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强激光辐照下结构热力效应分析

作　者: 吴非
导　师: 周建平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 强激光温度场解析解传递函数方法热应力有限元法热振动固体火箭发动机结构完整性
分类号: O342
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

强激光辐照下结构的热力耦合破坏效应对激光破坏机理的研究具有重要的意义。本文对强激光辐照下结构热力破坏效应在理论与方法上进行了研究，并对强激光辐照下固体火箭发动机进行了结构完整性分析。主要研究内容如下：建立了强激光辐照下结构瞬态温度场的分析模型。首先，通过将入射激光热流转化为体积热源，对强激光辐照下的二维结构如圆形薄板、矩形薄板、圆柱薄壳的瞬态温度场进行了解析求解，在对圆柱薄壳瞬态温度场求解时还考虑了运动激光源辐照的情形；其次，将入射激光热流转化为面热源，对强激光辐照下的三维结构如长方体、厚壁圆筒的瞬态温度场实现了解析求解。应用传递函数方法建立了结构稳态温度场的求解方法。通过引入温度场作用时的应力一应变关系，将传递函数方法应用于结构热应力的求解，使得传递函数方法在结构分析上的功能进一步加强和完善。首先，通过直接构造截锥壳单元，用传递函数方法求解了任意温度场作用下旋转壳的位移与热应力，在此基础上获得圆柱壳热应力问题的解析解。其次，应用传递函数方法对厚壁圆筒的热应力问题进行了半解析求解；然后，将矩形板作为一个三维弹性体，通过选取合适的位移函数，用传递函数方法对其热应力问题进行了精确求解；还通过引入一些特殊函数，使得传递函数方法对含有非简支边矩形板热应力的问题求解成为可能。此外，将强激光辐照下的结构作为温度应力的特例，应用传递函数方法对其进行求解。对强激光辐照下双层壳体的温度场进行了数值模拟，在此基础上对强激光照射下受内压作用双层壳体的应力场和位移场进行了分析研究，分别探讨了外层壳体热力学性能参数变化对发动机壳体温度场，应力场和位移场的影响。在获得强激光辐照下圆柱薄壳的温度场解析解的基础上，采用有限元法研究了圆柱薄壳在强激光辐照下的热振动问题，并分别讨论了热应力、热软化对其固有频率与振动模态的影响。建立了固体火箭发动机的简化分析模型，对强激光辐照下固体火箭发动机结构进行了温度场分析，在此基础上提出一种适合于求解连续层合结构热传导问题的分离变量法。根据无缺陷固体火箭发动机结构完整性分析评估准则，运用有限元法对强激光辐照下的无缺陷固体火箭发动机进行了结构完整性分析，并考虑了材料热软化，激光强度以及光斑尺寸大小对结构完整性的影响。另外，通过开展强激光辐照下热防护方案的研究，探讨了反射涂层厚度、隔热钢壳与圆柱壳之间的相对距离以及热辐射系数对发动机壳体温度场的影响。总之，本文在强激光辐照下结构热力效应分析和固体火箭发动机结构完整性分析理论、方法和应用上都取得了一定的进展，所提出的方法及相应结论可为在役固体导弹抗激光辐照的突防能力提供理论依据与技术支持。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-26
  1.1 研究背景  15
  1.2 强激光辐照下材料和结构中的热力学效应  15-16
  1.3 强激光辐照下结构温度场计算研究概况  16-18
  1.4 激光辐照所导致的结构热力耦合破坏机理研究概况  18-21
  1.5 强激光辐照下结构热力耦合问题的求解方法  21-23
  1.6 传递函数方法的研究概况  23-24
  1.7 本文的研究内容  24-26
第二章强激光辐照下结构温度场计算的解析方法  26-47
  2.1 强激光辐照下结构温度场计算的数学描述  26-29
  2.2 强激光辐照下二维结构温度场计算的解析方法  29-40
  2.3 强激光辐照下三维结构温度场计算的解析方法  40-46
  2.4 小结  46-47
第三章强激光辐照下结构应力场分析的传递函数方法  47-84
  3.1 强激光辐照下旋转壳应力场分析的传递函数方法  47-60
  3.2 强激光辐照下厚壁圆筒应力场分析的传递函数方法  60-72
  3.3 强激光辐照下矩形板热应力分析的传递函数方法  72-83
  3.4 小结  83-84
第四章强激光辐照下结构温度场与应力场求解的有限元法  84-95
  4.1 温度场计算的有限元格式  84-85
  4.2 强激光照射下双层壳体温度场的数值模拟  85-90
  4.3 激光光斑直径对双层壳温度场的影响  90-91
  4.4 强激光照射下双层壳应力场求解的有限元法  91-94
  4.5 小结  94-95
第五章强激光辐照下圆柱薄壳热振动分析  95-101
  5.1 强激光辐照下圆柱薄壳振动控制方程  95-96
  5.2 强激光辐照下圆柱薄壳有限元分析模型  96
  5.3 有限元计算结果分析  96-100
  5.4 小结  100-101
第六章强激光辐照下固体导弹发动机结构完整性分析  101-121
  6.1 固体火箭发动机结构完整性评估准则  101-103
  6.2 强激光辐照下固体火箭发动机简化分析模型  103
  6.3 强激光辐照下固体火箭发动机结构温度场解析解  103-110
  6.4 强激光辐照下固体火箭发动机结构温度场有限元计算  110-112
  6.5 强激光辐照下固体火箭发动机结构完整性评估  112-117
  6.6 强激光照射下三种热防护方案下圆柱壳温度场的数值模拟  117-119
  6.7 小结  119-121
第七章结论与展望  121-123
致谢  123-125
参考文献  125-134
附录: 个人简历及发表的有关学术论文  134-135

强激光辐照下结构热力效应分析

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