多孔金属夹层圆柱壳的热机响应分析、优化设计及应用研究.pdfVIP

第34卷第3期 固体力学学报 V01．34NO．3 CHINESE OFSOLIDMECHANICS JOURNAL 2013 2013年6月 June 优秀博士论文介绍 多孔金属夹层圆柱壳的热机响应分析、 优化设计及应用研究 周加喜 (湖南大学机械与运载工程学院，长沙，410082) 0 引言 Detonation 脉冲爆震发动机(Pause Engine， PDE)是21世纪最有前途的革命性航空航天动力之 一，是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发 动机口]．PDE的工作环境很特殊[2]：高温(2000—3000 atm)、间歇性高速移动(1500—3000 K)、高压(20—30 m／s)的热机冲击，为保证爆震燃烧室(爆震管)在如 此恶劣的环境下稳定、可靠的运行，其强度设计、减 振降噪和寿命技术等都是关键课题．多孔金属材料 具有很多优良的性能[3“]，如超轻、高比强度比刚 度、高韧性耐冲击口]、高效散热隔热以及噪声控制 等，尤其是通过合理设计材料微结构可以实现多功 能集成．将多孔金属材料应用于脉冲爆震发动机的 结构设计无疑是一种很好的尝试和创新．将多孑L金 图1脉冲爆震发动机工作原理及多孔金属夹层燃烧室 属应用于PDE燃烧室，有望设计一种集承载和主动 设计概念示意图 Schematic ofPDEand metallic 散热多功能于一体的爆震燃烧室(图1)．本文主要 Fig．1 diagram prismatic 围绕高温环境下二维棱镜多孔金属夹层圆柱壳在高 sandwichdetonationtube 速移动冲击内压作用下的结构响应和优化设计展开 了一系列研究．研究成果可为多孔金属夹层燃烧室 的结构分析和轻量化设计提供理论方法(图2)，对 多功能PDE燃烧室从概念设计到制造、工装具有一 定工程参考价值．主要工作包括以下几个方面． 1 多孔金属材料均匀化方法 按实际微结构建立多孔金属材料的分析模型， 规模很大，需要消耗大量的计算资源．但多孔金属一 般具有周期性微结构，可将其进行均匀化，用等效的 均匀弹性连续介质代替，这样可以给复杂大规模建 模分析带来极大的方便．本文基于单胞应变能等效 原理，提出了一种实用均匀化方法，即在相同宏观应 图2 多孔金属夹层圆柱壳热机载荷下的分析模型 modelofthesandwichtubeunder 变状态下，多孔金属单胞的应变能与等效均匀弹性 Fig．2Analytical thermomechanical 体单胞的应变能相等．基于连续介质力学小应变有 loading 限变形原理建立宏观应变和微结构胞壁的应变关 系，进而建立等效弹性体的应变能密度与宏观应变 弹性常数．本方法比二尺度展开均匀化方法嘲更简 的关系，然后对宏观应变求二阶偏导便可得到等效 洁明了．利用该方法对波纹夹芯和棱镜形多孔材料 万方数据 第3期 周加喜： 多孔金属夹层圆柱壳的热机响应分析、优化设计及应用研究 ·321· 进行