约束阻尼型减振镗杆

机械加工过程中刀具的切削颤振是影响加工质量和加工精度的关键因素。为了提高孔的加工质量,设计出一种新型抗振镗杆——约束阻尼型镗杆,该镗杆由镗刀头、基体层、阻尼层和约束层组成。针对约束阻尼型减振镗杆,首先从切削稳定性角度分析,增大镗杆的固有频率、静刚度及阻尼比,能有效提高镗杆的减振性能;其次利用ANSYS有限元分析软件得到各材料层厚度参数对镗杆减振性能的影响因子大小;随后对各参数进行优化分析获得优化的减振镗杆,优化减振镗杆的固有频率和阻尼比均大于普通镗杆,且相同激励下减小振幅可达34%;最后通过实际切削实验检验所设计镗杆的抗振性能,在相同切削条件及刀具悬伸长径比(L/D=6)下,优化减振镗杆所得到的表面粗糙度值较普通镗杆降低50%以上,由此说明约束阻尼型减振镗杆具有更好的抗振性能。     

基于冲击阻尼的深孔车削减振 车刀设计

针对内圆车削过程中特别是大长径比内孔车削时,径向力造成工件振动或变形,影响加工精度和表面质量的问题,开展基于冲击阻尼器的减振车刀研究。首先基于欧拉–伯努利梁理论,通过建模仿真开展冲击阻尼机理研究;其次对不同的切削参数与阻尼参数,运用模拟退火算法,优化单侧间隙、恢复力系数等变量,使减振车刀主模态负实部最大化,提升车削稳定性;最后基于冲击阻尼原理设计减振车刀并进行切削试验。试验结果表明,当转速n=400r/min,进给量f=0.1mm/r,切削深度a_p=0.4mm时,内置冲击阻尼器可使长径比为7的内圆车刀径向振动加速度由46.5m/s~2下降到4.0m/s~2;工件表面粗糙度R_a由4.62μm下降到1.95μm。     

粘弹阻尼材料动态力学性能对传递函数影响的研究

本文以复刚度模型为基础,采用材料动态力学性能测试系统和计算机系统研究了阻尼减振器动态力学性能对减振效果的影响,结果表明,在离散型阻尼系统中,刚频变化率S_f的大小和损耗因子随频率的变化对高频隔振效果均有较大影响,理想的阻尼材料应有较低的S_f值和几乎不随频率变化的较高的损耗因子。     

温度对约束阻尼板振动性能影响分析

基于复模量本构关系,推导各向同性约束阻尼板的动力学控制方程,求出了四边简支约束阻尼板的固有频率以及损耗因子的解析解,与利用有限元方法数值计算结果进行了对比验证。根据粘弹性材料特性曲线,插入取样温度点,分析不同温度下约束阻尼结构的减振性能,与数值结果进行了对比验证。结果表明,存在最佳温度,使约束阻尼结构减振效果最好。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

径向间隙及加工工艺对气体箔片轴承性能的影响

为了分析轴承的加工工艺和径向间隙对轴承静态、动态性能的影响,设计搭建了静态、动态实验台,利用改变轴颈尺寸的方法研究不同径向间隙对气体箔片轴承(GFB)静态性能和动态性能的影响,还分别研究了不同波箔弹性结构、不同箔片材料和不同波箔热处理方式等因素对轴承性能的影响.结果表明:随着径向间隙减小,气体箔片轴承静刚度及其动态结构刚度增大,其等效黏性阻尼随着径向间隙的减小,出现先增大后减小的趋势.在工艺上箔片材料及波箔弹性结构对轴承性能的影响起重要作用.     

多点敷设支撑层的粘弹性约束阻尼梁振动分析

针对夹层约束阻尼梁结构的减振特性进行深入研究,在其基础上扩展多处敷设增设支撑层的约束阻尼,建立了多点铺设增设支撑层约束阻尼梁的振动特性模型,利用粘弹性材料的Maxwell模型、假设模态法、有限元理论和力学原理,结合功能特性方程和Lagrange方程,导出了增设支撑层约束阻尼梁的振动位移响应方程.通过对敷设双支撑约束阻尼简支梁在支撑层厚度变化的参数研究,可以看到增设适当厚度的支撑层能够达到更好的减振效果.     

镗削碳纤维复合材料时切削用量对切削力及孔出口撕裂的影响

采用PCD刀具对碳纤维复合材料(CFRP)进行了镗削加工试验,分析了切削用量对切削力、孔出口撕裂因子(撕裂值与孔直径的比值)的影响规律.试验结果表明,三向切削力随背吃刀量、进给量、切削速率的增大而增大.经分析认为,切削速率的增大引起待加工材料的屈服应力增大.由于刀尖圆弧半径较大,试验中出现背向力大于主切削力的现象;撕裂因子与背吃刀量基本无关;进给量与撕裂因子呈线性正相关;当切削速率增大时撕裂因子呈减小趋势,并且减小到一定程度后基本不变;采用PCD刀具镗削加工该材料能够有效地减小孔出口撕裂程度.     

