高速飛行器熱結構分析與應用

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，將承受巨大的氣動力和氣動熱。氣動力是指大氣壓力和表面摩擦力，分別對飛行器產生升力和阻力，而氣動熱則直接為結構所感受成為熱載荷。氣動熱能使結構材料的力學性能降低，作用應力減少以致發(fā)生蠕變，而結構部件之間的相互約束，在熱載荷作用下，又將在結構中產生應力從而使變形加劇并造成翹曲和蠕變特性的變化，同時溫度的交替變化也會激起結構的熱振動以至顫振，這些情況表明熱結構力學不僅關系到力學問題，也關系到熱學和材料科學問題。美國下一代空間發(fā)射技術（NGLT）在熱結構領域的發(fā)展，注意力集中在新材料，尤其是復合材料的研發(fā)應用和壁結構的構思方面，納米材料的應用也受到了廣泛的關注。熱結構研究的最終目標是發(fā)展一種組合式的多功能結構，把隔熱功能融于結構之中，排除對那種脆性易損的外部熱防護系統(tǒng)（TPS）的需求。這種新型結構的研究內容包括對材料在特殊條件下的特性的完整了解，結構組件的安排，受力的路線，熱結構壁在高溫下（1500℃一3000℃）的設計及優(yōu)化和試驗、驗證等。因此，在熱結構的書中加入一些除結構知識外有關材料的知識是很必要的。當前，國內外關于熱應力的書已有多本問世，而關于熱結構力學的書則甚少。兩者的區(qū)別在于，前者著重學術理論的推導，介紹其演變過程和發(fā)展規(guī)律，而后者則側重于理論聯系實際，聯系到結構常用的元部件上的運用。這里要特別提出有關的兩本書：一本是B.E.Gatewood著的“Thermal Stresses”（熱應力）。這本書雖名為熱應力，但注明“附有對飛機、導彈、渦輪、噴氣發(fā)動機和原子反應堆的應用”。書出版得較早（1957年），但其內容與其他同時代的熱應力書大不相同，是側重于理論的工程應用，雖然所聯系的目標廣而不深，系統(tǒng)性不夠，但開創(chuàng)了應用型熱應力書籍的先河。另一本是E.A.Thornton的“Thermal Structures for Aerospace Applications”（航天工程上用的熱結構）?，F在看來這本書也算是出版得早的（1996年），但比起前者已晚了近40年。

內容概要

　　熱結構是指在熱載荷作用下的結構。高速飛行器在大氣中飛行時受到氣動加熱的作用，采用完全的熱結構就可以避免因結構燒蝕或失效而無法勝任其所承擔的飛行任務，也可避免采用熱防護增加飛行器的重量?！　”緯到y(tǒng)地介紹了飛行器結構上常用的元部件在熱載荷作用下數學模型的建立，熱彎曲、熱振動、熱屈曲等的分析方法，以及對高溫材料的選用和熱模擬試驗等對航天工程分析和設計具有實用意義的問題，也對復雜的組合結構和大型結構的分析方法作了簡略的介紹?！　”緯晒┖教炱髟O計人員和航天工程專業(yè)的高年級本科生和研究生學習和參考。

