【装备振动冲击与噪声】专刊文章推荐：飞行器结构热声疲劳问题研究进展

文摘科技 2024-11-01 11:18 陕西

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飞行器结构热声疲劳问题研究进展

文章亮点：高超声速飞行器表面结构，如发动机叶片、内涵道及其排气道等暴露在高温强噪声复合环境中，容易出现热声疲劳损伤问题，因此，结构热声疲劳问题引起了广泛关注。热声疲劳研究对增强这类结构的耐久性和可靠性具有重要意义。本文总结了国内外在飞行器结构热声疲劳领域的研究现状，阐述了在热声疲劳理论研究、仿真分析和试验技术方面所取得的进步。从时间维度回顾了国外自20世纪70年代至今在结构热声疲劳领域的研究情况；按研究单位分类介绍了国内科研院所和高等院校在该领域所开展的工作。在此基础上分析了飞行器结构热声疲劳研究所面临的技术难点问题，指出了尚需进一步研究的方向。

研究背景：随着航空航天技术的迅猛发展，飞行器热声耦合环境下的结构疲劳问题愈加突出。热声载荷作用下疲劳寿命预测是当前高超声速飞行器、先进隐身飞机等结构设计的关键技术之一。对于高超声速飞行器而言，由于其飞行环境十分苛刻，蒙皮、发动机机匣、火焰筒壁板和涡轮叶片等结构会受到高温及强噪声环境影响，热防护层表面温度甚至高达1 600 ℃以上，总声压级可达180 dB，在这种严酷环境作用下，结构疲劳寿命将大幅降低。

先进隐身飞机通常采用扁平升力体布局，将进气道和发动机排气道内置，排气道结构在发动机尾流高温、强噪声载荷作用下，其完整性和耐久性受到严重考验，容易出现振动响应大、应力水平高等问题，进而导致管壁结构开裂或连接件失效。例如，在B-2飞机的使用维护中，美国空军在多架飞机发动机排气口后面的钛合金面板上，发现了长短不一的裂缝，有的不到1 in（1 in=0.025 4 m），有的则长达9 in。1996年5月，B-2机队因其中一架飞机发现尾喷管固定件裂纹而停飞8天，期间检查了所有飞机的喷管固定件，更换了故障件。

目前国内外学者和工程技术人员针对飞行器热声疲劳问题开展了大量的理论分析、数值仿真和试验研究，研究对象主要包括高超声速飞行器热防护或薄壁结构，发动机叶片、燃烧室或排气道结构等，涵盖金属材料和复合材料，形成了一些有效的分析方法和试验技术。本文通过整理归纳飞行器热声疲劳相关文献资料，总结国内外在该领域的研究现状，并指出目前结构热声疲劳问题研究所面临的技术难点和后续发展方向。

研究展望：从上述文献综述来看，为了促进高精尖航空航天装备（高超声速飞行器、空天飞机、隐身飞机、先进发动机等）的发展，热声环境下结构疲劳问题自20世纪70年代起一直是研究的热点。研究者们不断提出新的理论方法，开发新的分析工具，研制新的试验设备，完善设计与评估体系。相信随着科技的进步，热声疲劳分析技术会向着精度和效率更高的方向发展，试验验证技术也会向着适用范围更广的方向进步。同时也应看到，国内相比国外在技术水平上仍然存在一定的差距，主要包括：缺少理论方法的突破，结构热声耦合理论和疲劳损伤模型等主要依据国外已有理论；暂无自主研发的成熟度较高的分析工具，仿真分析往往借助国外商用工程软件；缺乏大型可满足工程需求的热声疲劳试验设备，例如英、美、俄等国的热声试验设施试验段尺寸可达1.2 m，而国内试验平台相对较小；实际应用中的结构多场耦合设计评估体系也不完善，需要在型号研制、标准规范、专业发展方面多加探索。因此，我国亟需大力发展热声疲劳理论研究、仿真分析和试验技术。

尽管国内外的研究人员及研究机构针对结构的热声响应计算与疲劳寿命预测已经做了大量研究并发表了许多具有建设性的研究成果，但仍有一些关键问题需要解决，主要包括：1）在理论方面，关注热对结构刚度影响的研究较多，而对热致阻尼、热梯度效应以及热声疲劳失效模式和机理的探索不够；2）在仿真方面，针对热力固耦合、热流固耦合、热声固耦合、热振固耦合的数值模拟已实现，但符合工程需求的多场耦合仿真以及综合损伤评定技术成熟度仍显不足；3）在试验方面，通常开展元件、壁板组件或部件局部结构的热声疲劳试验，尚缺少大型全尺寸结构的试验研究。

为了解决目前飞行器热声疲劳分析与验证所面临的实际工程问题，建议后续针对以下方面开展进一步的研究：1）精准预测热声动态载荷，以实现热环境下复杂流场的高精度预测，为编制热声载荷谱提供输入；2）编制热声疲劳载荷谱，探索基于损伤等效的多工况热声载荷谱的归一谱和疲劳试验加速谱，为结构热声疲劳分析和验证提供输入；3）持续深化多场耦合分析技术，提升非定常与非线性分析理论，建立更加精细与高效的一体化模型；4）预计承载薄壁结构热声耦合损伤，辨识复杂薄壁结构的热声疲劳失效模式和机理，构建准确高效的寿命预估模型；5）建立常用航空航天材料以及新材料的高温动态疲劳性能数据库，为预计结构热声疲劳寿命提供基础数据；6）研制大尺寸高热强声（尺寸2 m级、声压级180 dB、温度 2 000 ℃）耦合环境模拟装置，以支持大型飞行器结构在极端热声环境下的疲劳损伤演化试验；7）关注整个服役期内飞行器金属结构或复合材料结构所面临热环境的差异（中温、高温、超高温），建立适用于不同温度范围的热—声—振等多场疲劳评估技术。

引用格式：张玉杰, 孙仁俊, 李斌. 飞行器结构热声疲劳问题研究进展[J]. 航空工程进展, 2024, 15(5): 1-15. ZHANG Yujie, SUN Renjun, LI Bin. Research advances in thermal-acoustic fatigue problems of aircraft structures[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(5): 1-15. (in Chinese)

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