尺度效应下微结构多场耦合的热弹性耗散研究

微结构做到MEMS量级时,结构尺寸会缩小到微米量级甚至到更小量级,材料内部表现为非均匀性,从而影响结构的静动态力学特性以及热弹性耦合特性,此时,经典弹性理论对结构的热弹性耦合特性不能进行全面的解释。因此,本文基于微尺度理论,根据微器件的振动方程,并结合热传导方程,建立微尺度效应下结构的热弹性耦合控制方程,得到尺度效应下热弹性耦合对微结构的影响。     

空间大挠度梁的有限元动力学响应分析

从弹性梁的非线性应变位移关系出发,结合Hamilton变分原理推导出了作大挠度振动的空间梁的动力学有限元方程。方程中考虑了与变形相耦合的非线性惯性项。计算表明,作大挠度振动的悬臂梁的响应是由不同的谐波成分组成;在相同结构阻尼影响下,大挠度梁的稳态振幅比线性情况下的稳态振幅要低;非线性惯性项与弯扭耦合项对系统的动力学特性有比较明显的影响。     

基于DMA与有限元相结合获取的黄土阻尼振幅特性研究

土体的阻尼是土层与地基地震反应分析时影响到工程的安全和经济性的重要参数,但其测试方法有待创新。为了研究黄土的阻尼振幅特性,本研究基于能量耗散原理,借助动态热机械分析仪(DMA)和盒土有限元应变能分析,得到了黄土阻尼振幅特性测试新方法,基于该方法获得了不同影响因素下的黄土阻尼振幅特性曲线。研究结果表明,对于黄土,在不同含水率、不同填充率和不同频率下,其最优阻尼峰值均出现在振幅100μm附近;含水率过高或过低都会使黄土的阻尼损耗因子降低;100%的体积填充率时盒土结构阻尼较优;振幅小于100μm时更低频振动下黄土的阻尼值更高。     

基于瑞利‑里兹法的双曲面壳热模态分析

双曲面壳(Doubly curved shell,DCS)是工程领域中常见的结构形式.在热环境中,DCS的振动特性将受到热效应的影响,但对DCS在热环境中振动特性的研究相对有限.本文研究了由温度变化引起的热应变和杨氏模量的变化,系统地建立了DCS能量方程.使用谱几何方法构造了DCS的位移容限函数,使用瑞利?里兹法求解了...     

横观各向同性压电矩形薄板的非线性振动

由于压电材料在航空航天轻形结构动力控制中的广泛应用，压电结构的非线性机理成为工程界急需解决的问题。为了拓广压电结构的理论基础，本文对于横观各向同性压电矩形薄板，给出了大挠度条件下的应变位移关系，利用Hamilton原理导出了压电矩形簿板的非线性振动方程，并用双重Fourier级数展开和Galerkin方法获得四边简支压电矩开薄板非线性自由振动的解析解，分析了材料参数和几何参数对振动特性的影响。     

材料和尺寸参数对Rainbow型压电换能器发电能力的影响

给出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构.为研究Rainbow型压电换能器材料、尺寸参数对其发电能力的影响,根据压电材料的机电耦合方程和对换能器的力学理论分析,建立了Rainbow型压电换能器开路电压与输出电能的数学模型.对开路电压模型进行了仿真验证,仿真结果与理论分析一致.对输出电能理论模型的数值模拟分析表明,金属基片的宽度与厚度、换能结构初始曲率半径的增大将会引起换能结构两片压电薄膜输出电能的降低;金属基片长度、压电薄膜宽度的增大将会引起两片压电薄膜输出电能的增加;压电薄膜长度、厚度的增大将会使得两片压电薄膜输出电能先增加后减小;铍青铜基片换能器要优于钢基片换能器;换能器弧形内侧压电薄膜的输出电能都要大于外侧压电薄膜.最后,结合Rainbow型压电换能器的力学分析给出了分析结果的合理解释.     

大迎角下翼型振动的气动性能研究

众所周知,风洞试验中的飞机模型,尤其是带有大展弦比机翼的模型有时会出现翼梢振动现象,振动模式主要表现为翼梢沉浮和俯仰形式,以致影响实验结果的精度和可靠性.选取相对厚度较小的NACA0008翼型,在求解非定常Navier-Stokes方程的基础上,采用改进的无限插值理论和绕翼型的C型网格,模拟风洞实验中模型振动条件下的流场,研究振动模式及其不同耦合对流场、尤其是大迎角流场的影响,并考虑了模型弹性轴不同位置对结果的影响.研究结果表明:在临近传统定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起翼型大尺度的分离,导致翼型失速的提前发生;振动在不同的相位滞后条件下,对翼型流场的分离程度不尽相同.     

