高速飛行器熱結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用

前言

高超聲速飛行器在出入大氣層或持續(xù)在空間飛行時(shí)，將承受巨大的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱。氣動(dòng)力是指大氣壓力和表面摩擦力，分別對(duì)飛行器產(chǎn)生升力和阻力，而氣動(dòng)熱則直接為結(jié)構(gòu)所感受成為熱載荷。氣動(dòng)熱能使結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能降低，作用應(yīng)力減少以致發(fā)生蠕變，而結(jié)構(gòu)部件之間的相互約束，在熱載荷作用下，又將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力從而使變形加劇并造成翹曲和蠕變特性的變化，同時(shí)溫度的交替變化也會(huì)激起結(jié)構(gòu)的熱振動(dòng)以至顫振，這些情況表明熱結(jié)構(gòu)力學(xué)不僅關(guān)系到力學(xué)問(wèn)題，也關(guān)系到熱學(xué)和材料科學(xué)問(wèn)題。美國(guó)下一代空間發(fā)射技術(shù)（NGLT）在熱結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展，注意力集中在新材料，尤其是復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用和壁結(jié)構(gòu)的構(gòu)思方面，納米材料的應(yīng)用也受到了廣泛的關(guān)注。熱結(jié)構(gòu)研究的最終目標(biāo)是發(fā)展一種組合式的多功能結(jié)構(gòu)，把隔熱功能融于結(jié)構(gòu)之中，排除對(duì)那種脆性易損的外部熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）的需求。這種新型結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容包括對(duì)材料在特殊條件下的特性的完整了解，結(jié)構(gòu)組件的安排，受力的路線，熱結(jié)構(gòu)壁在高溫下（1500℃一3000℃）的設(shè)計(jì)及優(yōu)化和試驗(yàn)、驗(yàn)證等。因此，在熱結(jié)構(gòu)的書中加入一些除結(jié)構(gòu)知識(shí)外有關(guān)材料的知識(shí)是很必要的。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱應(yīng)力的書已有多本問(wèn)世，而關(guān)于熱結(jié)構(gòu)力學(xué)的書則甚少。兩者的區(qū)別在于，前者著重學(xué)術(shù)理論的推導(dǎo)，介紹其演變過(guò)程和發(fā)展規(guī)律，而后者則側(cè)重于理論聯(lián)系實(shí)際，聯(lián)系到結(jié)構(gòu)常用的元部件上的運(yùn)用。這里要特別提出有關(guān)的兩本書：一本是B.E.Gatewood著的“Thermal Stresses”（熱應(yīng)力）。這本書雖名為熱應(yīng)力，但注明“附有對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、渦輪、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和原子反應(yīng)堆的應(yīng)用”。書出版得較早（1957年），但其內(nèi)容與其他同時(shí)代的熱應(yīng)力書大不相同，是側(cè)重于理論的工程應(yīng)用，雖然所聯(lián)系的目標(biāo)廣而不深，系統(tǒng)性不夠，但開(kāi)創(chuàng)了應(yīng)用型熱應(yīng)力書籍的先河。另一本是E.A.Thornton的“Thermal Structures for Aerospace Applications”（航天工程上用的熱結(jié)構(gòu)）?，F(xiàn)在看來(lái)這本書也算是出版得早的（1996年），但比起前者已晚了近40年。

內(nèi)容概要

　　熱結(jié)構(gòu)是指在熱載荷作用下的結(jié)構(gòu)。高速飛行器在大氣中飛行時(shí)受到氣動(dòng)加熱的作用，采用完全的熱結(jié)構(gòu)就可以避免因結(jié)構(gòu)燒蝕或失效而無(wú)法勝任其所承擔(dān)的飛行任務(wù)，也可避免采用熱防護(hù)增加飛行器的重量?！　”緯到y(tǒng)地介紹了飛行器結(jié)構(gòu)上常用的元部件在熱載荷作用下數(shù)學(xué)模型的建立，熱彎曲、熱振動(dòng)、熱屈曲等的分析方法，以及對(duì)高溫材料的選用和熱模擬試驗(yàn)等對(duì)航天工程分析和設(shè)計(jì)具有實(shí)用意義的問(wèn)題，也對(duì)復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)和大型結(jié)構(gòu)的分析方法作了簡(jiǎn)略的介紹?！　”緯晒┖教炱髟O(shè)計(jì)人員和航天工程專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生學(xué)習(xí)和參考。

