变截面Z型折叠机翼振动特性的有限元与实验分析

Z型变截面折叠机翼作为一种可变体机翼结构,不同的折叠角对机翼稳定性有着重要的影响,因此研究不同折叠角度下的特性参数对机翼动态稳定性有着重要的意义.本文首先设计加工了Z型变截面可折叠机翼结构的实验模型,通过建立与实验模型相匹配的有限元模型,仿真得到不同折叠角度下机翼的前5阶固有频率和振型,针对不同折叠角度下机翼的固有特性,通过扫频实验得到机翼前5阶固有频率和模态振型,以及横向外激励作用下三段翼的频响曲线,对比分析有限元仿真与实验结果,验证结果的可靠性,这将对机翼结构设计以及特性参数的选取提供参考依据.     

Z型折叠机翼的气动力计算及非线性动力学分析

近年来,由于变体飞行器能够通过改变结构几何参数从而有效地改善飞行特性,成为了各国研究的热点问题.然而气动弹性问题一直是制约变体飞行器发展的瓶颈.所以,通过计算特殊形状变体飞行器的气动特性并分析结构的动态稳定性,能更多的了解变形结构的气动特性,也将推动变体飞行器中气动力计算的发展及相关领域的研究.本文主要研究了Z型折叠机翼的气动力计算及非线性动力学分析.根据亚音速下气流的特点,采用薄翼型理论计算Z型折叠机翼的环量分布,然后利用Kutta-Joukowski升力定理,推导了在理想不可压流体来流条件下定常气动升力的解析公式.将上述得到的气动力作用在Z型折叠机翼中,将Z型折叠机翼简化为以刚性铰链相连接的三块碳纤维复合材料层合板,应用Hamilton原理建立了在亚音速气动载荷作用下Z型折叠机翼结构的非线性动力学方程,并根据特殊的边界条件得到了结构的模态函数.利用Galerkin方法离散得到了结构带有折叠角度的常微分运动控制方程.利用数值方法分析了一定气动力作用下Z型折叠机翼结构在折叠过程中的非线性动力学特性,分析了折叠角度对变形机翼结构稳定性的影响.     

Z型折叠机翼的非线性动力学与模态分析研究

针对Z型折叠机翼这种复杂多体结构,运用多种不同的方法得到了结构的前4阶振动模态.将Z型折叠机翼假设为由三块碳纤维复合材料板组成,两板之间均以刚性铰链相连接.其中内翼左侧是固定端,并与机身相连接;中间翼以对边简支形式连接在内外翼之间;外翼的外端是自由端.在第一个铰链上施加驱动力矩M1为机翼提供折叠角速度,使中间翼进行转动;同时施加力矩M2于第二个铰链处,使外翼与内翼始终保持平行.本文首先利用Hamilton原理与von Karman大变形理论建立Z型折叠机翼的动力学模型,然后通过ANSYS软件设置合理的边界条件进行模态分析与谐响应分析,其次根据ANSYS模拟的Z型折叠机翼的振动形式,假设合适的模态函数,通过结构边界条件和系统动力学方程求出来的边界条件,求出三个板的横向振动模态函数,最后通过Maple验证得出的模态函数与ANSYS模拟的振动形式相符合.该研究不仅是Z型机翼的受迫振动响应分析的前提,而且对于Z型机翼的设计与实验也具有参考价值.     

大行程纳米级步进压电微动台的特性研究

运用有限元分析方法,建立纳米级步进压电微动台的实体模型并进行了仿真计算,考察了结构参数对步进型压电微动台性能的影响,得到了压电微动台的固有频率和振型。采用正交实验法设计结构参数,分析了不同因素对压电微动台的固有频率和振动幅值的影响,得到了影响二者之比的4个因素的最优设计参数。根据逐步回归分析的方法建立了结构设计参数的数学模型,从而定量地分析各自变量与一阶固有频率之间的关系。     