压电结构的控制-结构一体化设计

对于离散分布、同位配置压电片驱动器和传感器的压电耦合板，首先构造了四节点 Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ矩形板弯单元，从而建立了有限元模型。在此基础上，给出了主动阻尼振动控制模型。将系统的存留能量指标归结为一个 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 方程的解。以系统的存留能量指标为适应度函数，以作动器和传感器的位置及控制增益为优化参数，利用基于共享函数机制小生境技术的遗传算法进行结构、控制设计。最后，对一悬臂压电耦合板进行了实例分析。结果表明，该方法是解决控制结构一体化设计的一种有效途径，可以得到多个最优解或次优解。     

飞机座舱结构声的弹性波主动控制研究

研究通过控制飞机座舱结构振动的弹性波的传播来减少由振动产生的辐射噪声的方法。制作了飞机座舱原理性模型，分析了外界气动力作用下弹性振动传播的主要路径，确定了压电元件的布置方案。利用弹性波控制的基本思想，采用IIR自适应滤波嚣识别被控通道的特性，实现对座舱结构振动的前馈控制，以抑制其辐射噪声．进行了不同单频激励下的振动和噪声控制试验，并测量了控制前后的振动和噪声。结果表明，控制后振动和噪声衰战了10dB以上。     

自调谐宽频带压电振动发电机的改进

压电振动发电机使无线传感器网络实现能量自给。然而,压电振动发电机仅在与外界振源共振时才得到较高的能量转换效率。为此提出一种改进的自适应频率调谐的压电振动发电机,利用同步开关刚度控制电路改变结构固有频率,使之趋近于激励频率,是一种控制简单、控制效果好的半主动控制方法。在建立系统机电模型基础上,推导了开关控制电路相关公式,并根据系统特点运用基于梯度法的模型参考自适应控制方法。实验结果与理论分析结果一致,改变调频系数,结构固有频率相对变化率可以达到5.1%,且在一定频率调节范围内可以实现自供能。     

含金属芯压电陶瓷纤维的本构方程

含金属芯压电陶瓷纤维是一种新型的压电器件。为了研究压电纤维的压电和机械性能,本文推导了其本构方程。该方程用于描述压电纤维在受到外力和电压作用时的响应。在悬臂杆式压电纤维的电极上施加电压,并在自由端施加力,计算其在热平衡状态下的内能密度,并在整根纤维上积分,得到其励参量是作用力和施加的电压,而响应参量是自由端的伸长量和电极上的电荷量,两者之间由一个2×2的压电矩阵相联整体能量。结果表明,自由端施加力作用时的广义位移为伸长量δ,电压的广义位移为电荷量Q。所建立的本构方程中的激系。     

双程机电耦合效应对压电层合板机电响应的影响

基于一阶剪切变形理论和压电方程,推导了压电层舍板本构方程,得到一个双程压电-机械耦合的有限元模型,它可以对具有任意分布的表面粘贴式或嵌入式压电传感器和驱动器的复合材料层合板的机电响应进行分析。所得算例的计算结果与文献中的实验结果或ANSYS分析结果非常吻合,也显示了在压电传感器有信号输出时,单程压电-机械耦合的有限元模型所存在的误差。     

基于辐射和传导耦合的蜂窝夹芯结构传热性能分析

对防热系统的蜂窝夹芯结构,采用全灰体假设同时考虑热传导和热辐射两种传热形式对温度场的耦合作用,利用稳态时热流量守恒建立了蜂窝芯层温度场的非线性积分方程.离散化后利用数值方法得到方程组的数值解,计算结果与美国兰利研究中心的实验结果吻合得较好.利用计算结果, 讨论了下面板、柱体层的灰度、蜂窝结构长径比对结构温度场的影响.     

翼型曲面的压电振动除冰方法研究

以缩比后的翼型前缘曲面为研究对象,对压电振动除冰的方法进行了理论和实验研究。针对翼型曲面的特殊性,以有限元模型导出的翼型截面离散点为基础,设计了针对翼型曲面和不同压电元件尺寸下的压电元件可贴区域的求解算法,并通过五点共圆法和四点共圆法的理论思想得出翼型曲面各点切法向矢量的求解算法。针对翼型曲面研究了压电元件的布局规律。结果表明,翼型曲面结构下,压电元件的激励效果随着间距的增大而减弱,压电元件布置在振型波峰位置附近有最佳的激励效果。在粘贴接触面积一定的前提下,激励效果随着相对贴片数量的增加而减弱,而压电元件的贴片集中度越高,激励效果越好。实验得到了较好的除冰效果,验证了布局方式的可行性,同时除冰功率最大为69.77W·m-2,低于电热除冰系统所需功耗。     

