涡轮叶片模态实测阻尼比的有限元应用

为了更加精确地通过有限元来模拟涡轮叶片的谐响应特性,剖析了有限元分析中阻尼矩阵的构建方法,并且选定了适用于真实涡轮叶片设计的阻尼矩阵模型.在进行涡轮叶片有限元谐响应计算时,以模态测试得的阻尼比为基本参数,建立构建阻尼矩阵的方法,该方法能处理具有单独共振频率或具有临近共振频率的振动问题.通过模拟涡轮叶片的响应试验,测得了试验系统的阻尼比及模拟涡轮叶片的位移响应.根据测得的系统阻尼比,运用构建阻尼矩阵的方法,对具有单独共振频率特征的模拟涡轮叶片进行了谐响应计算,结果显示模拟涡轮叶片的位移响应与试验结果基本一致.运用该方法进行涡轮叶片的谐响应分析可比较精确地得到其谐响应特性.      

基于幅频特性曲线簇公共点的智能弹簧减振系统参数设计

研究了无阻尼智能弹簧减振系统的一种参数设计方法.采用等效线性化方法将系统中的干摩擦阻尼等效成黏性阻尼,建立系统的数学模型,推导出无量纲化的振动微分方程,得到系统频响特性的解析解.对系统幅频特性进行了数值分析,结果发现:幅频特性曲线簇通过一个公共点,该公共点随质量比的增大向左偏移,随刚度比的增大向右偏移;系统存在一个最优控制参数值,使系统幅频特性曲线峰值最小,其随质量比的增大而减小,但不受刚度比的影响.根据公共点的性质,得到幅频特性曲线簇公共点对应的频率比、最优控制参数和最小振幅的计算公式.确定系统参数的选用原则与范围,并利用公共点提出智能弹簧减振系统参数设计的方法和步骤.      

非定常流场分析结果向结构载荷压力场转化问题的解决

在研究前排静子叶片尾流对后排转子叶片振动的影响时．一个很大的难题就是如何将尾流场作用下的转子叶片通道内的非定常流场转化为适于振动响应分析的结构载荷压力场的形式，并引入有限元分析。在本文中，首先将转子叶片通道进口处的尾流参数进行傅立叶分解，然后分别对各阶谐波作用下的转子叶片通道内的非定常流场进行计算，将其叠加，得到整个非定场流场的解。这样，在进行振动谐响应分析时，各阶谐波作用下的载荷压力场实际上就是其对应的各阶非定常压力场。同时，通过一定的简化，把非定常气动分析结果转化为适于ANSYS谐响应分析的加载形式，从而成功地把结构载荷压力场引入了有限元分析。     

求解输流管道动态响应问题的一种有效方法

研究了两端铰支输流管道在脉动内流作用下的参数共振问题。根据数值分析中发现的参数共振响应特性,给出了第一和第二振型运动相互解耦的控制方程,并用谐波平衡法导出了参数共振响应曲线的近似解析解。算例表明,第一振型近似解与数值解吻合得很好,而第二振型解在共振点附近与数值解略有差距,但二者的整体走向完全相同。     

基于谐波平衡法的含Iwan模型干摩擦振子非线性振动

通过谐波平衡法,研究了由Iwan模型和1个质量块构成的干摩擦振子系统的自由振动和受迫振动问题.对于自由振动,推导了系统卸载和加载过程中各自对应的非线性运动方程;通过谐波平衡法,求得了各方程的1阶谐波解;为了得到方程正确的数值解,提出了确定零速度时刻的策略;数值算例结果表明:谐波平衡法与数值方法得到结果吻合较好,从而验证了谐波平衡法求解此类问题的有效性.对于系统微滑移下的受迫振动,采用谐波平衡法求得了系统的幅频关系.最后,对Iwan模型阻尼特性的研究发现,模型等效黏性阻尼比与其振幅存在非线性关系.      

