高超声速飞行器是航空航天领域最重要的战略发展方向之一，对国家安全、国民经济有着不可估量的重要意义。由高超声速飞行引起的严酷气动加热、超强气动噪声及复杂机体振动等超常环境中，对结构设计提出了严峻挑战。 本项目针对高超声速飞行器结构在超常环境下声振特性行为问题，展开数值、理论、实验以及优化设计研究，揭示热环境对结构声振特性的影响规律，为高超声速飞行器结构设计提供一定的参考依据。 开展了热环境下结构声振数值分析研究，探索热环境引起材料属性变化、热应力对结构声振耦合动力学响应的影响规律。针对低、中、高频声振问题对数值方法的要求不同，建立了热环境下结构声振分析的有限元方法，及混合有限元-统计能量分析方法，实现了结构低频、宽频的声振动力学响应数值分析。 开展了热环境下典型结构的理论分析研究，探索热环境引起结构热应力对结构声振特性的影响机理。建立各向同性薄板在均匀热载下的动态方程，分析热环境下振动及声辐射特性变化；在此基础上，考虑横向剪切效应和转动惯量效应，基于厚板理论建立了夹层板的振动控制方程。此外，对正交各向异性层合板及无限长层合圆柱壳在湿环境下的振动及声辐射响应展开了研究。 建立了受热固支各向同性板的测试系统，开展了热环境下结构的声振实验研究。对试件在不同温度下进行模态测试，并对其在声激励和机械激励作用下的振动响应及声辐射特性进行测试；从实验角度分析热环境对结构声振动态特性的影响。 在热环境下结构声振分析基础上，开展结构最优化拓扑设计研究。考虑设计变量—热应力—声振特性间的复杂关系，建立了热环境下结构动态优化设计方法。以振动响应或辐射声功率为目标函数，考察均匀温升环境中结构的拓扑优化问题，揭示了热应力对结构声振拓扑优化的影响规律。 综上，本项目针对高超声速飞行器在高温高声强环境中基本动态特性，展开了较为系统的研究，对高超声速飞行器设计具有重要意义。 2100433B

针对近空间高超声速飞行器服役严重气动加热的超常环境下飞行器结构声-振耦合行为问题，本项目拟研究结构热-声-振耦合理论、建立数值模拟方法并开发相应的计算程序，由数值计算获得热环境下结构热-声-振耦合动力学响应。.根据飞行器结构严峻气动加热所产生的高温度梯度特点，拟将热环境产生的热效应分解为材料热效应、结构（热应力、热变形）热效应，研究对结构动力学响应的影响规律。材料热效应以考虑材料力学特性随温度的变化；结构热应力效应主要考虑应力刚化引起的模态变化；结构热变形效应拟研究结构本身形状改变引起的结构刚度及质量的变化。.揭示上述三种热效应对飞行器结构热-声-振耦合动力学响应的影响规律，并找出热环境影响飞行器结构多场耦合响应的主要因素，为近空间高超声速飞行器的结构设计提供参考依据。

所谓复杂结构是指构型复杂、由多种材料组成、工作环境复杂的结构，例如飞行器的发动机燃烧室就属这类结构。为了减轻质量，增加内部空间，提高飞行器的服役能力，燃烧室多采用薄壁结构，其材料参数非单一，结构形式复杂。在加热过程中，由于燃烧室不同位置处受热的情况不同，因此在其表面会产生较大的温度梯度，从而产生热应力，进一步影响其动力学特性。另一方面，燃烧室内部的火焰筒结构在温度场的作用下会产生热变形，进而会影响火焰筒的冷却与燃烧，温度升高所产生的热载荷也会降低结构的横向刚度，甚至可能导致结构的屈曲。因此研究这类结构在热环境下的振动特性对于结构的安全性和稳定性具有重要的意义。

