Higher-order vibration of thick composite and sandwich plates based on an alternative higher-order model

The transverse stretching vibration of thick sandwich plates, which is attributed to largely different stiffness at the adjacent layers, is a challenging issue, and efficient approach for such issue is less reported in the published literature. Thus, natural frequencies corresponding to stretching vibration modes are generally neglected in engineering design, which might impact structural safety as frequencies of the exciting force are close to transverse stretching vibration frequencies. This paper proposes an alternative higher-order model for dynamic analysis corresponding to the higher-order vibration modes. The proposed model is classified in the displacement-based equivalent single-layer theory, as the number of displacement parameters in the proposed model is independent of the layer number. The continuity of displacements and transverse shear stresses can be fulfilled at the interfaces between the adjacent layers of structures. To demonstrate the capability of the proposed model, typical examples are analyzed by utilizing the proposed model, the three-dimensional finite element method and the chosen higher-order models. By comparing with the exact three-dimensional elasticity solutions, it is found that the proposed model can yield more accurate natural frequencies corresponding to the higher-order displacement modes than the selected models. Moreover, the factors influencing reasonable prediction of the higher-order frequencies are investigated in detail, which can provide a reference for the accurate prediction of the higher-order frequencies.     

环境激励下基于chirplet变换的线性时变系统参数识别

提出了针对时变系统响应的短时频率线性时变假设,通过将时变响应拟合成多分量线调频信号,根据线调频信号互相关理论推导了随机白噪声激励下时变系统的物理参数识别方法。该识别方法只需基于结构的加速度响应,便能识别结构的时变质量和刚度。由于引入了调频斜率刻画响应信号的短时频率线变特征,该方法相比传统识别方法能更好地追踪快变甚至突变参数,对实际工程中的时变问题具有重要的应用价值。仿真算例中构造了1个3自由度时变结构模型,针对线性时变、周期时变和突变等情况进行了物理参数的识别,误差分析显示识别误差均在5%以内,仿真结果验证了方法的正确性和适用性。     

弹性支承黏弹性阻尼-航空发动机薄壁机匣动力学特性分析

面向航空发动机薄壁机匣部件黏弹性约束层阻尼减振分析的工程需求,开展黏弹性阻尼-机匣弹性支承边界模拟和结构动力学分析研究。将机匣进行力学简化为圆柱壳体模型,通过引入一系列人工弹簧,将圆柱壳边界载荷的转化为弹簧的弹性势能,实现了机匣任意边界支撑刚度的有效模拟。结果表明：增大边界刚度可以提高机匣的固有频率,机匣的阻尼特性对支承刚度的敏感性与固有频率相反。此外,在机匣工程设计过程中,可以通过加强支撑结构的环向和法向刚度,获得满意的结构动力学特性。     

Free vibration of triply coupled centrifugally stiffened nonuniform beams,using a refined dynamic finite element method

The application of a Refined Dynamic Finite Element (RDFE) technique to triply coupled vibration of centrifugally stiffened beams is presented. The proposed method is a fusion of the “Galerkin weighted residual” formulation and the Dynamic Stiffness Matrix (DSM) method, where the basis functions of approximation space are assumed to be the closed form solutions of the differential equations governing uncoupled bending and torsional vibrations of the beam. The use of resulting dynamic trigonometric interpolation (shape) functions leads to a frequency dependent stiffness matrix, representing both mass and stiffness properties of the beam element. Assembly of the element matrices and the application of the boundary conditions then leads to a frequency dependent nonlinear eigenproblem. The Wittrick–Williams algorithm is used as a solution technique to compute the natural frequencies and modes of five illustrative example beam configurations, exhibiting doubly and triply coupled vibrations. The discussion of results is followed by some concluding remarks.     

