失谐叶栅的受迫振动响应特性分析

采用基于计算流体力学(CFD)方法的降阶气动力模型并耦合结构运动方程,实现了存在外激励载荷时失谐叶栅受迫振动响应的快速分析。针对典型的跨声速叶栅,通过求解其位移响应幅值较系统地研究了失谐方式、失谐强度和叶片质量比对失谐叶栅受迫振动响应幅值的影响。研究表明文中刚度失谐形式可以改善叶栅振动的稳定性,同时导致系统受迫振动响应局部化程度的增加,并且受迫响应的最大振幅放大因子随失谐强度增加或者质量比降低存在先增大后减小的一个峰值,不同失谐形式则对这个峰值的大小有着明显的影响。由于该方法可高效地分析失谐叶栅受迫振动各参数对模态局部化的影响,在工程上有一定的应用价值。     

中介轴承外圈故障动力学建模及仿真分析

为了研究航空发动机中介轴承故障特征,基于Hertz非线性接触理论,建立了一种考虑时变位移激励的4自由度中介轴承外圈故障动力学模型。采用双转子试验台对中介轴承外圈故障进行实验模拟,实验结果和动力学模型数值求解结果一致,验证了所建立模型的准确性。采用动力学模型仿真分析了中介轴承外圈存在缺陷情况的振动响应。研究了中介轴承振动方根幅值、波形因子、脉冲因子、峰值因子和峭度因子随缺陷大小、径向载荷的变化规律。结果表明:随着缺陷尺寸或径向载荷增大,中介轴承振动方根幅值呈增大趋势。脉冲因子、峰值因子和峭度因子等无量纲参数随着缺陷尺寸增加,先增大后减小。随着径向载荷增加,以上三个无量纲参数呈增大趋势。同时,证明方根幅值、脉冲因子、峰值因子和峭度因子等特征参数对中介轴承外圈故障敏感。     

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirchhoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明：健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。     

转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

液氧/甲烷发动机推力室多循环热-结构分析

为了研究一款液氧/甲烷发动机推力室多循环工作状态下的结构变形,拓展并验证了一种包括流动-传热分析和非线性有限元分析的热-结构分析方法。通过该方法得到了推力室热载荷与压力载荷分布,并分析了推力室在这些载荷下的应力应变响应。研究表明：推力室整体结构变形并非主要取决于热载荷,压力载荷引起的冷却通道底面弯曲在喷管扩张段尤其明显;后冷阶段产生的弹塑性拉伸应变大于热试阶段产生的压缩应变是导致每次循环结束后结构产生残余应变的直接原因;随着工作循环次数的增加,扩张段的冷却通道底角位置残余应变累积速率最快,该部位被确定为结构失效的潜在位置;增加冷却剂入口附近的通道底面厚度、减小后冷阶段与热试阶段的温差以及将冷却通道的尖锐底角设计为圆角可以成为抑制变形和减缓应变累积的备选措施。     

基于多尺度方法的含基体裂纹纤维增强陶瓷基复合材料杆动力学响应计算(英文)

提出了一种用于模拟带基体裂纹损伤的陶瓷基复合材料(CMC)杆动力学响应的多尺度方法。在宏观尺度采用有限元法模拟CMC杆的动力学响应。在细观尺度,采用多尺度力学模型计算材料的应力应变响应。建立了分布式计算系统加速模拟过程。通过算例分析计算了Nicalon/CAS-Ⅱ杆在轴向简谐载荷下的动力学响应。结果表明CMC在拉伸和压缩载荷下的应力应变响应都表现出明显的非线性特征。这导致CMC杆在简谐载荷作用下的动力学响应与弹性杆不同:(1)CMC杆的位移响应不再关于u=0对称;(2)由于非线性阻尼的作用,当外载荷频率达到一阶固有频率时,如果外载荷的幅值不是太大,CMC杆的位移响应被限制在一定的范围内,而不产生发散;(3)减小基体裂纹间距会增加杆的位移响应幅值。     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

垂直上升弹状流中弹状氢气泡运动速度

针对垂直管路内气液两相流实验化困难的问题,运用建模仿真的方法建立了竖直管路中弹状流气泡的运动模型,模拟了弹状氢气泡在垂直管路的上升过程,并对其运动速度进行了研究.仿真结果表明:在静置的竖直管道内,充分发展的弹状氢气泡的速度基本上以0.2265m/s的速度匀速上升;弹状氢气泡在流动液氢中运动时,其速度模型中的速度系数与流体的速度有关,当雷诺数从220上升到6400时,其系数的值从1.83下降到1.14;在未充分发展的弹状流系统中,气泡间距对气泡速度分布有着影响,其上升速度随着气泡间距的减小而增大.      

