[发明专利]高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计算技术

说明书

本发明公开了一种高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计算方法，属飞行器气动计算领域。在航空航天等工程领域中，随着超音速飞行器飞行速度的增加，飞行器结构遭受着严峻的气动加热作用。同时由于越来越复杂的任务需求，飞行轨迹更为复杂，气动热环境也更难以预测。因此复杂弹道下的热气动弹性问题值得关注。本发明采用无粘外流解与工程方法相结合的方法进行高速飞行器气动加热计算，这种方法与纯数值方法相比能节省大量的内存和计算时间，降低了计算成本。而与纯工程方法相比其适用范围更广，能适应较为复杂的外形，同时又能提供比较准确的气动热解。

技术领域

本发明属飞行器气动计算方法领域，具体是一种高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计算技术。

背景技术

在航空航天等工程领域中，随着超音速飞行器飞行速度的增加，飞行器结构遭受着严峻的气动加热作用。同时由于越来越复杂的任务需求，飞行轨迹更为复杂，气动热环境也更难以预测。气动加热作用对结构所产生的高温及温度梯度会使结构材料力学性能下降，结构内部不均匀的热变形及热应力会改变结构的刚度特性，同时还会改变结构的固有振动特性，并且这些影响往往都是负面的。因此复杂弹道下的热气动弹性问题值得关注。

目前，高超声速飞行器表面换热计算方法主要包括全流场数值模拟方法、工程估算方法及Euler解与工程估算相结合的方法等。一般来说，工程估算方法的局限性较大，一般难以拓展到复杂外形，而单纯的数值解法需要消耗大量的计算时间和内存，计算成本非常高。本发明采用无粘外流解与工程方法相结合的方法进行高速飞行器气动加热计算，这种方法与纯数值方法相比能节省大量的内存和计算时间，降低了计算成本。而与纯工程方法相比其适用范围更广，能适应较为复杂的外形，同时又能提供比较准确的气动热解。该方法的主要思想是：基于普朗特边界层理论，将整个流场分为边界层外的无粘流场和边界层内的粘性流场两部分，从而将气动加热问题变成求解以下两个问题：(1)边界层外的无粘流场的求解；(2)边界层内粘性主导区域的换热求解。在高超声速飞行器表面换热的基础上，耦合沿结构厚度方向的一维热传导计算，形成了整个气动加热计算的基本方法。

在复杂弹道下，对整个弹道开展时域动气动弹性分析的代价巨大，可以通过忽略较弱耦合以及影响气动加热的气动压力来进行简化。对于给定瞬态温度场的热气动弹性的研究开展的较为充分。陈文俊(气动加热对飞行器气动弹性特性的影响.现代防御技术,1998(3))介绍了气动加热对飞行器可能带来的不利影响，概述了气动热弹性(包括热刚度、热振动和热颤振)分析的思路与步骤，归纳了气动加热对飞行器结构刚度、振动和颤振的影响趋势。黄世勇等人(黄世勇,王智勇.热环境下的结构模态分析.导弹与航天运载技术,2009(5):50-52.)对一变厚度板进行了瞬态热环境下的结构模态分析。计算中在平板的三个位置上给定了一个温度值，研究了受热后结构固有频率的变化趋势。结果表明结构固有频率均呈下降趋势，频率之间带宽变窄，并且热效应对一阶弯扭耦合模态影响最大。而复杂弹道状态下的结构热环境的预测方面的方法较少。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计方法，以降低在复杂弹道下，对整个弹道开展时域动气动弹性计算与分析产生的巨大代价。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计算技术，包括步骤如下：

1.一种高超声速飞行器弹道状态多场耦合的热气动弹性计算技术，其特征在于，包括步骤如下：

在复杂弹道下，对整个弹道开展时域动气动弹性分析的代价巨大，一般都可以通过忽略较弱耦合以及影响气动加热的气动压力来进行简化。这样就可以将热气动弹性分析简化为一个气动热问题和一个单独的气动弹性问题。图1给出了一般分析流程。即先根据弹道状态，预测弹道上每个点上的瞬态气动热环境，然后从该热环境出发，计算结构温度场，接着分析结构在热作用下的热模态，最后开展热气动弹性分析。具体步骤包含：