C/SiC典型構件噪聲響應仿真分析

段旭冬 于暉 蘇瑞意

摘要：C/SiC復合材料具有耐高溫、高比強、耐疲勞等優異性能，因而成為高超聲速飛行器熱防護系統和熱結構的重要組成部件。現設計了一種C/SiC典型構件，并進一步基于有限元方法建立了仿真模型，采用參數優化技術對材料參數以及連接方式進行了修正，然后與常溫行波管噪聲實驗結果進行了對比，驗證了常溫仿真模型的有效性，并基于模型預測了1 000 ℃時噪聲載荷下的C/SiC典型構件響應情況。

關鍵詞：C/SiC;噪聲分析;熱振耦合

0 ? ?引言

高超聲速飛行器在飛行過程中，大面積熱防護結構、翼舵等均處在160 dB以上的噪聲環境中，局部由推進系統/邊界層產生的噪聲甚至超過170 dB，嚴重影響著結構的完整性和耐久性[1]。C/SiC復合材料具有耐高溫、高比強、耐疲勞等優異性能，因而成為高超聲速飛行器熱防護系統和熱結構的重要組成部件[2]。吳振強等[3]以C/SiC壁板為典型樣件，研究了材料在強噪聲環境下的動態響應及對應的失效模式。本文設計了一種C/SiC典型構件，通過有限元仿真及參數優化技術，基于常溫的行波管噪聲實驗，驗證了模型的有效性，并基于模型預測了1 000 ℃下噪聲響應情況。

1 ? ?噪聲分析模型

基于ABAQUS建立了如圖1所示的有限元模型。

采用六面體實體單元離散結構，網格特征尺寸為2 mm，網格數分為41 312，節點數為60 335。網格尺寸的選擇進行了相應的斂散性分析，詳細單元參數總結如表1所示。

為了模擬設計構件中底板與筋以及縱橫筋之間采用的鉚釘連接，有限元模型中采用梁單元代替鉚釘并定義MPC連接，如圖2所示。

另外，試驗構件在制造中4個角點處的連接由于制造工藝的原因較弱，因此去除仿真模型中4個角點處的鉚釘連接改為螺栓孔處節點合并，如圖3所示。

熱噪分析過程中，由于存在多種溫度場工況下的分析，因此材料參數選用經過Isight優化后的，考慮溫度影響的橫觀各向同性材料本構，其具體取值如表2所示。

C/SiC構型件使用行波管進行常溫噪聲實驗，由4根鋼繩懸掛在行波管內，4根鋼繩分別固定試驗件4個角孔。因此，模型采用Truss單元模擬鋼繩，長100 mm，橫截面積設定為100 mm2，材料使用金屬鋼彈性屬性，如表3所示。

Truss單元一端固定，另一端與試件模型四周角孔中心點耦合連接，如圖4所示。共建立4條鋼繩模型，其延長線均通過構型件模型中心。

模態分析設置頻率范圍為10～10 000 Hz，通過添加0.1的阻尼比設置隨機響應分析，選取底板的上下表面及4個立板的外側面作為施加噪聲載荷區域，噪聲載荷轉化成的功率譜密度單位為Pa2/Hz，屬于壓力單位，應當施加面壓載荷。ABAQUS隨機響應分析步不支持施加載荷，需要通過編輯關鍵字定義。編輯*psd-definition定義功率譜密度曲線，編輯*DSLOAD在預先定義的6個表面施加載荷，通過關鍵字*CORRELATION將psd譜值與施加的面壓關聯[4]。

此外，通過傳熱分析，獲得模型中心點為1 000 ℃時的溫度場，輸入到噪聲模型中進行熱噪分析。

2 ? ?結果

2.1 ? ?常溫噪聲結果

試驗中分別施加了總聲壓級為146 dB、152 dB、158 dB、161 dB、163 dB的噪聲載荷，通過選取模型中心點的加速度均方根值響應與實驗進行對照，不同總聲壓級噪聲載荷模擬與實驗結果總結如表4所示。

由表4可知，由仿真模型得到的中心點的加速度均方根值響應與實驗值接近，表明了仿真模型的正確性。

2.2 ? ?高溫噪聲結果

在上述被驗證過的常溫噪聲模型基礎上，將溫度場引入到模型中來，得到熱噪耦合模型。進一步地，通過該熱噪耦合模型預測得到1 000 ℃下，應變均方根的最大值為1.804×10-5，方向為面外Y方向。位置如圖5所示，位于立板與底板連接的鉚釘處。

由圖5結果可知，該C/SiC典型構件的薄弱區域位于鉚釘連接處。

3 ? ?結語

本文設計了一種C/SiC典型構件，并相應建立了有限元仿真模型。為了使仿真模型真實可靠，基于Isight軟件，采用參數優化技術對材料參數以及連接方式進行了修正。與常溫行波管噪聲實驗結果的對比表明了仿真模型的正確性。在該模型基礎上進一步建立了熱噪耦合模型，預測了1 000 ℃時噪聲載荷下的C/SiC典型構件響應情況。

[參考文獻]

[1] BLEVINS R D，BOFILIOS D，HOLEHOUSE I，et al.Thermo-vibro-acousic loads and fatigue of hypersonic flight vehicle structure：AFRL-RB-WP-TR-2009-3139[R].Chula Vista，CA：Goodrich Aerostructures Group，2009.

[2] 張立同.纖維增韌碳化硅陶瓷復合材料——模擬、表征與設計[M].北京：化學工業出版社，2009.

[3] 吳振強，劉寶瑞，賈洲俠，等.強噪聲激勵下C/SiC復合材料壁板動態響應與失效分析[J].復合材料學報，2019，36（5）：1254-1262.

[4] Abaqus 2016 Documentation[Z].Dassault Systemes， 2016.

收稿日期：2020-01-02

作者簡介：段旭冬（1996—），男，遼寧鞍山人，研究方向：隨機振動。