書籍目錄

第1章 固體材料的應(yīng)力應(yīng)變及特性1.1 應(yīng)力應(yīng)變及彈性材料的本構(gòu)方程1.1.1 單向拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線1.1.2 三維的應(yīng)力和應(yīng)變1.1.3 彈性材料的本構(gòu)方程1.2 固體材料的屈服條件1.3 塑性材料的本構(gòu)方程1.4 黏性材料的本構(gòu)方程1.4.1 黏彈性1.4.2 黏塑性1.5 彈性和非彈性的統(tǒng)一本構(gòu)方程參考文獻(xiàn)第2章 飛行器結(jié)構(gòu)用材料2.1 金屬材料的力學(xué)性能2.1.1 強(qiáng)度與塑性2.1.2 硬度2.1.3 疲勞強(qiáng)度2.2 材料性能與溫度的關(guān)系2.2.1 彈性系數(shù)與溫度的關(guān)系2.2.2 熱系數(shù)與溫度的關(guān)系2.2.3 材料的熱疲勞2.2.4 材料的熱物性及測(cè)試2.3 輕金屬材料及其合金2.3.1 鋁及鋁合金2.3.2 鎂及鎂合金2.3.3 鈦及鈦合金2.4 復(fù)合材料2.4.1 復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維和基體2.4.2 復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度2.4.3 各類復(fù)合材料對(duì)界面的要求2.5 美國(guó)在發(fā)展中的耐高溫結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)介2.5.1 鈦合金2.5.2 碳一碳基復(fù)合材料2.5.3 納米管結(jié)構(gòu)材料2.5.4 NASALaRe航天飛行器結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃2.6 航天飛行器耐高溫結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)述參考文獻(xiàn)第3章 熱彈性力學(xué)基礎(chǔ)3.1 彈性材料的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的關(guān)系3.1.1 各向同性體3.1.2 非各向同性的其他彈性體3.1.3 各向同性體的平面應(yīng)力3.2 復(fù)合材料的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的關(guān)系3.2.1 單層板3.2.2 層合板的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系3.3 熱彈性力學(xué)的控制方程3.3.1 線性動(dòng)量守恒方程3.3.2 能量守恒方程參考文獻(xiàn)第4章 飛行器熱結(jié)構(gòu)基本元部件的應(yīng)力分析4.1 桿與梁的應(yīng)力分析4.1.1 實(shí)心桿（梁）4.1.2 開(kāi)口截面薄壁桿4.1.3 閉口截面薄壁桿4.2 板的應(yīng)力分析4.2.1 大撓度公式4.2.2 小撓度公式4.2.3 圓板的小撓度公式4.2.4 層合板的平衡方程4.2.5 柯利爾（Collier）的加筋壁板彎曲計(jì)算方法4.3 薄殼的熱應(yīng)力理論4.3.1 旋轉(zhuǎn)薄殼4.3.2 圓筒殼4.3.3 格柵殼結(jié)構(gòu)4.3.4 薄殼加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)4.3.5 層合殼參考文獻(xiàn)第5章 熱結(jié)構(gòu)計(jì)算的有限元法5.1 有限元法的基本原理及推導(dǎo)方法5.1.1 一維問(wèn)題5.1.2 二維問(wèn)題5.1.3 三維問(wèn)題5.2 單元的劃分與集合5.2.1 單元的類型和劃分5.2.2 單元的集合規(guī)則5.3 熱結(jié)構(gòu)彎曲的有限元法5.3.1 梁彎曲的有限元法5.3.2 薄板彎曲的有限元法5.3.3 薄殼結(jié)構(gòu)彎曲的有限元法5.4 熱結(jié)構(gòu)有限元法的計(jì)算機(jī)程序5.4.1 輸入數(shù)據(jù)5.4.2 結(jié)構(gòu)剛度的形成和計(jì)算5.4.3 輸出5.4 4計(jì)算實(shí)例參考文獻(xiàn)第6章 熱振動(dòng)6.1 梁的熱振動(dòng)6.1.1 梁的非耦合熱彎曲振動(dòng)6.1.2 梁的熱耦合彎曲振動(dòng)6.2 板的熱振動(dòng)6.2.1 板的熱彈性非耦合振動(dòng)6.2.2 板的熱彈性耦合振動(dòng)6.3 層合板的熱振動(dòng)6.4 層合板的非耦合熱致振動(dòng)的有限元解法參考文獻(xiàn)第7章 熱屈曲7.1 梁柱的熱屈曲7.1.1 軸向固定梁的熱屈曲7.1.2 軸向固定梁的熱彎曲——屈曲7.2 板的熱屈曲7.2.1 分支屈曲7.2.2 后屈曲7.3 殼的熱屈曲7.3.1 圓柱殼的平衡公式7.3.2 圓柱殼的熱屈曲7.3.3 圓柱殼在軸向溫度場(chǎng)和扭矩下的熱屈曲7.4 層合板的熱屈曲7.5 加筋層壓板的熱屈曲參考文獻(xiàn)第8章 熱沖擊與熱疲勞8.1 熱沖擊8.1.1 熱沖擊的溫度場(chǎng)8.1.2 熱沖擊下的斷裂8.2 熱疲勞與壽命的估算8.2.1 結(jié)構(gòu)材料的熱疲勞8.2.2 結(jié)構(gòu)元件的壽命估算參考文獻(xiàn)第9章 熱非彈性的有關(guān)問(wèn)題9.1 熱彈塑性9.2 塑性蠕變9.3 黏彈性9.3.1 等溫的本構(gòu)方程9.3.2 變溫的本構(gòu)方程9.4 黏塑性9.4.1 初邊值黏塑性問(wèn)題9.4.2 有限元公式的建立9.4.3 黏塑性解題方法參考文獻(xiàn)第10章 熱結(jié)構(gòu)氣動(dòng)加熱模擬試驗(yàn)10.1 氣動(dòng)加熱計(jì)算10.1.1 CFD計(jì)算法10.1.2 牛頓冷卻定律10.1.3 壁面對(duì)流換熱系數(shù)的理論分析10.1.4 艾克特參考溫度(焓)法101.5 TPATH計(jì)算程序10.2 熱結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱傳遞10.3 結(jié)構(gòu)表面的溫度計(jì)算10.4 氣動(dòng)加熱的地面模擬10.4.1 原始模擬系統(tǒng)10.4.2 現(xiàn)代模擬系統(tǒng)10.4.3 高真空環(huán)境的模擬10.4.4 熱防護(hù)材料的抗燒蝕性能模擬試驗(yàn)參考文獻(xiàn)附錄組合結(jié)構(gòu)和大型結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)簡(jiǎn)介參考文獻(xiàn)編后語(yǔ)