国内外学者围绕结构在热环境下的振动问题从理论和试验等方面开展了诸多研究。针对结构的气动弹性问题开展了理论研究，期间的许多研究成果成为热气动弹性的基础。从理论推导和数值模拟的角度研究了铁木辛柯梁在热环境状态下的振动特性，求解过程中考虑了轴向温度变化以及随温度变化的弹性模量的影响。介绍热环境下结构的测试方法技巧，并利用铝板搭建了热振测试平台，得到铝板在热环境下动力学参数变化的规律。利用中空翼结构进行热环境下的振动特性研究，得到了高达900℃热环境下结构的模态参数。研究旋转结构在热环境下的振动问题，指出结构的固有频率同时受到温度场和离心刚度的共同影响。针对热、声效应的共同作用环境，对壁板颤振问题进行研究。围绕高超声速中流场-热-结构耦合的建模、载荷、响应等问题进行研究。使用有限元建模与分析方法分析再入飞行器的热防护系统，包括其热应力、热震颤等。使用多物理场有限元法对火箭喷嘴在点火阶段的结构热响应问题进行研究。围绕复合材料结构在热环境中振动问题的研究进行得也较多，而针对多种子结构组成的复杂结构，其材料参数非单一，对其在加热过程中动力学参数变化规律的研究稍显不足。若能基于数值模拟和试验的方法得到该类复杂结构在热环境下的动力学参数变化规律，将具有十分重要的意义。研究以冲压发动机的燃烧室为例，首先从理论上分析了影响结构热刚度矩阵的主要因素。然后从数值模拟角度研究了不同工况下结构动力学参数随温度的变化规律，重点分析了弹性模量、热应力以及几何非线性的影响。最后完成了燃烧室热模态试验的设计与结果分析，研究了不同工况下结构振型、固有频率及模态阻尼随温度的变化规律，并验证了数值模拟方法的可行性。

热振理论基础

（1）热环境下的应力描述

在已知瞬态温度场的基础上计算每一时刻各点的温度初应变ε₀=α（T-T₀），α为热膨胀系数。对于弹性体结构，在有约束无法自由热膨胀或在外载荷作用下会产生应变。因此，当弹性结构存在初应变的情况下，其总应变为温度初应变和弹性应变两者之和，即：ε=ε₀ D^-1σ

上式可以改写为：σ=D（ε-ε₀）

式中：σ为热应力，D为弹性矩阵。

（2）结构热刚度矩阵的形成

考虑温度效应的情况下，结构初始刚度矩阵主要受两种状态的影响而发生变化：升温使得结构材料的弹性模量E发生变化；结构升温后内部存在的温度梯度引起了热应力。针对上述两种状态，以飞行器燃烧室结构为例，分析初始刚度矩阵的变化。对于第一种情况，当燃烧室所处热环境异常严酷，结构表面的温度值和非均匀性都较高时，需考虑几何非线性影响，记升温后结构的刚度矩阵为：KT=∫B^TD_TBdΩ

式中：B=B_L B_N为几何矩阵，包括线性和非线性两个部分；D_T为与材料弹性模量E和泊松比μ相关的弹性矩阵，温度变化时D_T也相应发生变化。则：K_T=K_L K_N

式中：初始刚度矩阵K_L=∫B_L^TD_TB_LdΩ；几何非线性刚度矩阵KN=∫ΩB_L^TD_TB_N BN^TD_TB_NdΩ。对于第二种情况，即当结构升温后内部存在的温度梯度引起了热应力时，需要在结构的刚度矩阵中附加一初始应力刚度矩阵。记结构的初始应力刚度矩阵为K_σ=-∫G_TгGdΩ，其中G为形函数矩阵，г为应力矩阵。当考虑结构的几何非线性（K_N）时，结构总的热刚度矩阵为：K_T=K_L K_N K_σ

（3）考虑温度效应的结构热模态分析方法

在稳态温度场下，无阻尼系统的自由振动方程为Mx Kx=0→(K-ω²M)φ=0

式中：K为热效应下修正的热刚度矩阵；φ为n阶向量；ω为与向量φ对应的振动频率。

热振数值模拟

利用有限元分析的方法开展数值模拟是研究结构热环境状态下振动特性的有效途径，此处仍以发动机燃烧室结构为例。该发动机燃烧室结构主要分为前段、中段、后段三部分，中段和后段主要由内外两层组成，且中段的内外层通过复杂环状结构和刚性单元连接而成，各部分的主要材料类型分别为30CrMnSiA，GH4099，TA15。建模过程中采用的单元有壳单元、实体单元和刚性单元，其有限元模型如图1所示。