書籍目錄

第1章 固體材料的應力應變及特性1.1 應力應變及彈性材料的本構方程1.1.1 單向拉伸的應力應變曲線1.1.2 三維的應力和應變1.1.3 彈性材料的本構方程1.2 固體材料的屈服條件1.3 塑性材料的本構方程1.4 黏性材料的本構方程1.4.1 黏彈性1.4.2 黏塑性1.5 彈性和非彈性的統(tǒng)一本構方程參考文獻第2章 飛行器結構用材料2.1 金屬材料的力學性能2.1.1 強度與塑性2.1.2 硬度2.1.3 疲勞強度2.2 材料性能與溫度的關系2.2.1 彈性系數與溫度的關系2.2.2 熱系數與溫度的關系2.2.3 材料的熱疲勞2.2.4 材料的熱物性及測試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 復合材料2.4.1 復合材料的增強纖維和基體2.4.2 復合材料的界面結合強度2.4.3 各類復合材料對界面的要求2.5 美國在發(fā)展中的耐高溫結構材料簡介2.5.1 鈦合金2.5.2 碳一碳基復合材料2.5.3 納米管結構材料2.5.4 NASALaRe航天飛行器結構材料開發(fā)研究計劃2.6 航天飛行器耐高溫結構材料簡述參考文獻第3章 熱彈性力學基礎3.1 彈性材料的應力、應變和溫度的關系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力3.2 復合材料的應力、應變和溫度的關系3.2.1 單層板3.2.2 層合板的應力和應變關系3.3 熱彈性力學的控制方程3.3.1 線性動量守恒方程3.3.2 能量守恒方程參考文獻第4章 飛行器熱結構基本元部件的應力分析4.1 桿與梁的應力分析4.1.1 實心桿（梁）4.1.2 開口截面薄壁桿4.1.3 閉口截面薄壁桿4.2 板的應力分析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）的加筋壁板彎曲計算方法4.3 薄殼的熱應力理論4.3.1 旋轉薄殼4.3.2 圓筒殼4.3.3 格柵殼結構4.3.4 薄殼加強肋結構4.3.5 層合殼參考文獻第5章 熱結構計算的有限元法5.1 有限元法的基本原理及推導方法5.1.1 一維問題5.1.2 二維問題5.1.3 三維問題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 熱結構彎曲的有限元法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 薄殼結構彎曲的有限元法5.4 熱結構有限元法的計算機程序5.4.1 輸入數據5.4.2 結構剛度的形成和計算5.4.3 輸出5.4 4計算實例參考文獻第6章 熱振動6.1 梁的熱振動6.1.1 梁的非耦合熱彎曲振動6.1.2 梁的熱耦合彎曲振動6.2 板的熱振動6.2.1 板的熱彈性非耦合振動6.2.2 板的熱彈性耦合振動6.3 層合板的熱振動6.4 層合板的非耦合熱致振動的有限元解法參考文獻第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 結構材料的熱疲勞8.2.2 結構元件的壽命估算參考文獻第9章 熱非彈性的有關問題9.1 熱彈塑性9.2 塑性蠕變9.3 黏彈性9.3.1 等溫的本構方程9.3.2 變溫的本構方程9.4 黏塑性9.4.1 初邊值黏塑性問題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第10章 熱結構氣動加熱模擬試驗10.1 氣動加熱計算10.1.1 CFD計算法10.1.2 牛頓冷卻定律10.1.3 壁面對流換熱系數的理論分析10.1.4 艾克特參考溫度(焓)法101.5 TPATH計算程序10.2 熱結構內的熱傳遞10.3 結構表面的溫度計算10.4 氣動加熱的地面模擬10.4.1 原始模擬系統(tǒng)10.4.2 現代模擬系統(tǒng)10.4.3 高真空環(huán)境的模擬10.4.4 熱防護材料的抗燒蝕性能模擬試驗參考文獻附錄組合結構和大型結構的熱響應簡介參考文獻編后語

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）極強且不易彼此分離，因此，一般可當作連續(xù)分布的介質來考察。任何一種連續(xù)介質的力學性能都可以用應力應變關系來描述。在三維歐幾里德空間的一個連續(xù)介質微元體上，在外力作用下的應力和應變各有九個分量，它們之間存在一定的關系，這些關系根據不同連續(xù)介質的性質而定。如果連續(xù)介質是彈性介質，其應力應變關系就可由廣義胡克定律確定。如果連續(xù)介質為非彈性性質，則由本構方程來確定。當然，由廣義胡克定律決定的應力應變關系也稱為本構方程，但這是最為簡單的一類。在第1.3 節(jié)中將給出這些關系，目的是為了在以后的應力分析中了解彈性與非彈性介質的區(qū)別。在本書中所闡述的問題主要還是在彈性范圍內。如把連續(xù)介質中的一個微元體縮小成近似于一個點，則作用于該點上的應力和應變關系在數學上可用張量來描述。1.1 應力應變及彈性材料的本構方程1.1.1 單向拉伸的應力應變曲線固體材料在受外力時，從發(fā)生變形開始直到被破壞，一般要經過彈性變形和塑性變形兩個階段。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的那種變形。這可以從材料的簡單拉伸試驗加以驗證，其試驗曲線如圖1.1.1 所示。

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《高速飛行器熱結構分析與應用》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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