章節(jié)摘錄

插圖：固體材料均由大量的分子組成，其分子組織緊密，分子間的空隙極小，分子間的相互作用力（即凝聚力）極強(qiáng)且不易彼此分離，因此，一般可當(dāng)作連續(xù)分布的介質(zhì)來(lái)考察。任何一種連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)性能都可以用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)描述。在三維歐幾里德空間的一個(gè)連續(xù)介質(zhì)微元體上，在外力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變各有九個(gè)分量，它們之間存在一定的關(guān)系，這些關(guān)系根據(jù)不同連續(xù)介質(zhì)的性質(zhì)而定。如果連續(xù)介質(zhì)是彈性介質(zhì)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就可由廣義胡克定律確定。如果連續(xù)介質(zhì)為非彈性性質(zhì)，則由本構(gòu)方程來(lái)確定。當(dāng)然，由廣義胡克定律決定的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也稱為本構(gòu)方程，但這是最為簡(jiǎn)單的一類。在第1.3 節(jié)中將給出這些關(guān)系，目的是為了在以后的應(yīng)力分析中了解彈性與非彈性介質(zhì)的區(qū)別。在本書中所闡述的問(wèn)題主要還是在彈性范圍內(nèi)。如把連續(xù)介質(zhì)中的一個(gè)微元體縮小成近似于一個(gè)點(diǎn)，則作用于該點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系在數(shù)學(xué)上可用張量來(lái)描述。1.1 應(yīng)力應(yīng)變及彈性材料的本構(gòu)方程1.1.1 單向拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線固體材料在受外力時(shí)，從發(fā)生變形開(kāi)始直到被破壞，一般要經(jīng)過(guò)彈性變形和塑性變形兩個(gè)階段。彈性變形是指物體在卸載后完全消失的那種變形，而塑性變形是指物體在卸載后不能消失而殘留下來(lái)的那種變形。這可以從材料的簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)加以驗(yàn)證，其試驗(yàn)曲線如圖1.1.1 所示。

編輯推薦

《高速飛行器熱結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用》是由國(guó)防工業(yè)出版社出版的。

圖書封面

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