任意角度耦合加筋板能量传递系数计算方法及规律研究

能量有限元方法是结构声振响应预示的新兴方法，其中结构耦合位置的能量传递计算是能量有限元分析中的关键环节。本文将工程中常用的典型加筋板结构等效为梁-板耦合模型，结合波动解以及力学平衡条件，建立包含未知波幅的方程组，获取能量传递系数随入射角度变化的分布规律。通过将平面加筋板（180°耦合）的能量传递系数与文献结果进行对比，验证了方法的可靠性。将该方法应用于L型耦合（90°耦合）加筋板的能量传递系数计算中，通过与无加强筋L型耦合板对比，发现加强筋会阻碍弹性波的透射现象，从而影响结构中不同种类弹性波的能量占比。     

低温环境下超声电机定子特性

超声电机是一种新型的驱动器,由于其具有大力矩/重量比,控制性能好等优点,适合在航天器上使用,因此,在低温环境下对超声电机性能的变化进行研究就非常必要.分析了在低温环境下,超声电机定子弹性体和压电陶瓷元件性能变化,改进了不同环境下超声电机用压电陶瓷的压电方程,并通过该方程推出了压电陶瓷元件的d33随着温度的下降而降低.结合超声电机定子振动,归纳出低温环境下,超声电机定子对超声电机性能下降的影响.通过超声电机在低温环境下的性能测试,验证了低温环境下超声电机定子性能变化的理论分析.得到结论:压电陶瓷在低温环境下的性能下降是影响超声电机定子性能变化的主要原因.     

飞行器气动热与结构传热双向耦合研究

高超声速飞行器热防护结构的设计优化取决于对于飞行器气动热环境与结构内部温度场的准确预示,两者之间的耦合作用对此有着显著的影响。本文针对典型圆管绕流问题开展高超声速非定常流动与热防护结构传热耦合的数值计算。流场部分求解基于量热完全气体的三维粘性可压缩流动Navier-Stokes方程,固体部分求解瞬态热传导及结构响应方程获得结构温度场、热应力及应变。耦合计算采用分区迭代方法,在流-固交界面上进行壁面热流与温度的数据传递,实现了流体与结构的耦合计算。以典型圆管前缘风洞数据对上述多场耦合分析方法进行了验证,结果表明激波位置与壁面热流的计算结果与风洞试验结果一致。基于该方法对典型翼面结构在不同来流马赫数条件下的结构力热响应的模态特征。该方法能够对高超声速飞行器的气动力热载荷与结构传热的规律进行预示,从而为飞行器热防护结构的设计优化提供设计依据。     

新型电热结构防除冰性能研究（英文）

创新性地开发机翼电热防/除冰系统仍然是航空航天领域面临的巨大挑战，提高电热防/除冰系统的能量利用率受到了防除冰领域专家的广泛关注。本文创新性地设计了一种多孔电热防除冰结构，多孔基体通过模板法制备得到。电热结构从上至下由绝缘涂层、导电层、电热层和隔热层组成。研究了导电银浆层厚度及导电液含量在不同功率下绝缘层和隔热层的温度变化。结果表明，室温条件下，当输入功率为4 W、银浆层厚度为300μm时，绝缘层的温度最高可达134℃。在-20℃的冰脱落实验中，发现当输入功率为18 W时，顶层温度可快速达到0℃，而底层温度维持在-12.5℃左右，能量损失较少。本文可为电热防除冰材料体系的设计提供理论指导。     

弹性支撑条件下分段轴压阶梯梁自由振动及稳定性分析

分析了在各种经典及其派生弹性支撑边界条件下任意多段分段常轴压阶梯梁的自由振动和稳定问题,得到了形式统一的封闭解析解。首先采用分布传递函数方法,得到了轴压等截面梁在各种边界条件下自由振动及稳定性分析的解析解,然后根据分段轴压阶梯梁横截面弯曲刚度和轴向压力沿轴线的变化情况,将梁分成多段子梁,再利用各子梁的解析解以及各子梁间的位移连续和力平衡条件,得到粱的各阶自由振动频率和失稳载荷及其相应的模态形状。最后通过三阶梯梁的三个算例验证了本文方法的正确性,并针对各种边界条件,计算了各种边界条件下分段轴压四阶梯梁自由振动的前三阶固有频率和失稳载荷参数,分析了固有频率和失稳载荷与其模态形状的关系,探讨了弹性支撑条件下轴压阶梯梁固有频率随弹簧常数的变化趋势。     

压电叠堆主动减振的神经网络PID实时控制

为实现对带有模型尾支杆支撑系统在吹风过程中振动特性的实时控制,以压电陶瓷叠堆为减振元件设计了尾支杆一体化结构;提出了神经网络PID(Proportion-integration-differentiation)实时控制方法,建立了该尾支杆一体化结构的运动方程,推导出神经网络进行系统识别的状态方程,以此为基础进行控制器的设计并基于Labview软件编写控制程序;最后在风洞中,对该控制方法的控制效果进行了试验验证。试验表明利用该控制系统可进行实时控制;对不同风速下激励的振动,控制后的均方根幅值(Root mean square,RMS)减小55%以上,且该控制方法具有良好的鲁棒性、可靠性和容错性。