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高超音速导弹天线罩理论设计及有限元分析

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高超音速导弹天线罩理论设计及有限元分析

FEM MODELING SIMULATION ANDTHEORETICAL DESIGN OFHYPERSONIC MISSILE RADOME

Abstract

摘要

第1章 绪论

1.1 本课题研究的目的及意义

1.2 天线罩研究技术发展现状

1.2.1 天线罩发展展望

1.2.2 超音速导弹天线罩材料研究现状

1.2.3 天线罩工艺与加工技术发展

1.2.4 天线罩试验技术

1.2.5 多模制导技术

1.3 有限元法在天线罩研制中的作用

1.3.1 有限元法应用

1.3.2 天线罩结构有限元分析

1.4 本论文研究的主要内容

第2章 天线罩设计有限元方法

2.1 有限单元法的形成

2.2 有限元法的基本思路

2.3 有限元法的计算步骤

2.3.1 网格划分

2.3.2 单元分析

2.3.3 整体分析

2.4 有限元法热-结构分析原理

2.4.1 结构分析原理

2.4.2 热分析原理

2.4.3 耦合场分析

第3章 天线罩设计过程

3.1 天线罩设计原则

3.1.1 天线罩的组成

3.2 天线罩材料选择

3.2.1 天线罩材料选用原则

3.2.2 BN -SiO2-Si3N4 体系陶瓷材料天线罩

3.3 天线罩的外形设计

3.3.1 天线罩的外形设计的基本原则

3.3.2 选择母线形状

3.4 天线罩电气设计

3.4.1 天线罩电气性能要求

3.4.2 天线罩瞄准线误差斜率的估算

3.4.3 天线罩壁厚设计

3.5 本章小结

第4章 天线罩外载荷计算

4.1 飞行中作用在天线罩上的外载荷分类

4.1.1 气动力载荷

4.1.2 惯性载荷

4.1.3 气动热载荷

4.1.4 载荷分析

4.2 大气参数计算

4.2.1 大气温度变化规律

4.2.2 大气压力变化规律

4.2.3 密度变化规律

4.2.4 空气粘性系数变化规律

4.3 气动力载荷计算

4.3.1 高超声速流场分析

4.3.2 气动力计算

4.4 惯性载荷计算

4.5 气动热载荷计算

4.5.1 后体部分表面温度计算

4.5.2 天线罩驻点热流密度计算

4.5.3 驻点区域热流密度计算

4.6 本章小结

第5章 有限元分析

5.1 有限元模型建立

5.2 结构静力分析

5.3 热分析

5.4 静-热耦合分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢

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摘要

天线罩设计是导弹研制过程中的关键技术之一,随着航空航天技术的发展及现代化战争的需要,飞行马赫数不断提高,天线罩承受的载荷也越来越高,传统的天线罩材料已经不能满足要求,所以需要开发新的材料体系天线罩以适应苛刻的飞行要求。
  本文设计了高超音速导弹天线罩结构并对其进行了有限元分析。根据使用要求和飞行条件设计一款轻质、高超音速、高精度的空空导弹天线罩。应用修正Lees公式和修正Kemp-Riddell公式计算了天线罩飞行过程中受到的气动载荷。最后以有限元软件ANSYS为工具,对天线罩结构进行静力分析、热分析和静热联合分析。BN-SiO2-Si3N4体系陶瓷材料具有优良的介电性能和耐高温性能,可以作为高超音速天线罩的使用材料。导弹飞行过程中天线罩表面产生明显的温度梯度,且温度随飞行速度的提升显著升高;天线罩受到最大拉应力在与弹体连接处的罩体后端面上。气动载荷产生的热应力是高超音速导弹天线罩中占主导作用的应力,也是引起天线罩失效的主要原因;热应力比重超过75%,且随马赫数的升高,所占比重从6Ma时的76.5%增加到8.8Ma时的79.5%。导弹在10km高空飞行时,BN-SiO2-Si3N4体系天线罩的失效速度是2640m/s(8.8Ma)。通过模拟结果可以得出天线罩的改进方向为:改变与弹体连接处的结构,以提高承载能力;采用热防护措施,以降低热应力的影响。
  本文通过对天线罩的静热强度ANSYS有限元模拟和对天线罩温度与应力的研究分析,得出了一些有价值的结论,为天线罩的结构可靠性进一步提高打下坚实的基础。

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