噪声激励下典型复合材料铆接结构的声固耦合分析

针对CVI工艺下复合材料典型铆接板,提出一种适合复杂模型动力学分析的建模方法:采用Bush和RBE2的组合单元模拟铆钉连接,将板间的弱非线性接触力转化为接触刚度,建立该复合材料铆接板的有限元模型。同时,基于有限元-间接边界元法推导了考虑接触力的声固耦合动力学方程,开展了该复合材料铆接板在随机噪声激励下的声固耦合分析,并探讨界面接触对声固耦合系统固有特性和动响应的影响。研究结果表明,界面接触模型比界面刚接模型更为准确;刚接模型会增大复合材料铆接板连接界面的局部刚度,使得结构的固有频率偏高,响应峰值向高频处移动;考虑接触对结构的加速度响应影响较大,对应力响应影响较小。     

扩散声场作用下C/SiC复合材料薄壁结构的全频段响应分析

为了获取复合材料薄壁结构在扩散声场作用下的全频段应力响应,在70 m~3混响室内进行自由状态下的C/SiC复合材料薄壁结构的噪声试验(总声压级140 dB),测试混响室内扩散声场以及结构的加速度响应。另,建立扩散声场与正交各向异性复合材料薄壁结构相互作用的有限元–统计能量(FESEA)混合模型,计算得到结构的加速度响应分布,计算结果与试验测试结果一致。同时,基于模态应力恢复方法获得结构的应力场分布,结果显示扩散声场作用下的复合材料薄壁结构的应力场分布与加速度场分布规律不同。通过分析复合材料薄壁结构的弯曲波长与声波波长之间的关系,揭示噪声载荷与结构的波长耦合效应。该FE-SEA混合模型计算的应力场可进一步应用于声疲劳分析。     

统计能量分析参数获取技术的应用

目前飞行器高频力学环境预示主要采用有限元-统计能量混合方法,但由于缺乏模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子等统计能量分析参数,导致声振响应预示结果不够准确,给结构和载荷设计带来了困难。文章将已有的统计能量参数获取技术应用于工程实际,通过试验获取了几种典型结构在不同安装边界下的统计能量分析参数,积累了相关的数据,为结构的精细化声振响应预示提供了输入。     

空气舵气动力‒脉动压力‒结构耦合响应分析

气动力、脉动压力、结构振动相互作用,组成复杂的多场耦合系统,给动力学分析带来极大的挑战。文章基于PCL和DMAP语言自主研发了气动力–脉动压力–结构耦合响应分析软件,以复合材料空气舵为研究对象,建立其有限元模型,并开展模态分析;进而,建立基于Van Dyke修正活塞理论的气动模型,基于模态法分析了气动力–脉动压力–结构三者耦合的空气舵响应,并与不考虑气动力效应的非耦合结构响应进行对比,探究了气动力耦合效应对空气舵响应的影响规律。结果表明,气动弹性效应能使得空气舵振动响应从随机振动变为发散极限环振荡形式的高阶运动,显著改变脉动压力响应谱。可以预测,结构声疲劳分析中必须考虑气动弹性效应。     

充液容器流固耦合模态仿真分析研究

主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法。从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得。最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小。     

基于不相干平面波叠加以模拟混响声场的航天器低频声固耦合分析

文章针对航天器在混响声场中的随机振动问题,提出一种通过多个不相干的平面波线性叠加以模拟混响声场的实现方法,给出了每个平面波的具体参数并从理论上证明其满足理想混响声场假设。在此基础上利用有限元-边界元耦合方法对整星低频声固耦合问题进行分析,并用混响室噪声试验响应数据进行了验证。研究结果表明:该方法理论推导正确,为航天器低频声固耦合分析及声振力学环境预示提供了一种新的有效手段。     

考虑温度大范围变化的瞬态热固耦合方法研究

针对传统瞬态热固耦合方法不能准确反映温度大范围变化时传热与结构变形之间的耦合效应,基于Galerkin与Newmark算法,建立了充分考虑温度大范围变化对耦合项影响的瞬态热固耦合有限元计算方法。通过求解铝质薄板在强热流作用下的热响应问题,校验了该方法的正确性,并利用该方法对某型高超声速飞行器进气道热防护面板进行了瞬态热固耦合分析。利用理论公式证明并通过分析算例得出结论：温度剧烈变化对热固耦合问题的计算结果影响十分显著;考虑温度剧烈变化的耦合项对结构的温度场影响较小,但会使温度变化率呈现震荡状态,耦合项对结构的位移、变形速度及变形加速度有显著影响,对结构的振动起到阻尼作用。     

