C/SiC典型构件噪声响应仿真分析

段旭冬 于晖 苏瑞意

摘要：C/SiC复合材料具有耐高温、高比强、耐疲劳等优异性能，因而成为高超声速飞行器热防护系统和热结构的重要组成部件。现设计了一种C/SiC典型构件，并进一步基于有限元方法建立了仿真模型，采用参数优化技术对材料参数以及连接方式进行了修正，然后与常温行波管噪声实验结果进行了对比，验证了常温仿真模型的有效性，并基于模型预测了1 000 ℃时噪声载荷下的C/SiC典型构件响应情况。

关键词：C/SiC;噪声分析;热振耦合

0    引言

高超声速飞行器在飞行过程中，大面积热防护结构、翼舵等均处在160 dB以上的噪声环境中，局部由推进系统/边界层产生的噪声甚至超过170 dB，严重影响着结构的完整性和耐久性[1]。C/SiC复合材料具有耐高温、高比强、耐疲劳等优异性能，因而成为高超声速飞行器热防护系统和热结构的重要组成部件[2]。吴振强等[3]以C/SiC壁板为典型样件，研究了材料在强噪声环境下的动态响应及对应的失效模式。本文设计了一种C/SiC典型构件，通过有限元仿真及参数优化技术，基于常温的行波管噪声实验，验证了模型的有效性，并基于模型预测了1 000 ℃下噪声响应情况。

1    噪声分析模型

基于ABAQUS建立了如图1所示的有限元模型。

采用六面体实体单元离散结构，网格特征尺寸为2 mm，网格数分为41 312，节点数为60 335。网格尺寸的选择进行了相应的敛散性分析，详细单元参数总结如表1所示。

为了模拟设计构件中底板与筋以及纵横筋之间采用的铆钉连接，有限元模型中采用梁单元代替铆钉并定义MPC连接，如图2所示。

另外，试验构件在制造中4个角点处的连接由于制造工艺的原因较弱，因此去除仿真模型中4个角点处的铆钉连接改为螺栓孔处节点合并，如图3所示。

热噪分析过程中，由于存在多种温度场工况下的分析，因此材料参数选用经过Isight优化后的，考虑温度影响的横观各向同性材料本构，其具体取值如表2所示。

C/SiC构型件使用行波管进行常温噪声实验，由4根钢绳悬挂在行波管内，4根钢绳分别固定试验件4个角孔。因此，模型采用Truss单元模拟钢绳，长100 mm，横截面积设定为100 mm2，材料使用金属钢弹性属性，如表3所示。

Truss单元一端固定，另一端与试件模型四周角孔中心点耦合连接，如图4所示。共建立4条钢绳模型，其延长线均通过构型件模型中心。

模态分析设置频率范围为10～10 000 Hz，通过添加0.1的阻尼比设置随机响应分析，选取底板的上下表面及4个立板的外侧面作为施加噪声载荷区域，噪声载荷转化成的功率谱密度单位为Pa2/Hz，属于压力单位，应当施加面压载荷。ABAQUS随机响应分析步不支持施加载荷，需要通过编辑关键字定义。编辑*psd-definition定义功率谱密度曲线，编辑*DSLOAD在预先定义的6个表面施加载荷，通过关键字*CORRELATION将psd谱值与施加的面压关联[4]。

此外，通过传热分析，获得模型中心点为1 000 ℃时的温度场，输入到噪声模型中进行热噪分析。

2    结果

2.1    常温噪声结果

试验中分别施加了总声压级为146 dB、152 dB、158 dB、161 dB、163 dB的噪声载荷，通过选取模型中心点的加速度均方根值响应与实验进行对照，不同总声壓级噪声载荷模拟与实验结果总结如表4所示。

由表4可知，由仿真模型得到的中心点的加速度均方根值响应与实验值接近，表明了仿真模型的正确性。

2.2    高温噪声结果

在上述被验证过的常温噪声模型基础上，将温度场引入到模型中来，得到热噪耦合模型。进一步地，通过该热噪耦合模型预测得到1 000 ℃下，应变均方根的最大值为1.804×10-5，方向为面外Y方向。位置如图5所示，位于立板与底板连接的铆钉处。

由图5结果可知，该C/SiC典型构件的薄弱区域位于铆钉连接处。

3    结语

本文设计了一种C/SiC典型构件，并相应建立了有限元仿真模型。为了使仿真模型真实可靠，基于Isight软件，采用参数优化技术对材料参数以及连接方式进行了修正。与常温行波管噪声实验结果的对比表明了仿真模型的正确性。在该模型基础上进一步建立了热噪耦合模型，预测了1 000 ℃时噪声载荷下的C/SiC典型构件响应情况。

[参考文献]

[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] 张立同.纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料——模拟、表征与设计[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3] 吴振强，刘宝瑞，贾洲侠，等.强噪声激励下C/SiC复合材料壁板动态响应与失效分析[J].复合材料学报，2019，36（5）：1254-1262.

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

收稿日期：2020-01-02

作者简介：段旭冬（1996—），男，辽宁鞍山人，研究方向：随机振动。