热效应对空天飞行器翼面振动特性的影响

机体振动是空天飞行器研究的重点之一。本文对空天飞行器机翼结构的振动特性进行了数值仿真,获得了不同温度及温度梯度条件下空天飞行器机翼结构的特征值和固有频率。温度产生的热应力对结构刚度贡献不能忽略,因为热应力的表现形式包含拉应力和压应力,拉应力增加了结构的刚度,压应力减小了结构的刚度。该结果对热载荷下的翼面设计具有指导意义。     

计及热效应的小展弦比机翼气弹稳定性分析

以小展弦比机翼为例，分析其在超声速巡航过程中翼面的气动弹性稳定性。采用分层求解思路，按时间序求解超声速巡航过程瞬态热环境下的翼面温度分布、热模态和颤振边界。分析可知：在根部完全固支条件下，结构各阶固有频率在气动加热初期较常温时均有所提高，随着气动加热的进行，其各阶固有频率却不同程度上发生下降，特别是扭转模态频率；固有频率的下降直接降低气流中机翼弯、扭模态耦合频率，最终降低飞行器的颤振边界；不同的边界约束条件对机翼内部热应力的变化规律影响程度不同，边界约束越少，热应力的变化对结构刚度和颤振边界的影响也越小。     

热环境下的结构动力学特性优化

飞机上很多结构处于热和振动的复合环境中,在结构优化设计时应该综合考虑两者的影响。热环境对结构动力学特性的影响体现在结构刚度矩阵的改变,从而导致结构的固有频率改变。基于对热环境下结构动力学特性的分析建立热环境下结构动力特性优化模型,针对均匀温度场和热传导两种热环境下的结构,并考虑制造工艺,对结构进行动力学特性优化。优化结果表明:考虑热环境的结构动力学特性优化提高了结构的固有频率,使结构的固有频率远离外界激励的频率范围,避免由于热使结构固有频率改变而导致共振现象。     

热载荷下板模态间耦合对声功率的影响分析

板结构辐射声功率的传统理论模型通常采用数值积分法计算,许多模型不考虑模态间的耦合作用以缩短计算时间。研究模态间耦合对声功率的影响能为精确地预测和控制板结构声辐射特性提供重要的参考。为了高效地计算模态间的耦合项,基于模态辐射效率的幂级数形式解析解模型,提出并建立了矩阵形式解析解模型。数值算例验证了该模型的正确性。研究了板结构在均匀热环境下的声振特性,分析了定点激励和随机位置激励下结构振动模态间的耦合对声功率的影响在不同温度环境中的变化。计算结果表明,结构内温变产生的热应力导致结构等效刚度降低,各阶固有频率变小,声功率曲线各峰值向低频漂移;在计算声功率时必须考虑板模态间的耦合作用,尤其在中低频时,尽管结构某些工况下耦合项对声功率的影响很小,但是当环境温度或外激励作用的位置发生改变后耦合项的影响会变大。     

基于频率变化率的结构刚度非均匀退化识别

针对不利环境作用、损伤等易造成结构局部损伤且刚度退化程度不均匀的问题,以受弯梁为研究对象,从构件动力特性入手,综合考虑损伤前后的模态挠度曲率和固有频率变化,提出了基于频率变化率的刚度非均匀退化识别方法。首先,在柔度矩阵的基础上推导模态挠度曲率,通过损伤前后模态挠度曲率的改变量识别损伤位置参数,判定损伤区域;其次,对损伤区域进行节段划分,从欧拉-伯努利梁的动力方程出发建立损伤程度、损伤区域位置参数与固有频率之间的矩阵函数,实现直接利用频率值变化评估构件不同区域损伤程度。研究结果表明,该方法能很好地识别结构局部损伤位置和损伤程度,尤其是对于结构局部刚度不均匀退化的评估具有明显的优势。     

超小型固定翼飞行器的有限元模态分析及结构动力的调整

采用ANSYS软件对超小型固定翼飞行器(SMAV)整体结构进行了有限元模态分析和研究，并给出了超小型固定翼飞行器的5阶固有频率和振型(除零频率外)。结果表明，3、4阶模态频率对超小型固定翼飞行器的机翼纵向变形影响很大，而5阶模态频率对超小型固定翼飞行器的扭曲变形影响较大。本文进行了刚度、质量的局部调整，使得超小型固定翼飞行器的振动幅度有较大的下降。     