基于互易关系的混响载荷建模方法研究

针对混合声振建模问题提出了一种考虑声腔几何形状的混响载荷建模方法。该方法基于互易关系将声腔的混响声压转换为结构表面的等效混响载荷,并考虑声腔的几何边界,可提高建模的准确性。该方法可省略对复杂的外混响声腔进行细节建模,因此能够简化建模过程并提高分析效率。典型系统的算例分析表明,该建模方法是有效的,能够考虑不同声腔边界对结构声振响应的影响。     

导弹发射车的模态综合和动响应分析

根据模态综合理论，将导弹发射车划分为若干子结构，用Ⅰ—DEAS建立各子结构的有限元模型，并进行约束模态分析和模态综合，建立了整车的动响应分析模型，并计算了导弹发射车对随机路面激励的响应。本文考虑了各部件的弹性变形对动响应的影响。所建的模型反映了油气弹簧的连通结构的特点。     

热–声–振耦合效应对薄壁叶片结构应变影响的试验研究

热–声–振耦合是影响叶片、太阳电池阵、天线、导弹等航空航天产品可靠性和耐久性的重要因素之一。文章设计了可模拟热–声–振耦合作用的试验装置,搭建热、声、振、应变测试系统,针对薄壁叶片结构进行热、声、振单独作用及耦合作用试验,基于应变数据定量分析热–声–振耦合效应及其特点,得出耦合效应对产品造成的影响远远大于单一因素作用的结果。研究结果还可为薄壁叶片结构航空航天产品多应力耦合效应分析提供参考。     

复合材料整流罩声学等效建模与低频隔声性能研究

运载火箭发射过程中的恶劣噪声环境会导致整流罩内部电子设备失效。开展整流罩的内声场环境预测以及隔声分析,对其降噪研究和优化设计具有重要意义。复合材料整流罩舱壁大量使用蜂窝夹芯板,基于蜂窝夹芯结构精细化模型开展整流罩内声场环境预示计算量大,无法适用。本文建立了复合材料蜂窝夹芯板的力/声学等效模型,并利用精细化模型验证等效模型的精度;进一步基于有限元-边界元方法对某整流罩结构进行低频声振分析;同时,对整流罩的隔声量进行了评价。结果表明:整流罩内声场在频率为160 Hz附近声学环境较为恶劣,整流罩的降噪研究应针对该频段进行。     

摆动喷管与惯性器件超谐波耦合仿真研究

摆动喷管具有大惯量和强非线性特征，存在与惯性器件耦合的风险。建立了从指令输入到惯性器件响应输出的控制回路开环传递特性模型，用有限元方法模拟了摆动喷管非线性特征，发现了摆动喷管与惯性器件的超谐波共振耦合效应，同时讨论了几种改进措施的有效性和可行性，发现对作动器反馈信号进行幅值调制来降低耦合效应效果明显且易于应用实现。     

某航天器天线声振组合环境试验与单项环境试验对比研究

由于受地面试验技术条件的限制,目前用单项噪声或振动环境试验来模拟航天器发射及飞行过程经历的声振复合环境。文章以某航天器天线为对象,开展了声与振组合环境试验与单独噪声、单独随机振动试验的对比分析:对于该航天器天线,单独噪声试验在低频区域激励效应较差;单独振动试验则在高频部分存在结构响应衰减;声振组合试验由于耦合效应对结构高频段的响应产生抑制,使得高频部分的响应被削弱。     

