典型支架动力学模型修正与隔振设计

在民机研制过程中，设计要求机载设备所能承受的振动量值需高于标准中规定的量值，而实际上由于供应商设备是货架产品，不一定按照DO-160G规范中所规定标准谱开展振动环境试验。为满足设备振动环境试验要求，在支架装机使用前需要采用相应的减振措施来降低设备处响应。以某型支架为研究对象，对典型支架进行了模态及随机响应分析，并对假件及安装支架实施了正弦扫频试验。依照各方向的扫频试验数据对有限元模型各阶响应进行动力学模型修正，添加刚度及阻尼单元。修正后的模态频率误差在2%以内，相应模态频率处的峰值误差在5%以内。随后对假件支架系统开展了隔振设计，通过在支架与机身连接处增加隔振器及粘贴阻尼层的方式，使得隔振后的仿真随机响应低于DO-160G标准谱20 dB，结果表明隔振措施有效。     

薄壁机匣螺栓连接结构多目标优化设计

为增大薄壁机匣安装边螺栓连接结构强度、减小其振动和重量,以满足现代航空发动机更高性能的要求,对机匣结构参数进行了优化设计。选取安装边高度、安装边厚度、机匣厚度和螺栓个数为参数变量,结构质量、一阶固有频率和最大等效应力为目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和有限元计算结果建立二阶响应面模型,基于层次分析获取权系数,并利用遗传算法对机匣结构进行多目标优化设计。最后,针对优化后的结构进行模态试验和有限元验证。研究表明,模态试验结果与有限元计算误差小于6%,同时优化显著提高了一阶固有频率,使其结构质量和最大等效应力分别降低5.28%和13.64%,验证了本文提出的优化方法的有效性和可行性。     

机身刚度对双体飞机颤振的影响规律分析

针对某双体飞机颤振特性复杂的问题,本文采用片条理论修正后的偶极子网格方法,建立了双体飞机非定常气动力模型,同时基于地面振动试验建立了不同机身刚度双体飞机等效梁模型。通过有限元方法,分析了机身刚度对双体飞机结构动力学的影响,同时通过求解耦合得到的频域方程,探究了机身刚度对双体飞机颤振的影响规律。研究结果表明,机身截面垂向刚度对机身一阶垂直对称弯曲模态、机身一阶垂直反对称弯曲模态与平尾滚转模态频率影响较大。机身截面垂向刚度降低到原设计刚度67%时,机身反对称弯曲模态对平尾扭转效应增强,机身一阶垂直反对称弯曲模态、平尾滚转模态与平尾一阶垂直反对称弯曲模态耦合,双体飞机在269.34 m/s时发生颤振,颤振频率为37.2 Hz。     

某军用车载显控设备支架的优化设计分析

通过对某军用车载显控设备安装支架的现有结构进行模态分析和车载环境的随机振动(Power Spectral Density,PSD)分析,结合服役要求,采用以增加原材料厚度与局部进行形状优化(压槽及折边)相结合的措施对现有结构进行了优化设计。对比支架优化前后的结果可知,优化后的支架可有效地提高支架的强度,同时也降低了结构的加速度响应值,对支架的工程设计有一定的指导作用。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片分区域铺层优化北大核心CSCD

为了提高复合材料螺旋桨叶片的结构刚度,分区域优化设计了叶片复合材料结构的铺层角度。根据螺旋桨叶片的厚度和载荷条件,将其划分为4个区域。铺层优化以0°、45°、90°及-45°四个方向的铺覆在各个区域的模拟结果为基础。与初始的铺层方案[0/45/0/-45]sn相比,优化后叶片的铺层方案能使铺层的主方向接近叶片各截面中心点的连线。优化后螺旋桨叶片的1阶和3阶频率提高超过了25%,2阶频率提高超过了5%;表面均布载荷下叶片变形减小了50%,热载荷下叶片变形减小了约25%;优化达到了提高叶片结构刚度的预期效果。分区域优化的方法既利用了复合材料的可设计性又提高了优化效率,适用于复杂复合材料结构的铺层优化。     

多工况下的发动机支架拓扑优化设计

为综合考虑航空发动机支架的各性能指标，提高支架结构的设计质量并实现轻量化，进行了结构拓扑优化方法在发动 机附件支架设计中的应用研究。以某油滤支架为例，根据该油滤附件与其相邻结构的相对空间位置关系建立支架的初始模型，基 于HyperWorks软件平台，在工况分析及载荷简化的基础上，以总柔度为目标函数，采用加权折衷规划法建立了多工况下的支架结 构拓扑优化的数学模型，并对比了优化前后支架的应力、位移、固有频率和质量。结果表明：在静强度储备相当的基础上，优化后 支架质量减轻了23％，结构刚度整体上提高了30％以上，且第1阶固有频率提高了62％，减轻支架质量的同时提高了结构性能，可 为发动机类似结构的优化设计提供一定的参考。     

基于重力梯度测量系统的组件结构模态分析

重力梯度测量系统设计过程中,对重力梯度旋转平台中仪表的位置特性有严格要求。按照传统的设计流程,等到结构件设计、安装完毕再进行振动试验能充分反映结构的真实位移,但是会消耗大量的时间及人力成本,效率较低。对此,本文采用数值模态分析方法在实际生产之前对整体结构进行了较为详尽的有限元分析,计算出了前十阶模态频率和振型,并且检验了结构设计中的刚度问题。对样机结构进行修改,从而保证了一阶主频率达到539.74 Hz,从而满足了航空搭载的环境要求。对整体结构的模态分析为重力梯度旋转平台工程样机的研制奠定了基础。     

