热强度分析

飞行器高速飞行时，流经飞行器表面的气流由于摩擦等原因受到阻滞,动能转变为热能,温度急剧升高，产生气动加热现象。气动加热与飞行高度有关，飞行高度越低，空气密度越大，气动加热越严重。例如在30公里高空,当飞行马赫数为3时,温度可达300°C左右，飞行速度增加到马赫数5时，温度高达900°C。航天飞机重返大气层时表面温度可升到1200°C以上。高温给飞行器设计，特别是结构强度带来严重的问题，技术上称为“热障”。第二次世界大战末期,德国V-2火箭已遇到这一问题。战后出现了高速飞机，热强度的研究更受到人们重视。除气动加热外，还有其他热源，如发动机的释热、太阳辐射、核爆炸时的高温辐射等，都构成热环境。

首先需要分析热环境。气动加热计算是根据飞行状态计算飞行器表面气流的温度，进而计算结构的热传导，确定结构的温度场。温度很高时，热辐射的影响明显，也应加以考虑。飞行状态通常是非稳态的，当飞行高度和速度迅速变化时，结构温度场具有瞬态的性质。对于其他热源也需要根据不同的传热方式进行计算。确定热环境后，可进行热应力计算、热刚度计算、热结构动力特性分析、热结构稳定性分析、大变形计算、蠕变失稳的临界时间的计算、热颤振、热疲劳分析等，对结构耐受热环境的能力作出评定。这些分析工作不是孤立的，而是与材料的选择、结构形式的选择、热防护设计等结合而反复进行的。例如，根据不同的温度范围，选用钛合金、不锈钢和金属基复合材料结构、蜂窝结构、夹层结构等耐热性能较好的材料和结构。热防护通常分为吸收式和辐射式两类。烧蚀式热防护属于前一类，采用烧蚀材料或涂层，例如树脂、碳等在高温下熔化、蒸发、升华或产生化学反应，吸收大量的热，然后被高速气流带走，从而保护内层结构。一般烧蚀材料或涂层的导热性很差，故又能起隔热作用。辐射式热防护是在飞行器表面覆盖辐射能力很强又能耐热的绝热层，结构受热时热流被绝热层阻挡，飞行器表面温度很快升高，通过辐射使热量散失。陶瓷、石墨等都可以作为辐射式热防护材料。应用电子计算机的结构分析系统已成为热强度分析的有力手段。通过热强度分析和热强度试验，综合研究各种因素，还可对热环境下工作的飞行器结构进行优化设计。2100433B

研究结构在热环境下承受载荷和耐受热环境的能力。研究还包括结构在热环境和载荷作用下的应力、变形、稳定性、振动等各方面的性态。热强度研究是飞行器结构强度学科中形成较迟的一个方面。它包括热强度分析和热强度试验。

在热环境中，结构材料的机械性能明显下降。由于材料具有热胀冷缩的特性，受热结构各部分的热膨胀受到约束而产生热应力，温度分布不均匀时尤为严重，使结构承载能力降低。蠕变是热环境下的另一个问题，它是一种随时间发展的非弹性变形，温度越高，载荷越大，发展越快。蠕变也使结构的极限强度降低，容易发生屈曲。在热环境中长期飞行时，由于永久变形的累积,飞行器的气动外形受到影响。此外,结构的振动频率与模态会发生变化，颤振的临界速度会降低，结构刚度的减小还会引起变形发散等其他气动弹性问题（见气动弹性力学）。核爆炸时，在极短的时间内，爆炸点附近的飞行器结构受到高热冲击，产生类似冲击力引起的动态效应，同时引起结构表面与内部之间极大的温差，使表面或内部形成裂纹,甚至导致立即破坏,这对脆性材料尤为严重。在高温下，材料的疲劳性能下降。交变载荷和交变温度使结构产生热疲劳，结构的断裂特性也会受到严重影响。

热强度热环境的形成

飞行器高速飞行时，流经飞行器表面的气流由于摩擦等原因受到阻滞，动能转变为热能，温度急剧升高，产生气动加热现象。气动加热与飞行高度有关，飞行高度越低，空气密度越大，气动加热越严重。例如在30公里高空，当飞行马赫数为3时，温度可达300℃左右，飞行速度增加到马赫数5时，温度高达900℃。航天飞机重返大气层时表面温度可升到1200℃以上。高温给飞行器设计，特别是结构强度带来严重的问题，技术上称为“热障”。第二次世界大战末期，德国V-2火箭已遇到这一问题。战后出觋了高速飞机，热强度的研究更受到人们重视。除气动加热外，还有其他热源，如发动机的释热、太阳辐射、核爆炸时的高温辐射等，都构成热环境。

热强度热对结构的影晌

在热环境中，结构材料的机械性能明显下降。由于材料具有热胀冷缩的特性，受热结构各部分的热膨胀受到约束而产生热应力，温度分布不均匀时尤为严重，使结构承载能力降低。蠕变是热环境下的另一个问题，它是一种随时间发展的非弹性变形，温度越高，载荷越大，发展越快。蠕变也使结构的极限强度降低，容易发生屈曲。在热环境中长期飞行时，由于永久变形的累积，飞行器的气动外形受到影响。此外，结构的振动频率与模态会发生变化，颤振的临界速度会降低，结构刚度的减小还会引起变形发散等其他气动弹性问题。核爆炸时，在极短的时间内，爆炸点附近的飞行器结构受到高热冲击，产生类似冲击力引起的动态效应，同时引起结构表面与内部之间极大的温差，使表面或内部形成裂纹，甚至导致立即破坏，这对脆性材料尤为严重。在高温下，材料的疲劳性能下降。交变载荷和交变温度使结构产生热疲劳，结构的断裂特性也会受到严重影响。

