3-D有限元转子系统动力减缩的部件模态综合方法及应用

为了对3-D有限元转子模型进行动力学减缩,提出基于部件模态综合的旋转子结构方法.该方法利用实模态振型矩阵减缩子结构自由度,不同转速下的减缩陀螺矩阵由转速系数乘以单位转速的减缩陀螺矩阵得到.与复模态减缩相比,避免了重复求解变换矩阵的缺点,减缩精度优于基于Guyan减缩的旋转子结构法.利用该方法减缩了某航空发动机转子模型87%的自由度数.经比较,由Campbell图所得临界转速的最大误差为0.04%,稳态不平衡响应计算结果与原模型也几乎完全相同,使用的内存和计算时间均不到原模型的20%,验证结果证明该方法可行.      

针对局部非线性问题的混合坐标模态综合法

非线性动力系统模型的计算效率问题是结构动力学领域中的重要研究课题。提出了一种针对局部非线性问题的混合坐标自由界面子结构模态综合方法。根据局部非线性系统的特点,将结构按照线性部分与非线性部分进行分割。线性部分子结构可以通过模态坐标转换到模态空间。在对线性部分进行减缩的过程中考虑了剩余柔度的影响,并通过构造一组与低阶模态关于系统矩阵加权正交的向量组,解决了子结构含有刚体模态时剩余柔度矩阵无法计算的问题。非线性部分子结构则保留原有的物理坐标。通过界面协调关系,采用自由界面方法得到系统混合坐标综合方程。最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。     

3-D有限元转子模型减缩的旋转子结构法

为了对3-D有限元转子模型进行减缩,利用Guyan减缩法的基本原理,结合转子动力学分析理论,提出了易于实际应用的减缩方法——旋转子结构法并利用ANSYS程序将其实现.利用该方法减缩了某涡扇发动机转子模型21%的自由度数.减缩模型前20阶最大固有频率百分误差为0.43%,除第17阶振型置信因子为0.98外,其余振型置信因子均为1,临界转速计算的最大误差为0.46%.计算结果证明该方法是可行的.      

波子结构法在失谐带分流叶片离心叶轮动态特性分析中的应用

为解决高保真失谐叶轮模型计算量大的问题,在Craig-Bampton部件模态综合法的基础上,结合波子结构法对界面自由度进一步减缩,发展了适用于带分流叶片离心叶轮的模型减缩方法,并给出其复数形式下的数学表达.采用该方法建立了工程实际叶轮高保真有限元模型的减缩模型,自由度数减缩率达99.8％.分别采用减缩模型和完整模型,通...     

涂敷硬涂层的失谐整体叶盘减缩建模及振动分析

为了提高整体叶盘的服役寿命,提出一种对叶片涂敷硬涂层的减振方法。同时,针对失谐叶盘-硬涂层复合结构的运算规模庞大的难题,提出了一种双重减缩建模方法。利用一种改进的混合界面子结构(HISCMS)法对复合结构进行第一重的自由度减缩。利用一种模态密集判别准则与经典模态减缩(SNM)法的思想对综合后的模型进行第二重的模态减缩。选取了对叶片双面涂敷NiCoCrAlY+YSZ(yttria-stabilized zirconia,氧化锆) 硬涂层的失谐叶盘进行仿真分析及试验测试,以探究失谐叶盘的振动情况以及硬涂层厚度对失谐叶盘的影响。结果表明:双重减缩建模方法能够在保证计算精度的前提下提高25.86%~42.05%的计算效率;而且硬涂层表现出较强的阻尼作用,能够在共振区显著抑制失谐叶盘的共振响应。      

CN群上对称结构的双协调模态综合

在结构完整性研究中实施模态分析的成功程度颇大地取决于提取结构主模态的能力。本文提出一种新的方法, 它把群论算法与双协调子结构法组合起来去分析回转对称 CN 结构。通过在保证精度的条件下消去子结构之间的自由度和波传播自由度, 大幅度地减缩综合的规模, 从而提高了提取效率。文末, 给出了一个算例, 以各种方法所得结果的比较, 来阐明本方法的优越性。      