飞机导管壁板结构特性分析

用ANSYS/Workbench几何建模平台Design/Modeler建立管道安装结构的有限元模型,借助ANSYS/Workbench对管道在受到28 MPa稳定内压条件下,获得管道安装结构的模态,得到整体结构的前6阶频率和振型。由位移变形云图得知,原结构第3阶自振频率接近工作频率,且最大变形位置在管道拐角处。通过增加管道结构约束的方式,提高整体结构各阶自振频率,有效地避开了工作频率,为工程设计与优化提供参考。     

变刚度复合材料夹芯板设计及模态分析

为提高卫星主承力结构刚度,本文基于定曲率圆弧曲线及平移法对变刚度夹芯板蒙皮进行设计,利用ABAQUS二次开发方法及响应面法对不同起始角/终止角组合的夹芯板进行等效建模、模态分析和模态基频优化。数值计算结果表明,变刚度设计的夹芯板由于曲线铺放提升夹芯板模态基频,蜂窝板的模态基频随起始角先增大后减小,随终止角增大而增大,基频最大提升12.33%,可以减小蜂窝基本承力结构与设备的动态耦合效应。     

EWIS支架装配变形及其承载分析

民用飞机EWIS系统支架遍布全机,在空间狭小的区域,考虑到装配和维修的要求,需采用单侧安装工艺,若支架装配时未固定好或操作不当,会导致支架承受安装力矩载荷,使支架结构产生塑性变形和残余应力,严重的会导致支架破坏。为了分析EWIS支架在安装力矩下的应力和变形情况,采用ABAQUS对典型标准支架进行有限元分析,考虑材料的非线性特性,得到了支架在不同安装力矩下的变形和应力情况,并对塑性变形后的支架继续承载进行了分析,对比分析支架塑性变形前后承载的应力,得出了变形对承载的影响。采用非线性有限元分析方法可对支架安装力矩的作用进行模拟,并计算结构产生塑性变形后承载的应力水平,为民用飞机EWIS支架的装配过程和塑性变形后的承载分析提供参考。     

安装节刚度对发动机整机耦合振动的影响分析

以带机匣的航空发动机转子试验器为研究对象，建立了模拟实际发动机安装条件下试验器的整机有限元模型。对试验器进行了整机模态试验，并利用试验器的模态试验结果对有限元模型进行了修改和验证。在此基础上，仿真计算了自由安装边界、固定安装边界和不同安装节刚度的弹性安装边界的试验器前3阶固有频率和模态振型，通过定义转静耦合因子，研究了安装节刚度对试验器转子、静子耦合程度的影响。结果表明:模态振型的转子、静子耦合程度越高，安装条件对该阶模态影响越大，并且安装节刚度对转子、静子耦合程度影响是非线性的。由于实际大型涡扇发动机的在很多模态下均存在转子、静子耦合现象，因此安装节的刚度对转子、静子耦合作用的影响不容忽视，在有限元建模和仿真计算中需要仔细考虑。      

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

基于有限元分析方法的某惯性台体结构优化设计

建立惯导系统中惯性组件结构三维模型,利用有限元分析软件对惯性组件结构进行有限元模态计算和分析。根据模态分析结果,对惯性台体结构进行拓扑优化,达到惯性台体减重的目的,优化后的惯性台体结构满足文中提出的设计要求。此结构优化设计方法简单,易于实现,对优化惯导系统结构设计,实现小型化、轻量化目标具有一定的指导意义。     

民用飞机舱门连杆支架优化研究

民用飞机舱门闩机构是防止舱门意外开启的机构部件。当机构发生卡阻且强制操作时,将产生较大的内力。在设备舱门闩机构中除连杆支架外都是杆形件且载荷较小,连杆支架结构形式复杂且载荷较大。在分析机构卡阻载荷的基础上使用有限元分析软件HyperMesh和Opti-Struct对三种结构形式的连杆支架进行了数值模拟。通过对比分析,得到了满足样机设备舱门功能要求和试验目的的连杆支架形式,为后续真实产品的设计提供参考。     

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

专用锥度校准装置的结构设计

介绍了《专用锥度校准装置》的结构设计,通过对重要变形部件——立柱和上顶尖支架进行有限元分析,并结合各项误差的分析计算,改进了设计结果,使关键部件的刚度值满足了系统整体设计要求。     

基于Patran的全机柔性模型研究及模态分析

以某型无人机研制为背景,采用MSC.Patran建立了全机柔性有限元模型Ⅰ。在模型Ⅰ的基础上,简化次要受力部件,建立了全机柔性有限元模型Ⅱ。运用模态分析方法,利用MSC.Nastran对两个全机柔性模型进行仿真模态分析,得到全机各阶固有频率和振型。通过比较两个模型的模态分析结果,得到了关于全机材料及结构方面的有益结论。提出的全机有限元简化模型及模态分析方法,为无人机全机结构动态特性试验和设计提供了参考。