轴对称后向台阶不稳定流动及压强振荡数值研究

使用翼柱形装药的战术发动机,在翼槽烧完时会出现轴对称的后向台阶结构,易产生转角涡脱落引起的声涡耦合现象。根据战术发动机中后向台阶流动特点设计简化模型,从线性稳定性理论出发,应用声涡耦合模态预测方法进行分析。采用湍流流动的大涡模拟(LES)方法,进行了较宽来流Re数条件下后向台阶不稳定流动的数值模拟,获得了转角涡脱落产生的一般过程,分析了不同来流条件下的旋涡多尺度运动规律。通过分析流场中关键位置的压强振荡,研究了气动声学现象。结果表明,声涡耦合模态预测方法可对不同速度下可能诱发的声场固有频率进行合理预测。流场头部压强波动的振幅最大,频率与声场轴向声模态相耦合。再发展区出现低于轴向基频的宽峰振荡主要受大尺度旋涡运动的影响,该频率与基频接近时,会造成基频的多峰现象。当近壁面小尺寸旋涡形成频率接近声场某阶固有频率时,该频率及更低阶频率就有可能被激发。     

大载荷谐振板的仿真研究

为使跌落式谐振板装置的特性满足大载荷冲击试验的要求,采用有限元方法对谐振板和大载荷（100 kg）谐振板的固有频率及它们在半正弦冲击信号激励下的响应进行计算,得出相应的冲击响应谱。根据计算结果反复调整谐振板的结构尺寸、激励源,使响应点的时域响应和冲击响应谱符合要求。研究结果显示:大载荷对谐振板装置的冲击响应谱有很大的影响,导致响应时域延长、转折点频率降低、冲击谱幅值降低。     

大功率、高转速、高扬程涡轮泵振动分析与减振研究

比功率和能量密度都很高的火箭发动机涡轮泵,工作时引起振动的基本原因之一是较大的损失功作用在质量较小的产品上,减振必须是以提高组件的效率降低其振动比载荷为首选措施,同时改变其刚度与强度。组件中动、静件叶片之间的能量转换是引起流体压力脉动的主要原因,避免压力脉动的频率与转子转动的倍频耦合,特别是较低的倍频,是降低产品耦合振动的关键。流体密封间隙内的激振力对产品振动的影响很复杂,但激振力的主频与转子的某一固有频率接近时,将会对转子激起很大的振动,改变密封间隙内流体激振力的频率是抑制流—固耦合振动的主要方向。     

弹载惯测组合加速度计振动响应影响因素研究

针对弹载惯测组合加速度计面临振动环境下测量精度超差问题,构建弹体-惯测组合的两自由度动力学分析模型,配合有限元仿真手段,从全弹结构和惯测组合内部结构两部分进行分析.研究了减振垫刚度、惯测组合内部架构固有频率特性以及加速度计布局等因素对弹载惯测组合振动响应的影响机理.提出的设计准则包括:降低减振垫刚度有利于减小加速度计的振动响应,但需要避免弹体-惯测组合两自由度系统固有频率过于接近;设计保证质心接近惯测组合减振中心,在存在质心偏心时,需减小加速度计到惯测组合减振中心在垂直于激励方向的距离;优先保证惯测组合内部架构基频高于外部激励的最高频率,如无法实现,需保证内部架构线角耦合频率高于外部主要激励的最高频率.     

航天器局部系统动力特性的频率匹配设计

对航天器结构进行频率匹配设计,是降低耦合响应,控制其在发射阶段动力响应水平的有效方法,文章进行了局部系统动力特性的频率匹配技术研究。用基于响应谱分析的频率匹配技术优化配置局部系统的固有频率,使其与整星动力学特性和动态激励特性更加匹配,并结合结构动力特性优化使局部系统频率满足设计值。通过工程实例,验证了该方法用于控制航天器动力响应的有效性,优化后设备加速度响应幅值相对于优化前降低了20％～40％。     

控制箱夹具传递特性及对振动信号失真的影响分析

文章针对某控制箱夹具非主振方向运动过大致振动台信号传递失真问题进行有限元仿真分析。在分析控制箱夹具传递特性的基础上,通过大质量法探讨基于实测加速度数据直接加载的振动台-夹具-试验件耦合模型的响应计算方法,分析夹具致信号传递失真原因,并通过厚度优化提高夹具的固有频率。研究结果表明,夹具在激励频段内的非主振方向共振将导致试验件在该方向的过考核;模态贡献量分析可以更具针对性地设计或改进夹具结构。     

某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明：加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50■;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65■;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。