随机性的影响下,讨论其在不同工况热力耦合下的力学响应问题。本文所做的主要工作如下:首先对Workbench计算热力耦合问题方法的合理性与准确性进行验证,以平板结构和圆筒结构两个标准模型为例,计算其热力耦合的响应,将结果与解析解、参考文献作对比,结果差别均在误差允许范围内,证明了本文计算热力耦合方法的合理性与准确性。其次建立机翼结构模型,计算其在不同工况热力耦合下瞬态的受力响应情况,在同时受热载荷和气动载荷的作用下,分析了不同马赫数和不同攻角下机翼的力学响应。分析了结构在不同时刻下的温度分布、应力分布、和总变形分布情况,同时对比了机翼在热载荷响应、气动载荷响应和热力耦合响应,发现热力耦合下的响应几乎是由热载荷作用造成的,可见热载荷对结构的影响非常大,对于这类结构进行热分析意义重大。最后在机翼热力耦合响应分析的基础上,将材料参数的随机性考虑在内,通过响应面法和蒙特卡洛抽样仿真分析,得到结构随机响应量的统计特征均值、标准差、变异系数,以及响应的局部灵敏度。分析结果表明,结构最大等效应力的局部灵敏度顺序为热膨胀系数杨氏模量泊松比热导率;最大总变形的局部灵敏度顺序为热膨胀系数泊松比热导率杨氏模量。结构随机响应近似服从正态分布,与随机参数一致,结构随机响应的随机性取决于随机参数的随机性,为机翼结构系统研究设计、结构选材和优化设计提供了一定的参考。