Stewart平台的振动研究

采用线性化方法推导了预载情况下Stewart平台的刚度矩阵和阻尼矩阵 ,建立了Stewart平台的非比例阻尼自由振动方程 ,针对系统的非比例阻尼条件 ,采用复模态分析的方法求解了该方程。最后结合实例研究了Stewart平台结构参数和姿态对刚度的影响 ,并对Stewart平台的振动响应进行了分析     

夹层结构的固有振动分析

应用有限元法对复合材料夹层结构的振动特性进行分析计算，给出一种公式简单、精度合理、应用范围广的等参四节点四边形板壳元的刚度矩阵和质量矩阵。对采用“逆幂法”求解结构的低阶固有频率和模态中存在的问题提出一种有效的解决途径。另外，本文还讨论了夹层结构的剪切刚度和曲率对固有频率的影响问题。最后给出一个分析实例。     

温振复合载荷作用下多层壳结构随机振动响应有限元分析

介绍受复合载荷作用结构动力分析的背景和意义.从工程应用的角度,探讨温度与随机振动载荷作用下结构动态响应的有限元分析技术,包括对流边界条件下温度场的求解、热应力计算、预应力刚度矩阵的建立、响应功率谱分析等.然后以一种典型多层壳结构为研究对象,根据其在温振复合试验中的受试状态建立有限元模型.在此基础上,采用模态迭加方法和等效黏滞性小阻尼条件,计算复合载荷作用下的振动加速度响应,并与单一振动载荷作用结果进行对比,结果发现,由于环境温度的升高,结构的振动模态频率降低,而振动响应增大.分析结果可作为多层壳结构可靠性试验方法选取的参考依据.     

摆线钢球行星传动自由振动分析

为准确反映摆线钢球行星传动的固有特性,建立了平移-扭转耦合动力学模型,求解了载荷作用时各构件相对位移量,并推导出动力学微分方程,获得了自由振动特征方程,得到了系统固有频率及主振型。分析了结构参数对固有频率的影响,并对理论研究进行了验证。结果表明：机构具有系统全振动模态、输出轴静止振动模态与输出轴扭转振动模态,传动比对固有频率的影响具有不确定性,输出轴支承刚度是影响固有频率的重要参数,验证了理论研究的正确性。     

内压及壁厚对充气支撑结构模态影响的仿真分析

为研究内压及壁厚对充气支撑结构固有频率和振型的影响,对不同壁厚的充气支撑结构施加适量的内压,应用薄壳的无矩理论求解出充气支撑结构的应力,并以此应力作为结构的预应力求解多自由度系统的动力学基本方程进行模态计算,采用兰索斯法提取了结构的固有频率和振型的分析结果.结果表明:在0～5000 Pa的压力范围内,低阶频率几乎不受内压的影响,而高阶振动频率随着内压的增大而增大,内压对结构高阶频率的影响是不可忽视的;内压在影响结构固有频率的同时也改变了结构的振型;低阶频率几乎不受壁厚变化的影响;内压的存在降低了壁厚对结构高阶振动频率的影响.     

受弯梁中开裂纹的位置识别与分析

利用有限元计算判定受弯梁中开裂纹的位置 ,从中得出 :同正常梁相比 ,裂纹梁的固有频率与振型的变化不但与裂纹深度而且与裂纹位置有关 ,因而 ,通过裂纹梁低阶固有频率及振型的变化情况可以判定裂纹的位置。对于裂纹较浅的情况 ,直接利用振型与固有频率的变化很难判定裂纹的位置 ,必须借用一些特征参数来提高识别的敏感性 ,这样 ,裂纹梁中早期裂纹的识别也是可行的     

大型分体式磁轴承电动机系统定子模态分析

准确分析定子固有模态对低振动噪声电机系统优化设计和控制有十分重要的意义。针对大型分体式磁轴承电动机系统,采用有限元仿真方法分析轴向磁轴承定子绕组、径向磁轴承定子叠片结构、机座螺栓连接以及底座附加质量对大型分体式磁轴承电动机系统定子模态的影响。结果表明:轴向轴承定子绕组对定子固有频率影响较大,宜采用质量计入铁心的方式处理;径向轴承定子叠片结构对定子固有频率的影响较小,可按各向同性处理;机座螺栓连接刚度对机座固有频率有一定影响,但当连接刚度远大于机座刚度时,影响较小;底座附加质量对整机模态频率有一定的影响,但对不同振型的固有频率的影响效果相差较大。计算了整机的模态频率,并与振动试验结果进行了对比验证。     