裂纹叶片振动特性研究

建立应用传递矩阵法求解裂纹叶片振动特性的方法,以矩形截面裂纹悬臂梁为计算实例,分析了沿叶宽等深度扩展的横向裂纹位置、深度对其弯曲型振动特性的影响。选用方波函数模拟裂纹开合过程,理论分析了裂纹叶片的非线性振动特性。通过裂纹试件实验,对理论研究方法和结果做了验证。提出了叶片裂纹故障在线监测特征量的选择建议     

低振动旋翼桨叶的动力学优化设计

从工程应用的角度，在桨叶气动外形参数和桨毂型式确定的情况下，探讨在设计阶段如何通过设计参数的选择设计桨叶使桨根切力最小，从而降低直升机相应的振动水平。研究了３种情况的桨叶设计：（１）控制桨叶的固有频率；（２）控制桨叶挥舞一阶振型节点位置；（３）振动水平指数最小。在分析比较的基础上给出了既能降低桨根切力减小直升机相应振动水平又能改善桨叶疲劳状况的桨叶动力学优化设计方法。     

结构有限元模型的试验建模

 对于复杂结构系统,用试验测取的模态参数来识别或修改系统的物理参数,以构造其动态数学模型。这种方法是建立振动系统数学模型的逆方法。 近些年来,国内外不少学者在这一领域做了很多工作。他们方法的共同点是识别系统的总质量矩阵和总刚度矩阵,因此未知量较多。考虑到结构系统总矩阵元素之间有一定关系,文献[3]讨论了一种建立动态有限元模型的逆方法。     

A dynamic modeling approach for nonlinear vibration analysis of the L-type pipeline system with clamps

There exists a lot of research on the nonlinear vibration of the pipeline system with different boundary conditions. To the best of our knowledge, little research on the actual constraint of the clamp has been performed. In this paper, according to hysteresis loops of the clamp obtained from experimental test, the simplified bilinear stiffness and damping model is proposed. Then the Finite Element (FE) model of L-type pipeline system with clamps is established using Timoshenko beam theory in combination with aforementioned stiffness-damping model. Both hammering and shaker tests verify the FE model via the comparisons of natural frequencies and vibration responses. The results show that the maximum errors of natural frequencies and vibration responses are about 8.31% and 17.6%, respectively. The proposed model can simulate the dynamic characteristics of the L-type pipeline system with clamps well, which is helpful to provide some guidance for the early design stage of pipeline in aero-engine.     

2.5维编织树脂基复合材料平板多尺度动力学模型修正

在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。     

Vibration signal-based chatter identification for milling of thin-walled structure

In high speed milling aeronautical part, tool condition monitoring(TCM) is very important, because it is prone to get a chatter owing to the low stiffness of thin-walled structures. And the TCM is key technology for automated machining. In this paper, aiming to chatter monitoring in thin-walled structure milling, a variational mode decomposition – energy distribution(VMD-ED)method is proposed to improve the identification accuracy. And a moving average root mean square – mean value(MARMS-MV) ide...     

共轴对转封闭差动轮系固有特性及灵敏度分析

基于共轴对转封闭差动轮系的扭转动力学集中参数模型,求解了系统的固有频率和振型。理论分析了频率对刚度和质量的参数灵敏度,及频率变化轨迹中的模态跃迁现象。分析结果表明:根据振动特征可将系统振型分为扭转振动模式、行星轮振动模式和星轮振动模式,分别对应于系统的单根、L(行星轮数)-1和N(星轮数)-1重根频率;行星轮的个数对重根频率数值无影响;刚度变化率为正时,固有频率变化率为正,转动惯量变化率为正时,固有频率变化率为负;同种振动模式下的两条频率轨迹在接近时会发生模态跃迁。通过实例计算验证了理论分析的正确性,为共轴对转封闭差动轮系的固有特性分析与优化设计提供了依据。      

基于等效板模型的弹翼颤振分析

 基于等效板模型发展了一种适用于导弹翼面的动力学和颤振分析方法。在等效板建模过程中,使用简单多项式定义翼面的几何、结构和位移,利用人工弹簧近似边界条件,通过全局Ritz法得到刚度和质量矩阵的解析表达形式,通过特征值问题的求解得到翼面的固有频率和振型。通过频率和模态的初步比较发现,利用该方法得到的弹翼动力学特性与通过有限元方法得到的结果一致。然后利用这两组模态进行弹翼的颤振分析,通过对比发现,两种方法的颤振分析结果吻合,这也进一步验证了等效板方法在弹翼动力学分析方面的准确性。等效板方法为弹翼初步设计阶段的快速建模提供了一种有效工具。     