针对要研究的问题，考虑到发动机燃烧室结构在试车状态下所处的最高温度不超过600℃，设计了5种计算工况，未加热模态和300，400，500，600℃加热模态分别对应工况1—5。利用商用软件Abaqus对结构进行仿真计算，热环境下的模态计算需要考虑温度场以及随温度变化的材料参数，如弹性模量、泊松比、线膨胀系数等，计算所用到的材料参数见表1和表2。在计算过程中，缺失的一些参数将根据计算的温度场由软件自动插值获取。相比未加热状态模态计算，热模态计算的主要过程是根据结构所处的温度场首先求解结构在高温下的热应力，然后以此热应力为预应力，并结合随温度变化的材料参数求解结构在热环境下的模态。燃烧室仿真前三阶频率随温度变化曲线如图2所示，可以看出，随着温度的升高，前三阶的频率呈现下降趋势。这主要是由于加热引起材料的弹性模量下降，进而降低结构的刚度，使得结构固有频率下降。未加热状态计算出来的前三阶模态振型如图3所示，对所有工况仿真计算的结果进行对比分析可以发现，各种工况下的模态振型均未发生变化，而发生变化的主要是模态频率。

热振研究结论

冲压发动机燃烧室是一种复杂结构，分析其热振特性时不仅要考虑弹性模量的变化，还要考虑热应力分布以及几何非线性因素的影响。文中完成了燃烧室结构的数值模态分析，并建立了热振试验平台，完成了模态试验分析，主要结论如下所述。

1）对比数值分析和实验结果，燃烧室结构振型及模态频率变化规律具有一致性，表明了实验有效，数值模拟正确。

2）对自由-自由状态的燃烧室结构，数值分析和实验结果均表明，随着温度升高，结构模态频率呈下降趋势。实验结果表明，结构的模态阻尼呈升高—下降—升高的趋势，表明结构的耗能特性受温度影响。

3）数值分析和实验结果均表明，在均匀加热状态下，温度的变化不影响结构的模态振型。对于自由-自由状态的燃烧室结构，在加热的过程中，影响模态频率下降的主要因素是弹性模量的变化，热应力分布和几何非线性的影响可以忽略。

超轻有序多孔结构在高速列车、航空航天、船舶、机械等工程领域具有广泛而重要的应用，是诸多领域的研究热点和重要前沿。研究超轻有序多孔结构的振动、噪声及其控制，对其工程应用至关重要。然而，与传统工程结构相比，超轻多孔结构的构型更趋复杂化和多样化，对其振动、噪声与控制的研究面临新的挑战，是一个亟待解决的重要课题。本项目针对超轻有序多孔结构在车辆、飞行器、舰船等典型装备的应用背景，围绕其声振特性分析及其低频减振降噪问题，重点开展了这四个方面的工作：(1) 超轻有序多孔结构的声振特性建模研究；(2)超轻有序多孔结构的振动噪声特性分析研究；(3)超轻有序多孔结构的减振降噪设计研究；(4) 超轻有序多孔结构的减振降噪实验研究。取得的主要创新成果包括： (1) 运用波有限元法建立了典型一维、二维超轻有序多孔结构的波传播与强迫振动分析模型；(2)基于局域共振带隙原理，提出了超轻有序多孔结构低频减振降噪设计的新方法；(3) 深入揭示了局域共振型周期杆、梁、板结构中的弹性波带隙调控规律和机理，为超轻有序多孔结构的减振降噪设计奠定了基础理论。总之，本项目的研究成果将有助于认识和改进超轻有序多孔结构的声振特性，对其工程应用有重要参考价值。 2100433B

《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为与损伤评价研究》是作者及其团队十余年研究成果的总结。书中以内蒙古中西部地区风沙环境为研究背景，在较系统地分析了风沙环境特征、钢结构涂层材料物理和力学性能的研究基础上，对钢结构涂层受风沙流粒子冲蚀力学行为、耐久性损伤机理及其损伤程度进行了研究。全书共分为10章，包括：绪论、内蒙占中西部地区风沙环境特征分析、钢结构涂层的制备及其物理力学性能测定、风沙冲击作用下钢结构涂层及其与基体界面冲蚀磨损理论分析、风沙环境下钢结构涂层的冲蚀试验研究、风沙环境下钢结构涂层冲蚀磨损机理分析、钢结构涂层受风沙环境冲蚀磨损损伤程度评价、钢结构涂层的摩擦学性能分析、风沙流粒子冲击钢结构涂层的有限元分析、相似理论及其在风沙侵蚀研究中的应用。《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为与损伤评价研究》可供土木建筑专业的研究人员、高等院校教师及研究生参考使用。