并联天平动特性研究

固有频率对并联风洞天平的动态性能有重要的影响。本文主要研究基于Stewart平台的并联风洞天平的固有频率及固有振型,首先应用Kane方法研究了天平的动力学方程,通过线性化建立天平的固有频率方程,依据振动理论推导出并联天平的六阶固有频率,并研究六阶固有频率随上平台质量和连杆分支刚度的变化规律。结合数值算例,求解出天平的六阶固有频率及其对应的固有振型,并用有限元方法验证理论计算结论的正确性,结果证明并联风洞天平具有固有频率高的优点。     

3K-Ⅱ型直齿行星齿轮传动的固有特性

为揭示3K-Ⅱ型直齿行星齿轮传动的固有特性,建立该类传动系统在系杆随动参考坐标系下的平移-扭转耦合动力学模型.模型设定系统中每个构件均拥有3自由度,并计入各构件的支承刚度、轮齿时变啮合刚度和陀螺效应等影响因素.通过分析各构件间的相对位移关系,推导出系统的运动微分方程,进而求解其特征值问题即可获知系统的固有频率和相应振型.固有特性分析表明,3K-Ⅱ型行星齿轮传动具有与2K-H行星齿轮传动类似的三种典型振动模式,即扭转振动模式、平移振动模式和行星轮振动模式.列出三种典型振动模式下传动系统的运动特征.     

双层欧拉梁声子晶体弯曲振动带隙特性研究

为了探究新型低频减振结构,建立局域共振型声子晶体双层欧拉梁简化模型,基于平面波展开法计算其能带结构,通过有限元仿真得到振动传输曲线并验证其带隙特性。结果表明,反对称振动和对称振动能带形成带隙,两能带耦合导致部分非带隙频段仍存在振动衰减,这是单层梁不具备的优势。根据固有振型给出带隙起始、截止频率的计算公式,并研究了弹簧刚度等对带宽的影响。     

2K-H行星传动的修正扭转模型建立与固有特性分析

建立了2K-H均布行星传动的修正扭转模型,以揭示系统的固有频率与振动模态特性。该模型在纯扭转模型的基础上,进一步计入了行星轮轴心沿系杆切向的位移与行星轮轴的轴承支承刚度对系统动力学性能的影响。无阻尼固有特性分析表明,2K-H均布行星传动中存在三种典型的振动模式,即中心构件扭转振动模式、行星轮扭转振动模式与行星轮平移振动模式。求解相应的子特征值问题,获得了两种行星轮振动模式所对应的系统固有频率的封闭解析表达式。固有频率的参数灵敏度分析表明,行星轮轴的轴承支承刚度是影响2K-H均布行星传动的一阶固有频率的关键因素。固有频率敲击试验表明,与纯扭转模型相比,修正扭转模型更具工程应用价值,可用以指导2K-H均布行星传动的动态设计。     

Matrix of the covariance of covariance of acceleration responses for damage detection from ambient vibration measurements

A new matrix on the covariance of covariance is formed from the auto/cross-correlation function of acceleration responses of a structure under white noise ambient excitation. The components of the covariance matrix are proved to be function of the modal parameters (modal frequency, mode shape, and damping parameter) of the structure. Information from all the vibration modes of the structure limited by the sampling frequency contributes to these components. The formulated covariance matrix contains more information on the vibration modes of the structure that cannot be obtained by the general methods for extracting modal parameters. When the component of the covariance matrix is used for damage detection, it is found more sensitive to local stiffness reduction than the first few modal frequencies and mode shapes obtained from ambient excitation. A simply supported 31 bar plane truss structure is studied numerically where a multiple damage scenario with different noise levels is identified with satisfactory results.     

基于有限元的激光板厚测量系统C形框架结构设计

运用结构有限元优化设计方法，对C形框架进行模态分析和优化设计。通过结构的动态分析，结合激光测厚原理，确定了影响测量精度的关键模态为第1、2、6、8阶模态。以提高各阶模态固有频率为目标函数，以避开现场共振频率为约束方程，进行结构频率优化。通过优化后框架的各阶模态的固有频率得到提高，同时避开影响测量精度的共振频率。优化后结构能够适合于现场工作环境，保证整个装置的测量精度。