涡轮带冠叶片共振频率分析

利用涡轮带冠叶片干摩擦阻尼减振试验系统,分析了阻尼块与叶冠间正压力、阻尼块材料和接触面积及激振力对叶片共振频率的影响。试验结果显示,在特殊正压力加载时,叶片共振频率产生漂移现象,在其它正压力加载条件下,叶片共振频率随正压力增大基本不变;阻尼块面积和材料在不同激振力范围,对叶片共振频率产生不同影响。另外,通过试验还获取了叶片共振频率随外部参数的变化规律及叶片共振频率的大致漂移量,其结果对带冠阻尼减振系统的设计和工程应用都具有参考意义。     

无伞末敏弹大攻角扫描运动稳定性分析

针对无伞末敏弹稳态扫描时做大攻角圆运动的特点,求取了其在一般形式赤道阻尼力矩作用下攻角方程的近似解析解。在此基础上,运用振幅平面法分析了此种情况下的运动稳定性。结果表明:与在二次方赤道阻尼力矩作用下无伞末敏弹不可能形成稳定大攻角圆运动以实现稳态扫描不同,在考虑大攻角时赤道阻尼力矩不仅与攻角大小有关,还与攻角变化率有关,且章动阻尼与进动阻尼特性不同时,弹丸所受赤道阻尼力矩为一般形式的阻尼力矩情况下,无伞末敏弹可以形成稳定大攻角圆运动,并推导出了此种情况下实现稳态圆运动应满足的条件,给出了算例,为无伞末敏弹的结构设计和气动设计提供了理论参考。     

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.      

在尾流激振情况下叶片振动应力预估技术

研究了前排静子叶片的尾流对后排转子叶片振动的影响.采用参数多项式方法和振荡流体力学理论, 求解静子叶片后的尾流场及尾流场作用下转子叶片通道内的非定常流场.把非定常气动分析给出的压力场, 转化为结构动力分析中的载荷压力场形式.根据试验结果得出响应分析中的阻尼, 先求解出各阶谐波作用下转子叶片的响应结果, 再把各阶响应结果进行叠加, 得到总响应.从流场求解到响应求解, 为工程应用初步建立起了一个尾流激振情况下叶片振动应力预估的半经验方法.      

机电集成超环面传动弱非线性自由振动研究

针对新型广义复合传动机构-机电集成超环面传动系统,其中蜗杆、行星轮间电磁啮合刚度的非线性变化,首先推导出了系统弱非线性摄动形式的运动微分方程,其次在将其转化为小参数形式的基础上,利用Linstedt-Poincare法求出了该系统频率和位移响应的近似解析形式.最后讨论了算例系统中电磁啮合力的非线性变化对系统振动频率及振幅的影响,得出了随小参数ε次幂数增大,传动系统各方向振动的振幅几乎不受影响,而各阶振动频率却变化明显的结果.      

二自由度扭转干摩擦系统的频域响应计算方法

针对一类作扭转振动的干摩擦系统,基于库仑阻尼模型和谐波平衡思想给出了其频域响应的求解方法,考虑了干摩擦界面上可能出现的周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动.首先,建立了扭转干摩擦系统的二自由度集中质量模型,并进行了无量纲化.其次,建立了以谐波平衡思想处理该动力学模型的方法,并给出了系统的接触面作周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动的判定条件.最后,对于这两种接触运动状态,分别给出了其摩擦力的处理方法和谐波展开形式,从而建立了扭转干摩擦系统的频域求解方法.以此方法计算了系统在一组不同的正压力下的响应,其结果与数值积分法所得的结果取得了相当的一致.此半解析方法较数值积分方法更能揭示扭转干摩擦系统的工作机理,并可以大幅提高计算时间,其推导和求解过程可用于类似的非线性系统.      