带单侧裂纹楔梁动力特性研究

由于裂纹存在引起构件局部柔度的变化,本文用线弹性断裂力学理论导出裂纹所释放的应变能,由Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ 定理得出局部柔度矩阵诸元素,据此来修正楔形梁的刚度矩阵,借助梁有限单元法,求解带裂纹楔形梁的动力特性,并对裂纹相对深度、裂纹位置、梁的长宽比、宽厚比、厚度斜度等几何因素对固有频率的影响进行了数值研究和相应的振动响应试验     

基于解析解的人字齿轮齿廓修形动态分析

根据人字齿轮传动的结构,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙,并把齿廓修形作为一种时变齿侧间隙计入,建立了单级人字齿轮传动的弯-扭-轴耦合动力学模型和相应的非线性动力学方程.对方程的数值解进行分析,发现合理的修形使人字齿轮传动不发生齿面的完全分离.基于多尺度法对不发生齿面完全分离时的人字齿轮传动系统进行了摄动分析,得到了系统在主共振频率附近幅频响应的近似解析解.相比数值方法,解析法具有很高的求解效率.最后,根据近似解析解研究了修形参数对动载系数幅值的影响.研究发现:螺旋角越大使动载系数最小所需的修形量越大,而所需的修形长度越小.另外,使动载系数最小的最优修形参数解域呈新月形,其随着主动轮支承刚度的增大而先增大后减小;随着被动轮支承刚度的增大而持续减小.      

不同工况下高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性分析

根据建立的高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学数值仿真模型,以某仪表轴承支承的转子系统为算例,分析了考虑转子振动与否对系统动力学性能的影响,并详细探究了轴向载荷以及转速对转子振动、轴承内部载荷分布及旋滚比、保持架的受力和质心运动以及磨损情况的影响.结果表明:考虑转子振动时,在纯轴向载荷下,轴承各位置处的球载荷也会存在差...     

无人艇航行规则及运动学约束下的改进RRT轨迹规划方法

现有的RRT算法没有考虑无人艇的运动特性,难以解决无人艇轨迹规划问题,也没有基于无人艇航行规则来考虑无人艇的动态避碰。针对上述问题,在无人艇航行规则及运动学约束下,提出了改进的双层RRT动态轨迹规划方法。在第一层框架中,改进了探索点及步长选择策略,并结合国际海上避碰规则公约与最短会遇时间建立最优位置窗口来构造四向扩展随机树,从而可以在考虑海事规则的前提下快速搜索出联通路径。在第二层框架中,考虑到无人艇的运动学约束,将上一层的联通路径点作为分段启发点,然后结合速度运动模型来限制无人艇的拐角与转弯半径,并基于速度运动模型得到的弧长计算出每一个节点的代价值,最终在动态障碍物环境中得到一条可行平滑轨迹。仿真与实船实验均验证了该改进算法的有效性,实验表明该改进算法可以有效地解决传统RRT算法离障碍物过近、路径不平滑、不符合无人艇运动学与无人艇航行规则等问题。其中,轨迹转折数目为0,与障碍物最近距离是传统RRT算法的两倍以上,最大转折角度指标远好于传统RRT算法。     

基于矩阵运算的直升机旋翼/机体耦合动力学模型

针对直升机旋翼/机体耦合动力学建模中,小角度线性简化带来的计算精度下降以及适用范围缩小等问题,在计算桨叶速度及加速度时,基于矩阵运算,保留了运动的非线性。对不同机体运动幅值和频率情况下的小角度线性简化对桨叶速度的影响进行了仿真分析,结果发现,随着机体运动幅值的增加,线性简化影响越来越大,滚转幅值 15°时,简化带来的误差超过 5%;俯仰幅值 15°时,简化带来的误差超过 6%,且随着机体运动频率的减小,误差越来越大。对不同桨距的情况进行仿真,结果表明,所建模型可以很好地模拟直升机的动态响应,采用该模型可进行直升机旋翼/机体耦合动态响应仿真分析。     

基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统动力学建模

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.考虑重力、气动力和弹性力的影响,建立直升机-吊挂系统的Kane动力学方程.针对直升机本体和考虑吊挂绳索柔性的直升机-柔性绳索-吊挂系统这两种模型,计算了它们在不同前飞速度下的配平状态,分析了其运动模态并进行对比.仿真结果表明:外吊挂引入后,直升机需要额外的总距操纵;考虑吊挂绳索柔性后,直升机长周期运动的收敛/发散速度变慢;Kane方法适用于直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模,方程整齐简洁,编程求解方便.      

燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响

基于液体喷嘴动力学理论,对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析,推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明：混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加,后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大,随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变,说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。     

大比例主梁节段模型涡激振动风洞试验分析

节段模型风洞试验是预估大跨度桥梁主梁涡激振动响应的有效途径之一。大比例主梁节段模型（通常为1：15～1：20）几何尺度更大,试验雷诺数更接近实桥值,同时在模型加工制作方面也可更精确地模拟主梁细节。通过一扁平钢箱梁1：20大比例节段模型试验,优化了检查车轨道位置,分析了涡激振动典型现象如振幅、涡振区与阻尼、Scruton数关系,迎角与斯托劳哈数5￡关系,双竖向涡振区等,为节段模型涡振试验结果向实桥拓展提供理论与试验基础。     

Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system and integral sliding mode backstepping control for the hose whipping phenomenon

Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system（HDARS） and an integral sliding mode backstepping controller design for the hose whipping phenomenon（HWP） during probe-drogue coupling are studied. Firstly, a dynamic model of the variable-length hose-drogue assembly is built for the sake of exploiting suppression methods for the whipping phenomenon.Based on the lumped parameter method, the hose is modeled by a series of variable-length links connected with frictionless joints. A set of iterative equations of the hose＇s three-dimensional motion is derived subject to hose reeling in/out, tanker motion, gravity, and aerodynamic loads accounting for the effects of steady wind, atmospheric turbulence, and tanker wake. Secondly,relying on a permanent magnet synchronous motor and high-precision position sensors, a new active control strategy for the HWP on the basis of the relative position between the tanker and the receiver is proposed. Considering the strict-feedback configuration of the permanent magnet synchronous motor, a rotor position control law based on the backstepping method is designed to insure global stability. An integral of the rotor position error and an exponential sliding mode reaching law of the current errors are applied to enhance control accuracy and robustness. Finally,the simulation results show the effectiveness of the proposed model and control laws.     

Theoretical and experimental investigation on novel 2D maglev servo proportional valve

This paper presents a novel two-dimensional maglev servo proportional cartridge valve (2D maglev valve), where a contactless maglev coupling is introduced between electro-mechanical converter and valve body to realize functions of force transmission, spool position feedback and linear-rotary motion conversion. Such configuration can effectively reduce cost of both valve manufacturing and electro-mechanical converter, while still maintain features of 2D valve such as null pilot leakage, high power-to- weight ratio and excellent anti-pollution capacity. Firstly, the characteristic equation of the valve is derived using linear theory, and the stability criterion is established for parameter determination. The influences of crucial structural parameters such as initial height of overlapping area, width of high-pressure and low-pressure holes, acting radius of magnetic force, pitch angle of maglev coupling, length of sensitive chamber and system pressure on the dynamic response are investigated based on AMESim numerical simulation. The prototype valve is then designed and manufactured and a special test rig is built. The no-load flow characteristic, load flow characteristic, leakage characteristic, amplitude and phase frequency characteristics and step response under different system pressures are measured. The experimental results are in a good agreement with the simulated analysis. As an over-damped system, the prototype valve has excellent working stability, which can reach a no-load flow rate of 105.9 L/min with hysteresis of 3.51%, amplitude bandwidth of 28.7 Hz and phase bandwidth of 42.8 Hz under 21 MPa. The research indicates that the 2D maglev valve can be a potential solution of flow rate control valve for flight control surface system of civil aircraft with high pressure and large flow rate application.     

变截面悬臂梁结构动载荷辨识方法

在航空航天领域，作用在结构上动载荷的确定对结构健康监测是非常必要和重要的。为此，本文以类似机翼结构的变截面悬臂梁结构为研究对象，提出了一种基于光纤光栅传感器与卡尔曼滤波器的动载荷识别方法。首先，根据变截面梁单元形式，推导出变截面梁的质量矩阵与刚度矩阵，建立动力学运动方程。然后，以光纤光栅传感器测得的应变信息作为观测信号，通过卡尔曼滤波器生成的增益矩阵、新息序列矩阵以及协方差矩阵，得到灵敏度矩阵和估计力的增益矩阵。在此基础上，利用广义回归模型及其最小二乘算法，估算出动载荷大小、判断出动载荷激励位置。借助数值仿真与实验手段，分别验证了该方法对于单点正弦激励、方波激励、锯齿波激励以及多点同时激励等工况下的动载荷识别效果。结果表明，本文所提算法具有较好的动载荷识别效果和噪声抑制能力，能够为未来风洞试验和真实飞行试验环境中诸如大展弦比机翼表面气动压力等载荷实时辨识、气动外形自适应控制以及结构健康监测提供技术支撑。