薄壁结构干摩擦阻尼减振设计分析

加装干摩擦阻尼结构是航空发动机薄壁结构有效的减振手段。为提供工程可用高效的减振设计工具,建立了一种薄壁 结构干摩擦阻尼减振设计的分析方法及流程。给定薄壁结构的振动应力,针对不同的减振结构采用恰当的干摩擦接触模型,基于 能量耗散,计算干摩擦减振结构接触面所能提供的等效阻尼比,获得在所关注模态下减振结构所能提供的等效阻尼比随主结构考 核点振动应力变化的阻尼特性曲线。减振设计阶段目标为共振发生时,在结构许用振动应力下,减振结构能提供最优的阻尼比。 对4种常用的干摩擦阻尼结构进行了减振设计分析,结果表明：平板式缘板阻尼器优化质量为1.2 g、涡轮叶片锯齿冠优化预扭角 为0.5°（取许用振动应力50 MPa）时可得最佳阻尼效果;矩形截面阻尼环径向厚度和裂式阻尼套筒轴向长度在设计范围内取值越 大,阻尼效果越好。     

板类约束阻尼结构的层间厚度参数优化

将梁结构剪切中性轴的概念推广至约束阻尼板结构中,提出了剪切中性面的概念.基于变形能原理,对板类约束阻尼结构的结构损耗因子进行层间厚度参数优化理论分析,并进行试验验证.结果表明,阻尼层较薄时,阻尼层厚度和约束层厚度的优化理论分析结果与试验数据变化趋势一致,表明了理论分析方法的合理性.     

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。     

弹性波纹环减振轴承设计与分析

设计了一种圆周周向呈现正弦波纹状的弹性圆环轴承阻尼器,与滚动轴承耦合到一起,实现轴承减振吸能功能。建立了弹性波纹环减振轴承的力学模型,利用有限元方法对该减振轴承进行力学性能分析,研究了弹性波纹环几何参数对其应力分布和径向压缩刚度的影响以及弹性波纹环的减振吸能效果。结果表明：与弹性凸台环比较,弹性波纹环的应力分布有了很大改善,在给定工况下,最大Mises应力从1 356 MPa降低到464 MPa,应力减小了64%,消除了应力集中现象;弹性波纹环的厚度、波纹周期数和弹性环直径对弹性环的应力和刚度影响显著。弹性波纹环的引入大幅度降低了轴承在振动冲击时受到的冲击力。     

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。     

基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统

随着遥感卫星光学成像设备等精度的不断提升,其对振动环境的要求也在不断提高,简单的线性被动Stewart平台已经无法满足苛刻使用要求。提出了一种新型基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振平台,其单自由度元件主要由多边形膜片弹簧、压电致动器、力传感器以及柔性铰链组成。相较于传统线性隔振器存在的高静刚度和低动刚度之间的固有结构矛盾,所提出的多边形膜片弹簧作为隔振器的关键原件,兼具高静-低动（HSLD）特性,能够使隔振系统同时具备较高的静态刚度进行静态承载以及较低的动刚度进行动态减振。为了降低被动隔振系统中存在的共振峰幅值,本文在被动膜片弹簧元件的基础上串联一个压电致动器与力传感器组成的主动控制元件进行主动振动控制。仿真结果表明,采用比例积分力（PIF）反馈控制算法的主动控制系统,在频域上不仅可以通过积分力环节搭建出天棚阻尼的效果来降低共振峰峰值（11.19 dB）,而且其比例-力环节可等效为增大了质量矩阵项,能够有效降低减振系统的固有频率（20.9 Hz）,拓宽其减振带宽,并同时能维持高频段的高衰减性,在时域上也能够将系统的加速度振动幅值从±0.6g降低至±0.07g,振动衰减达88%。     

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。     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题，基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子，基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程，求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性，构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型，预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明，提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近，因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件，由于结构刚度低，在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象，对其精加工质量造成严重影响。为此，基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先，介绍了阻尼器的结构，并建立了其阻尼特性的理论模型。然后，基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响，并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此，建立了装配界面抑制系统的动力学模型，并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后，通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度，阻尼比最大能提高2.17倍，等效刚度最大能提高1.65倍，能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性，装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好，能明显提高其动态可加工性，工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm，主轴转速可提升至500 r/min，这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。     

基于粘弹性材料的五轴铣削加工被动抑振技术

针对薄壁件在铣削过程中极易出现颤振,且动力学特性快速变化导致切削稳定性多变的特点,研究基于粘弹性材料的被动阻尼技术,以增加薄壁零件阻尼、提升切削稳定性。提出阻尼层、约束层以及质量层的设计方案,模态试验表明该技术能大幅提升薄壁件阻尼,且对多阶振动模态有抑制作用。最后,将其应用于薄壁S样件的五轴铣削加工试验,多组切削参数下的试验结果表明,工件切削振动幅值最大可下降约97%。     

超声振动切削对耦合颤振的影响

以耦合颤振为研究对象,通过理论分析和实验测量,研究了超声振动切削(UVC)方法对其影响及机理。超声振动切削可以通过控制系统能量摄入抑制耦合颤振。一方面,确定系统发生耦合颤振具有临界能量阀值,系统摄入能量为瞬时切削功率在净切削时间内的积分;建立的临界切削深度模型,表明超声振动切削可以增大临界切深,这表示系统具有更大的切削功率阀值,其原因是超声振动切削方法净切削时间减少,从而在一定切削时间内维持系统能量摄入总量不变,保证切削系统的稳定。另一方面,在相同条件下,超声振动切削可以有效降低平均切削力,减少系统摄入的能量,从而减弱耦合颤振的振动幅度,对其进行抑制。使用自行研制的弱刚度镗杆进行了对比实验,实验结果表明:超声振动切削可以增大临界切削深度且临界切深与占空比成反比;在相同条件下减小了系统振动幅度,获得了更好的加工质量。     

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。