具有干摩擦散乱失谐的叶盘受迫响应特性

阻尼件是叶盘结构中起减振作用的主要部件,而阻尼件的干摩擦散乱失谐会影响其在叶盘振动中的减振作用。本文利用谐波平衡法与快速傅立叶变换技术,对具有非线性干摩擦力的叶盘受迫响应进行了数学建模,仿真分析了叶盘系统在各种耦合、粘性阻尼比、干摩擦强度、干摩擦散乱失谐程度等参数影响下的受迫响应规律。研究结果显示,叶盘系统在弱耦合和粘性阻尼比较大的情况下,干摩擦散乱失谐会导致叶盘共振幅值显著增大。      

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.     

基于谐波平衡法和 V-g 法的高效颤振预测分析

提出了一种高效的颤振预测分析方法,将之应用于跨声速颤振边界分析及结构参数影响研究中。本方法基于频域颤振分析 V-g 方法,为气弹系统提供一定的人工阻尼使之保持简谐运动状态,从而将结构动力学方程转换到频域内。然后通过高效的谐波平衡法得到一系列简谐运动频率下的气动力描述函数矩阵,结合频域结构方程,将气弹系统的稳定性问题转化为广义特征值求解。结果表明：本方法计算得到的颤振边界与高精度的时间推进方法非常吻合,分析效率有了明显的提升,而且当结构参数发生变化后,只需进行若干次广义特征值求解即可得到新的颤振边界,无需像时间推进方法一样开展大量的气动/结构耦合数值模拟。     

Steady-state analysis of the constant-frequency clamped seriesresonant converter

A constant-frequency diode-clamped series resonant converter (CFCSRC) is proposed as a solution to problems associated with frequency-controlled resonant converters. This converter has two resonant frequencies, and control is achieved by varying the relative time spent at each switching frequency. Two zero-current-switching (ZCS) modes are examined and plotted in the output plane. An equation is given for the boundary between the two ZCS modes, as well as an expression for the boundary between ZCS and non-ZCS operation; both are plotted in the output plane. The output equation for the main mode is shown to be hyperbolic. Converter peak voltages limited to the input voltages, and peak currents are less than those of the frequency-controlled clamped series resonant converter over a large operating range. Data from a prototype converter are compared with theoretical data and are shown to be in good agreement with the theoretical model     

外激作用下自激热声系统的非线性动力学响应

在高温高压燃烧实验台上,以频率ff为78~716Hz,幅值A为0.026~0.629的外激信号激励有自激响应的同心分层旋流部分预混预蒸发火焰热声系统,研究其非线性动力学响应。结果表明:系统的自激频率fn为366.85Hz;当外激频率和自激频率的比值为1.022, 幅值A为0.629时,火焰主要被外激频率其谐波控制,其状态轨迹密集在很窄的封闭带中;当外激频率和自激频率的比值与A在其他的范围时,火焰不仅在ff和fn处响应,还在谐频、结合频和分频处响应。说明当外激幅值足够大并且外激频率靠近自激频率时,火焰发生锁相;当火焰未锁相时,出现了谐频、结合频以及分频的非线性响应,火焰准周期振荡。受迫范德波尔振荡器模型能够预测锁相、奇数谐频以及结合频2fn±ff。      

飞行器失稳平面振荡运动的物理机制

基于全局亚迭代耦合求解非定常流体动力学方程和刚体动力学方程(CFD/RBD),研究动不稳定飞行器在自由俯仰与自由沉浮二自由度下自激发平面失稳运动的非定常特征。数值研究表明:超声速锥-柱-裙飞行器的平面失稳运动发展为极限环形式,并伴随着波系结构非定常变化;平面运动保持了自由俯仰基本运动特征,但同步自由沉浮使得极限环周期运动的振幅更小、频率更快;平面自由运动中飞行器绕靠近头部的"不动点"转动。基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型。多尺度近似分析(MTS)获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关;模型分析证实了平面自由运动的"不动点"现象并自洽地解释了沉浮自由度存在使得极限环振幅变小的动力学机制。非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性。     

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。