軸向高超聲速運動柔性梁橫向振動特性及穩定性研究

《軸向高超聲速運動柔性梁橫向振動特性及穩定性研究》是依託南京航空航天大學，由陳懷海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：軸向高超聲速運動柔性梁橫向振動特性及穩定性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳懷海
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

軸向運動物體或物質例如鋸子、磁帶、管中流體、射出的箭等都會伴隨有橫向振動或運動。前人針對軸向運動梁或弦模型的研究已經發現，當軸向運動速度達到或超過某一臨界值時，將會導致系統的橫向剛度喪失，引起運動失穩。在實際系統中，這種失穩可能會導致鋸子折斷、磁帶纏繞、箭體折毀或偏離目標。軸向運動的速度越高，其對橫向振動的影響越顯著。目前，高超聲速飛彈（飛行馬赫數在5以上）是眾多國家爭相發展和研製的新一代尖端武器。高超聲速飛彈具有較大的長徑比，其在橫向的彎曲剛度相對較小，加之軸向超高速運動以及相應的氣動加熱效應，將使其橫向彎曲振動特性受到很大影響。本項目擬將高超聲飛行飛彈簡化為軸向高超聲速運動的柔性梁模型，重點研究高超聲軸向運動速度以及由其導致的氣動加熱效應對梁橫向振動特性和穩定性的影響。預計本項目可在軸向運動和溫度效應耦合下的梁振動模型建立、振動特性和穩定性分析等方面取得具有創新意義的成果。

結題摘要

本項目以高速運動火箭或飛彈為背景,採用軸向高速運動柔性梁進行理論建模，研究軸向運動速度以及由高速運動導致的氣動加熱效應對梁橫向振動特性和穩定性的影響。項目研究主要完成了軸向高超聲速飛行梁橫向振動的建模、振動特性、穩定性、熱效應、軸向高速運動效應、金屬熱防護系統建模等方面的研究。研究表明，當梁軸向速度增加到一定值後，第一階固有頻率下降為零，系統產生失穩。對於本項目研究中採用的例題而言，當梁的軸向運動速度達到5.3馬赫（1800m/s）左右時失穩發生。而現代高超聲速飛行器定義的飛行速度是5馬赫以上，可見在高超聲速飛行器的設計中，軸向速度效應是必需加以考慮的重要因素。研究揭示了集中質量、沿軸向截面形態等因素對軸向高超聲速飛行梁運動穩定性的影響規律，這對高超聲速飛行器的設計具有重要參考價值。研究表明，當飛行速度在4馬赫時，飛行器上的最高溫度可達到1031K（758℃），熱效應對結構振動特性產生顯著影響。因此，綜合考慮軸向運動速度、質量分布、溫度等效應對飛行器的控制及其飛行可靠性設計具有重要價值。