变截面舵面结构全场瞬态变形测量及振动特性分析

搭建了一套全场非接触应变测量系统,对变截面舵面结构受随机载荷激励作用下的变形及振动特性进行实验研究。实验以2A12铝合金材料制成的变截面舵面结构为试验对象,采用高分辨率的相机记录舵面结构全场清晰的散斑图像,然后利用三维数字图像相关方法对其结构表面的连续变形进行直接测量,同时利用傅里叶变换对采集到的散斑图像进行振动特性分析,获得变截面舵面结构的模态频率和模态振型。为验证非接触测量得到的振动特性结果的准确性,用小质量加速度传感器得到的振动响应信号进行对比。试验结果表明,在0~500Hz的测试频段内,三维数字图像相关方法辨识变截面舵面结构前三阶模态参数与加速度传感器测量结果非常吻合,前三阶固有频率误差在2%以内,阻尼比误差在6%以内,前二阶模态振型均为弯曲模式,第三阶模态振型为弯曲扭转耦合模式,验证了三维数字图像相关的全场振动测量技术的有效性,为高温环境及非线性变截面舵面结构非接触振动测试提供依据。     

摩托车车架挂发动机结构的有限元模态分析

利用大型有限元软件MSC Patran和MSC Nastran对摩托车车架挂发动机结构的有限元动力学特性进行分析,得到该车架的前10阶固有频率和振型,并与Lms模态测试系统测得的模态实验结果相对比,两者之间误差很小,从而验证有限元软件在计算车架挂发动机模态的正确性和可行性. 通过分析进一步了解车架挂发动机模型的动力学特性,发现车架挂发动机的薄弱环节,并提出改进方案.     

磁浮列车底盘梁的有限元优化减重设计

为在已有型号基础上获得更轻型有效的底盘梁结构而保持相对稳定的动力特性,首先利用ANSYS软件建立磁浮列车车体结构的有限元模型,利用Block Lanczos Method进行模态求解并得到结构一阶弹性固有频率.然后以结构一阶弹性固有频率值为约束函数,以车厢底盘梁8个截面上17个主要厚度参数为设计变量,以底盘梁总体积为目标函数,建立磁浮列车底盘梁减重优化的数学模型并进行计算.结果表明,磁浮列车一阶弹性固有模态为前后扭转的振型,在满足模态频率值不小于8.OHz的设计要求下,底盘梁减重20%的设计目标可以达到.说明以一阶弹性固有模态频率值为约束函数的优化方案可行且效果良好.     

基于虚拟仿真技术的车架动态响应特性分析

采用ALGOR有限元分析软件对车架进行模态分析,得出了前10阶振型及固有频率。运用二自由度汽车振动模型,建立了系统的运动微分方程并利用Matlab中的Simulink模块对车架的振动情况做出了仿真。利用路面谱仿真得到的路面激励信号作为输入,对车架进行动力响应模拟,得到了车架在典型路面上的动态响应特性,为车架的结构优化提供了理论依据。     

某大客车车架结构模态分析

为计算某大客车车架骨架模态,分析设计的合理性,考察各部件间的共振特性,用HyperWorks对车架有限元模型进行前、后处理,抽取三维模型的中面,在中面上划分网格,采用SHELL单元为基本单元,建立各零部件的有限元模型.应用OptiStruct求解得到车身骨架前6阶的模态及振型描述.从仿真分析可知,客车车身固有频率能避开...     

伸缩机翼动力学实验研究

伸缩机翼作为一种可变形翼,变形过程中,由于其结构时变特性严重且具有柔性体特点,翼面横向振动特性实时变化从而影响飞行性能.基于伸缩机翼实验模型,分别开展了伸缩机翼模态实验研究和振动实验研究,即通过PLC控制系统控制伺服电机转速及转向,进而改变活动机翼外伸长度及伸缩速度,一方面利用锤击法获得五种活动机翼外伸长度下前三阶模态参数;另一方面利用ICP加速度传感器、LMS数据采集分析系统采集并处理活动机翼伸缩过程中横向振动加速度信号,获得伸缩速度与最大振动幅值、最大响应频率之间关系.结果表明,活动机翼外伸长度增加,结构固有频率值减小;伸缩速度作为参数激励,其等效激励与活动机翼某一外伸长度下某一阶固有频率值相近而导致颤振.为伸缩机翼翼面振动控制和伸缩速度合理选择提供理论依据和技术支持.     

折叠翼的理论建模与实验研究

折叠翼是可变体飞行器设计最有前景的方案之一.在折叠变形过程中,飞行器的气动特性以及振动特性将会发生变化.为了研究折叠翼可变体飞行器机翼的振动特性,本文设计制作了折叠板结构,介绍了建立复杂结构力学模型的方法,用力学实验得到用于离散折叠板结构的低阶模态,并且考察了系统可能存在的内共振频率.     