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限元法进行桨叶动力分析、特别是动内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族;提出利用单元动刚度矩阵直接由节点位移计算桨叶内力（简称为计算内力的“动刚度法”）。作为例子,用所导出的不同精度的有限单元和建议的内力计算方法计算了具有不连续结构特性的变剖面桨叶弯曲振动固有频率、振型和模态内力。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

阻尼振动系统复特征解的摄动分析

当振动系统的质量矩阵和刚度矩阵作小修改时,不重复求解大型广义特征问题,在初始的模态坐标变换基础上,用矩阵摄动法给出修改系统的振动频率和振型;然后利用修改系统的振动频率与比例阻尼参数求出修改系统的阻尼比。工程算例表明,这种方法计算简单,具有较高的精度。     

斜削梁协调元素族及其在梁固有振动分析上的应用

本文给出了位移函数为三次、五次、七次幂多项式时斜削梁元素刚度与质量矩阵的显表达式以及计算任意奇次幂高阶斜削梁元素族刚度与质量矩阵显表达式的一般方法。然后应用高阶协调元素计算了六种线性斜削梁在悬臂支持、二端简支、二端固支等情况下的头五阶固有频率及振型。结果表明,在所有情况下,与低阶元素相比,高阶元素均显出有较好的收敛性。但若施加以力的边界条件,则在使用少量元素和梁的斜削度较大的情况下,高阶元素的结果反而不如低阶元素的结果好。     

一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法

在赫兹接触与Greenwood-Williamson(G-W)模型的基础上,推导带系数的接触刚度公式,提出了一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法.通过数值仿真分析获得1阶固有频率与接触刚度系数的关系曲线,结合1阶固有频率的实验结果确定接触刚度系数,进而确定接触刚度公式.应用所得公式仿真计算不同几何模型、不同离心力下系统的1阶固有频率以及激振力作用下系统的振动响应,并与实验数据对比,1阶固有频率的最大误差为1.73%,振动响应的最大误差为9.5%,结果吻合,验证了计算方法的准确性;同时研究了结合面干摩擦阻尼对系统的减振效果,结果显示在1阶固有频率附近,干摩擦阻尼具有明显的减振效果.     

利用最简摄动——最优拟合法修正动力分析模型

本文将文献[1,2]的方法推广到非完备测量模态的情况,并叙述了修正模型的唯一性和完备性。同时,本文方法在一定程度上保持了文献[1,2]方法的简单性特点,所以便于实时分析。     

带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验

以带有开口阻尼环(套)的篦齿封严装置为研究对象, 运用弹性力学、材料力学和接触力学的有关理论研究了阻尼环(套)与封严装置之间的接触压力和接触刚度的求解方法.在此基础上, 根据结构系统动力学理论建立了封严装置/阻尼环(套)组合结构的等效线性系统模型, 并通过模态实验验证了理论模型的正确性.研究了阻尼环的安装位置和阻尼套厚度、宽度、开口量等参数对组合结构固有特性的影响规律.阻尼环在不同的安装位置时对封严装置固有特性的影响较小.阻尼套对封严装置固有特性的影响包括附加质量和附加刚度两方面, 当封严装置结构一定时, 组合结构的固有频率与封严装置自身频率的差异大小取决于阻尼套附加质量和附加刚度的相对比较.由于阻尼环(套)开口较小, 并且它的刚性远低于封严装置的刚性, 组合结构仍大致以周波型振动为主.      

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

复约束方法计算斜齿圆柱齿轮结构特征值问题

根据齿轮结构的循环对称性，以仅含有一个完整轮齿的扇形子结构作为齿轮有限元计算模型，用计算循环对称结构特征值问题的复约束方法，通过求解一个扇形子结构的特征值问题得到整个齿轮结构的特征值和特征向量。计算了４个不同参数齿轮的低阶固有频率和振型，并与实验结构数据比较，获得了满意的结果。这证明复约束法既极大地减少了计算所需内存和机时，又可建立包含轮齿和轮体在内的计算模型，保证了齿轮结构特征值问题计算的完整性和准确性。