热强度热强度分析内容和方法

首先需要分析热环境。气动加热计算是根据飞行状态计算飞行器表面气流的温度，进而计算结构的热传导，确定结构的温度场。温度很高时，热辐射的影响明显，也应加以考虑。飞行状态通常是非稳态的，当飞行高度和速度迅速变化时，结构温度场具有瞬态的性质。对于其他热源也需要根据不同的传热方式进行计算。确定热环境后，可进行热应力计算、热刚度计算、热结构动力特性分析、热结构稳定性分析、大变形计算、蠕变失稳的临界时间的计算、热颤振、热疲劳分析等，对结构耐受热环境的能力作出评定。这些分析工作不是孤立的，而是与材料的选择、结构形式的选择、热防护设计等结合而反复进行的。例如，根据不同的温度范围，选用钛合金、不锈钢和金属基复合材料结构、蜂窝结构、夹层结构等耐热性能较好的材料和结构。热防护通常分为吸收式和辐射式两类。烧蚀式热防护属于前一类，采用烧蚀材料或涂层，例如树脂、碳等在高温下熔化、蒸发、升华或产生化学反应，吸收大量的热，然后被高速气流带走，从而保护内层结构。一般烧蚀材料或涂层的导热性很差，故又能起隔热作用。辐射式热防护是在飞行器表面覆盖辐射能力很强又能耐热的绝热层，结构受热时热流被绝热层阻挡，飞行器表面温度很快升高，通过辐射使热量散失。陶瓷、石墨等都可以作为辐射式热防护材料。应用电子计算机的结构分析系统已成为热强度分析的有力手段。通过热强度分析和热强度试验，综合研究各种因素，还可对热环境下工作的飞行器结构进行优化设计。

静强度分析包括下面几个方面的工作。

校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。

校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。

计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。

计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。

静强度分析的内容也可通过静力试验测定或验证。

静强度分析是工程结构设计中使用最为频繁的分析，主要用来求解结构在与时间无关或者时间作用效果可以忽略的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）作用的响应，并得出所需的位移、应力和应变能等。

风力发电机组结构件的静强度问题，实际是考察机组的关键结构件在使用当中承受最大作用载荷的能力，分析结构承受极端载荷时的最大应变、应力和位移，进而讨论该结构的强度和刚度问题。分析方法及准则是风力发电机组结构件强度校核中最基本的分析原则，是机组结构设计活动中首先考虑的基本要求。

考虑到不同的载荷工况会导致结构件的受力状态不同，因此，必须全面考察机组在运行中所遇到的各种载荷状态（或称工况）。同一载荷分量，静强度仅考虑最大载荷值即可。通常风力发电机组结构静强度分析依据相关规范给定的设计载荷法，即计算载荷必须包含安全系数γ_f。

根据求解问题的复杂程度，风力发电机组结构件的静强度分析方法可分为两类：工程计算方法和有限元计算方法。

对于某类结构件来说，其结构尺寸单一，受载条件简单，并且有权威机构颁布的工程算法实例做参照，则此类结构件的静强度分析可应用工程算法计算。例如，锥筒式塔筒筒段间螺栓连接的静强度分析等。

对于载荷复杂或结构复杂的一类结构件（例如，轮毂、底盘等），工程算法或者传统强度分析办法无法给出合乎规范要求的精确解，必须借助数值计算完成这类结构件的静强度分析。有限元法就是其中发展较为成熟的数值计算方法之一，是解决复杂力学问题的一个有效的工具。如上图1为有限元静强度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元静强度分析是求解近似解的过程，求解精度高度依赖建模策略，网格密度以及载荷或位移边界的施加方式，为保证计算结果安全可信，风力发电机组结构件的有限元静强度分析应满足下列基本原则。

建模及网格划分应遵循的原则

1）对于非重点考察区域的细小特征，例如圆孔、倒角、凸台等，在不影响整体刚度的前提下，可以适当简化；

2）采用构建相邻部件的部分模型（假体）的方法，增加模型的合理判别区域。结构件、假体模型的尺寸及其连接方式应与实际情况保持一致；

3）模型整体的网格规模和网格质量应适当，重点校验区域要加密网格，非重要的区域可适当增大网格尺寸，建议采用高阶单元划分模型；

4）对于呈现高应力状态、应力梯度变化较大的局部区域，要细分网格，追求高质量网格。建议出现高应力的倒圆特征至少划分三层单元；

5）含有对称结构特征的模型，可以考虑建立最小模型，降低计算复杂性。

施加载荷应遵循的原则

1）简化假设越少越好；

2）使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合；

3）如必须作简化处理时，必须忽略“不合理”简化的边界附近一定区域内的应力；

值得注意的是，在结构分析中，集中载荷通常是梁、杆和弹簧等非连续性的模型施加载荷的一种途径。对于由平面单元或者三维实体单元等组成的连续性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。在静强度分析中，如果不关心集中载荷作用节点处的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，添加在模型上，虽然这样做会对载荷附近的局部特性有影响，但对整个结构的性能影响并不大。

无论采用工程算法还是数值算法，最后的工作都要归结为：静强度校验。对于风力发电机组结构件的静强度分析来说，就是通过应力（位移）比较，以校核结构件是否满足强度和刚度的要求。具体的做法是筛选出最大应力（最大位移）的载荷情况，并对该情况下所产生的最大应力（位移）进行检验。