复杂异型机匣高效高精度动力学建模及评价方法

为了解决复杂异型机匣模型单元数量大、原始矩阵阶数高导致的动力学计算与后处理困难的问题,提出基于试验模态分析-大规模有限元-子结构缩聚的复杂异型机匣高精度动力学建模及评价方法。以某型直升机主减速器机匣为研究对象,建立该异型构件原始有限元模型并通过模态试验验证模型的有效性,通过分析机匣子结构各阶模态保留主振型,选择模态能量较大处为缩聚点,得到自由度数目大幅减少的缩聚模型,对比验证缩聚前后模态的一致性,并提出一种基于数列相关系数定义的缩聚误差衡量方法,最后利用界面位移协调条件进行子结构耦合,对比整体模型的固有特性以及计算效率。研究结果表明:缩聚矩阵与有限元原始矩阵动力学特性十分接近,固有频率与振型误差均小于4%,且计算时间更短,存储空间占用更少,极大地提高了计算效率。      

剩余柔度模态与附着模态在模态综合法中的等价性

在早期的模态综合法中,引起计算误差的主要原因是由于截去了高阶模态。文献[1～4]从不同角度揭示,剩余柔度模态和附着模态可以有效地补偿这种截断误差。在此基础上,已派生出两类新的自由界面模态综合法。第一类方法的特点是将子结构位移用自由界面模态与剩余柔度模态来表示,第二类方法的特点是用自由界面模态与附着模态来表示子结构位移。本文将指出,这两类方法是等价的。其等价性表现在剩余柔度模态与附着模态可以相互替换而不影响模态综合的最终结果。本文将以文献[4]提出的方法为例来证明该等价性,并在文末给出一个数值算例。     

组合结构动力学分析的改进完备基自由界面法

为了适合型号研制和改进改型的结构修改动力学验证、分析需求,将组合结构分析方法引入到直升机的动力学试验和有限元计算中,利用各部件的地面模态试验结果“装配”出组合部件,甚至整机的动力学模型,这在节省研制经费,缩短研制周期上具有十分现实的意义。本文对子结构构建整体模型的组合结构分析方法进行了初步探讨,通过引入完备模态基改进了传统算法,对几种算法进行算例分析的结果表明:引入完备模态基改进的自由界面法大大提高了计算的精度和能力,同时,由于其输入的子结构试验模态可以是非完备的,从而使得其工程应用成为可能。     

基于多重动态子结构法的大型复杂结构动力分析技术

针对传统动力学分析方法无法有效地解决大型复杂工程结构动力问题的局限性,引入了一套适用于复杂大系统结构建模分析的新技术—多重动态子结构法。详细论述了多重多级动态子结构基础理论,介绍了采用多重动态子结构技术进行动力建模分析的工程实现方法,并开展了该方法在某大型四机并联液体火箭发动机中的应用研究。研究结果表明:仿真分析的前六阶模态与试验值吻合较好,模态频率的相对误差小于5%,模态置信因子MAC≥0.9,该动力分析方法可准确预示发动机结构的动力学特性;相比整体有限元分析方法及传统(单级)子结构法,其建模、求解效率得到大幅度提高;验证了多重动态子结构法是研究大型复杂结构动力问题的一种有效方法。     

模态综合法计算双转子临界转速研究

采用模态综合法计算了双转子临界转速，子结构模态由传递矩阵法求得，并着重研究了对接条件、模态数及子振形拟合多项式等因素对双转子临界转速影响。改进了双转子临界转速传递矩阵法并以传递矩阵法算得系统临界转速为准，评定了各种条件下模态综合法的计算精度。结果表明：取一阶为平动模态，其余模态由传递矩阵法求得，拆分为子系统时采用自由子系统法，采用位移协调对接条件、子振形取4次拟合多项式、仅取4阶模态求得了具有一定精度的l～3阶临界转速。在提高模态综合质量方面得出了一些有参考价值的结论。     

吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Terminal滑模反步控制

针对含有参数摄动、外界干扰的吸气式高超声速飞行器弹性模型,设计了一种基于新型非线性干扰观测器的Terminal滑模反步控制器。将考虑弹性模态的飞行器纵向模型表示为严格反馈形式,在传统反步法的基础上采用非奇异快速Terminal滑模控制俯仰角与俯仰角速率,优化了反步法的控制结构,并实现了系统的有限时间收敛。基于跟踪微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,并与本文所提滑模反步方法相结合,通过对包括虚拟控制量微分信号在内的不确定性进行估计与补偿,进一步提高了控制器的鲁棒性,同时解决了"微分膨胀"问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的跟踪误差于有限时间收敛至零。仿真结果表明,该控制器在存在不确定性的情况下,可以实现对参考输入的稳定跟踪。     

用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法

提出了一种用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法.该方法采用基于周期对称的谐波平衡法,建立非线性的迭代方程,能够基于单扇区的矩阵求解整个失谐叶盘的强迫响应,且不存在任何截断误差,因而效率高于部件模态综合法但精度并不降低.从周期对称结构理论出发给出了方法原理的数学推导,在此基础上通过一个失谐叶盘有限元模型算例对该方法的效率与精度进行了讨论.结果表明:相较部件模态综合法,周期对称谐波平衡法矩阵维度减小59.5%,计算复杂度减少93.4%,计算时间节省57.4%.     