Vibration analysis of composite plate wing

Vibration characteristics, including natural frequencies and mode shapes for various shaped composite wings, are evaluated using finite elements based on the shear deformable theory. The present analysis gives the influence of the sweep angle, the fiber orientation, the aspect ratio, and the taper ratio of a composite wing on the vibration properties. Natural frequencies have been obtained for a composite wing which has symmetric stacking sequences of laminates. Frequency closeness phenomena of different modes can be observed for the negative fiber angles. The present analysis uses eight-node quadrilateral elements which provide very accurate results.     

基于弹性关节的二维宽频隔振结构的设计及优化

为了得到具有隔振功能的新型材料,本文对带有弹性关节的新型二维隔振结构的形状、尺寸及材料的选取进行了研究.探究了负泊松比结构实现宽频的带隙功能的作用,分析其在低频处的隔振性能.首先,文章建立了基于弹性关节单元的有限元模型,并以弹性关节的角度作为设计变量,确定角度与单元模型前三阶模态频率之间的关系,获得了最优的结构参数及单元构型.其次,对单元结构进行了动力学分析,给出了结构的动力学响应曲线,得到了隔振频带与结构参数的关系,并且确定了最优角度下的带隙深度和宽度.最后,建立了二维隔振结构有限元模型,对此二维结构进行了动力学分析,得到了在不同方向激励下的动力学响应曲线.结果表明,该二维隔振结构在低频处具有宽而深的频率带隙,实现了将弹性关节与二维隔振结构相结合的低频宽频隔振,为隔振领域的结构和材料设计提供了新思路.     

基于滑模控制的折叠翼飞行器辅助机动研究

基于滑模控制策略,研究了折叠翼飞行器辅助机动问题.分析了系统折叠角与气动参数的关系,把机翼折叠角看成额外的控制输入,构造了包含折叠辅助机动的飞行器动力学模型.针对非线性系统,加入混合干扰,设计了非奇异动态终端滑模控制(NDTSMC)器,能够较好地抑制折叠翼飞行器的不确定性,同时完成姿态跟踪控制.仿真结果表明,NDTSMC改善了折叠翼飞行器的控制精度和鲁棒性能,具有较好的抖振消除效果.与传统飞行器相比,加入折叠辅助机动的折叠翼飞行器拥有更高的机动性和抗干扰能力.     

开孔变截面微悬臂梁传感器的等效刚度和固有频率

研究新型开孔变截面微悬臂梁传感器的等效法向刚度及其对固有频率的影响.首先,考虑微梁纵截面孔洞结构引起的弯扭耦合效应,利用二次积分法获得在自由端集中载荷作用下悬臂梁的挠度,基于弹性材料的Hooke定律建立了微梁等效法向刚度分析的解析模型.然后,采用Rayleigh法获得了微梁的固有频率.最后,通过比对实验结果和有限元结果对解析模型进行了验证.研究表明:解析模型对于开孔变截面微梁刚度和频率的预测和标定具有较好的精度;微梁的等效刚度和固有频率与跨宽比负相关,却与内外宽度比正相关.有关结论可为新型变截面微纳机械传感器的设计提供理论依据和参考.     

Development of a Flying Robot With a Pantograph-Based Variable Wing Mechanism

We develop a flying robot with a new pantograph-based variable wing mechanism for horizontal-axis rotorcrafts (cyclogyro rotorcrafts). A key feature of the new mechanism is to have a unique trajectory of variable wings that not only change angles of attack but also expand and contract according to wing positions. As a first step, this paper focuses on demonstrating the possibility of the flying robot with this mechanism. After addressing the pantograph-based variable wing mechanism and its features, a simulation model of this mechanism is constructed. Next, we present some comparison results (between the simulation model and experimental data) for a prototype body with the proposed pantograph-based variable wing mechanism. Both simulation and experimental results show that the flying robot with this new mechanism can generate enough lift forces to keep itself in the air. Furthermore, we construct a more precise simulation model by considering rotational motion of each wing. As a result of optimizing design parameters using the precise simulation model, flight performance experimental results demonstrate that the robot with the optimal design parameters can generate not only enough lift forces but a 155 gf payload as well.      

基于有限元法的客车车架结构分析与研究

在Hypermesh软件中采用板壳单元对车架几何模型进行网格划分,建立车架的有限元模型。根据客车的承载特点和行使工况,对该车车架进行动力学分析。并对车架进行模态计算,得到车架的固有频率和固有振型。配合实验数据,对车架结构的设计提出了合理的改进方案,本文可获得较高的工程应用价值。