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随着航空航天技术的飞速发展，复合材料因其优异的性能在飞机结构中的应用日益广泛。其中，变角度纤维增强（VAT）复合材料层合板因其独特的纤维排列方式，具有更高的设计灵活性和机械性能。然而，在超音速飞行中，这些结构会面临极端的热和气动载荷，可能导致颤振现象的发生。颤振是结构在气动、弹性和惯性力相互作用下的一种自激振动，对飞行器的安全性和稳定性构成严重威胁。目前，针对复合层合板的颤振分析已取得了一定的研究成果，但主要集中在传统直纤维复合层合板上。对于VAT复合层合板，由于其纤维角度的连续变化，其力学性能和颤振特性更为复杂，相关研究仍较为有限。因此，对VAT复合层合板在超音速气流中的气动热弹性颤振行为进行深入研究具有重要意义。 近日，国际知名期刊《Applied Mathematical Modelling 》发表了西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、西安交通大学多功能材料与结构教育部重点实验室、锡根大学土木工程系和宁波大学极端环境下力学研究中心在VAT复合层合板在超音速气流中的气动热弹性颤振方面的研究。文章旨在建立一种理论模型，以准确预测和分析VAT复合层合板在超音速气流中的气动热弹性颤振行为，为航空航天工程中的设计提供有力支持。论文标题为“Aerothermoelastic flutter analysis of variable angle tow composite laminated plates in supersonic flow ”。 文章研究了VAT复合层合板在超音速气流中的气动热弹性颤振行为。通过综合考虑结构、热和气动等多因素耦合作用，建立了相应的理论模型，并进行了详细的数值分析和讨论。
研究人员对VAT复合层合板的力学特性进行了详细分析，包括其在不同温度和载荷条件下的应力-应变关系、刚度和强度变化等。并利用线性超音速活塞理论，计算了VAT复合层合板在超音速气流下所受的气动压力。这一步骤对于准确模拟颤振现象至关重要。通过综合考虑结构、热和气动等多因素耦合作用，建立了气动热弹性颤振模型。该模型能够准确预测VAT复合层合板在超音速气流中的颤振行为。
基于一阶剪切变形理论和线性超音速活塞理论，研究团队推导了VAT复合层合板在超音速气流中的控制方程。这些方程描述了结构在气动、热和弹性力作用下的动态响应。 为了求解控制方程，研究人员建立了相应的数值分析模型。该模型采用切比雪夫多项式结合适当的边界特征函数，对位移分量进行了近似展开。通过这种方式，可以将无限维的连续问题转化为有限维的离散问题，便于计算机求解。   图 3.第一类切比雪夫多项式乘以边界特征函数
图 4. 纤维取向对 四边简支SSSS 支撑的 VAT 复合材料层合板临界气动压力影响的理论预测 研究团队还进行了详细的参数化研究，探讨了VAT复合层合板的颤振特性。通过改变边界条件、温度变化、弹性基础和层合板布局等关键参数，观察和分析这些因素对颤振特性的影响。这种方法有助于揭示各因素之间的内在联系和规律。
研究结果表明，四边固支CCCC支撑的VAT复合层合板具有最高的临界气动压力和最佳的动态稳定性。高温会导致临界气动压力降低和动态稳定性减弱。弹性基础方面，Winkler参数影响较小，而剪切弹簧参数对临界颤振气动压力有显著影响。此外，纤维方向对板结构的静态稳定性和动态稳定性也有显著影响。 该研究通过建立理论模型和进行详细的数值分析，揭示了VAT复合层合板在超音速气流中的气动热弹性颤振机理和影响因素。研究结果为优化设计和提高飞行安全性提供了重要理论依据。同时，该研究也展示了多学科交叉融合在解决复杂工程问题中的巨大潜力。 Junqing Gong, Chuanzeng Zhang, Fengxian Xin,Aerothermoelastic flutter analysis of variable angle tow composite laminated plates in supersonic flow,Applied Mathematical Modelling,Volume 130,2024,Pages 119-139, https:///10.1016/j.apm.2024.02.024. |
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