混合边界子结构的航空发动机机匣模型修正

提出了一种基于混合边界模态综合的复杂结构有限元模型修正方法。其主要步骤包括:①子结构划分,根据结构形式划分待修正区域，得到子结构和残余结构；②缩聚和装配,利用混合边界模态综合法，将子结构内部自由度集缩聚至混合边界自由度集，得到子结构缩聚矩阵，并与残余结构的系统矩阵进行装配；③修正,基于灵敏度分析方法，对装配后的残余结构进行参数修正。将该方法应用于航空发动机外机匣的精细化有限元建模及模型修正研究，针对局部连接结构参数修正，子结构模型修正方法的参数收敛后最大误差为064%，其计算效率提高了515倍。算例结果表明，该方法在保证修正精确度的同时，能提高大规模复杂结构有限元模型修正的计算效率。      

无控武器对地攻击精度分析

针对目前无控武器对地攻击精度影响因素来源单一,分析影响精度的多种误差源。建立直升机无控武器命中精度分析模型,针对平飞方式下的无控武器命中精度问题,采用蒙特卡洛法多次仿真。针对命中精度与各个误差源的关系方程,提出采用多元线性回归法对仿真结果进行分析,给出误差源对命中精度的影响程度。对关系方程和误差影响程度进行显著性检验,使其更加准确、可信。     

基于自适应模糊滑模退步控制的直接力/气动力复合控制导弹自动驾驶仪设计

针对直接力/气动力复合控制导弹所具有的强耦合非线性特性,提出了一种基于自适应模糊滑模退步控制的自动驾驶仪设计方法.该方法利用自适应模糊系统所具有的万能逼近特性,对大迎角飞行过程中导弹动力学方程中存在的非线性函数进行逼近,并利用变结构控制所具有对干扰的强鲁棒性,构造误差系统滑模面,克服了逼近误差和外界干扰对控制系统的影响,实现了对大机动指令的精确跟踪.仿真结果表明,所设计的自动驾驶仪对过载指令有良好的跟踪效果,对模型不确定性和外界干扰具有鲁棒性.     

内外分区空间统一精度场建立方法研究

针对内外分区空间内结构和设备安装的数字化测量需求,研究内外参考点之间的关联技术,构建与外测量精度场相统一的内测量精度场。对于内外空间不同的开口数,利用多测点定位法、二测点和水平仪单站位定位法、二测点和水平仪双站位定位法等方法建立内精度场,实现与外精度场的统一。以某型设备为例进行试验表明,利用内外精度场测量同一检测点进行比较,测量的最大不一致误差为0.14 mm,证明构建模式可行、简单、可靠。     

航空发动机系统的动力分析

以包含复杂转子系统及支承结构系统的发动机总体模型为研究对象, 进行动态特性及动响应分析。为合理解决计算的准确性与经济性之间的矛盾, 提出了模态阻抗综合分析法, 将整体系统动力学问题化为低阶运动方程求解。应用按本文方法编制的程序对某型航发进行了整体动应力计算, 结果与实际相符。      

中介传动齿轮的耦联共振

 本文研究了某减速器的振动故障,发现并研究了其中介传动齿轮的耦联共振。用试验模态分析结果、模态综合技术、瑞利法相结合的办法,提高了试验模态分析所得振型的精度。对多种结构修改方案计算求得了它们的各阶动频,从中选定了最佳的排振修改方案。     

Investigation of dynamics of discrete framed structures by a numerical wave-based method and an analytical homogenization approach

In this article, the analytical homogenization method of periodic discrete media (HPDM) and the numerical condensed wave finite element method (CWFEM) are employed to study the lon-gitudinal and transverse vibrations of framed structures. The valid frequency range of the HPDM is re-evaluated using the wave propagation feature identified by the CWFEM. The relative error of the wavenumber by the HPDM compared to that by the CWFEM is illustrated in functions of fre-quency and scale ratio. A parametric study on the thickness of the structure is carried out where the dispersion relation and the relative error are given for three different thicknesses. The dynamics of a finite structure such as natural frequency and forced response are also investigated using the HPDM and the CWFEM.