模态综合的直接变换法

基于固定界面模态综合的Craig-Bampton方法,提出了模态综合的直接变换方法,该法在形式上更简洁,适用于大规模动力学系统的模态分析和动力学模型减缩。对采用直接变换法模态综合过程的计算误差做了分析,给出了计算误差界,阐明了模态综合后总体结构的固有频率与子结构保留主模态个数之间的关系。针对子结构界面自由度太大的情况,提出了直接变换法的分部算法,不需组集系统总刚度、总质量矩阵,仅在子结构的基础上完成系统的减缩。计算实例表明该算法的有效性及计算的稳定性。     

混合边界子结构的航空发动机机匣模型修正

提出了一种基于混合边界模态综合的复杂结构有限元模型修正方法。其主要步骤包括:①子结构划分,根据结构形式划分待修正区域，得到子结构和残余结构；②缩聚和装配,利用混合边界模态综合法，将子结构内部自由度集缩聚至混合边界自由度集，得到子结构缩聚矩阵，并与残余结构的系统矩阵进行装配；③修正,基于灵敏度分析方法，对装配后的残余结构进行参数修正。将该方法应用于航空发动机外机匣的精细化有限元建模及模型修正研究，针对局部连接结构参数修正，子结构模型修正方法的参数收敛后最大误差为064%，其计算效率提高了515倍。算例结果表明，该方法在保证修正精确度的同时，能提高大规模复杂结构有限元模型修正的计算效率。      

基于多重动态子结构法的大型复杂结构动力分析技术

针对传统动力学分析方法无法有效地解决大型复杂工程结构动力问题的局限性,引入了一套适用于复杂大系统结构建模分析的新技术—多重动态子结构法。详细论述了多重多级动态子结构基础理论,介绍了采用多重动态子结构技术进行动力建模分析的工程实现方法,并开展了该方法在某大型四机并联液体火箭发动机中的应用研究。研究结果表明:仿真分析的前六阶模态与试验值吻合较好,模态频率的相对误差小于5%,模态置信因子MAC≥0.9,该动力分析方法可准确预示发动机结构的动力学特性;相比整体有限元分析方法及传统(单级)子结构法,其建模、求解效率得到大幅度提高;验证了多重动态子结构法是研究大型复杂结构动力问题的一种有效方法。     

复杂异型机匣高效高精度动力学建模及评价方法

为了解决复杂异型机匣模型单元数量大、原始矩阵阶数高导致的动力学计算与后处理困难的问题,提出基于试验模态分析-大规模有限元-子结构缩聚的复杂异型机匣高精度动力学建模及评价方法。以某型直升机主减速器机匣为研究对象,建立该异型构件原始有限元模型并通过模态试验验证模型的有效性,通过分析机匣子结构各阶模态保留主振型,选择模态能量较大处为缩聚点,得到自由度数目大幅减少的缩聚模型,对比验证缩聚前后模态的一致性,并提出一种基于数列相关系数定义的缩聚误差衡量方法,最后利用界面位移协调条件进行子结构耦合,对比整体模型的固有特性以及计算效率。研究结果表明:缩聚矩阵与有限元原始矩阵动力学特性十分接近,固有频率与振型误差均小于4%,且计算时间更短,存储空间占用更少,极大地提高了计算效率。      

3-D有限元转子系统动力减缩的部件模态综合方法及应用

为了对3-D有限元转子模型进行动力学减缩,提出基于部件模态综合的旋转子结构方法.该方法利用实模态振型矩阵减缩子结构自由度,不同转速下的减缩陀螺矩阵由转速系数乘以单位转速的减缩陀螺矩阵得到.与复模态减缩相比,避免了重复求解变换矩阵的缺点,减缩精度优于基于Guyan减缩的旋转子结构法.利用该方法减缩了某航空发动机转子模型87%的自由度数.经比较,由Campbell图所得临界转速的最大误差为0.04%,稳态不平衡响应计算结果与原模型也几乎完全相同,使用的内存和计算时间均不到原模型的20%,验证结果证明该方法可行.      

粘弹阻尼结构模态灵敏度分析的模态展开方法

建立了粘弹阻尼结构的模态灵敏度分析的模态展开方法,其形式较为简单,与粘性阻尼结构灵敏度分析的模态展开法相类似,计算较为简便。并对有限自由度的离散粘弹阻尼结构的算例进行了振动模态灵敏度分析。     

失谐叶盘结构振动模态局部化研究

针对失谐叶盘结构振动特性和模态局部化特性,分别利用有限元法和子结构模态综合法进行分析。对具有12个叶片模拟叶盘结构的振动特性和振动模态局部化特性进行研究,包括失谐形式对模态局部化的影响和模态密度对失谐敏感性的影响,并利用应变能和模态局部化因子的概念对模态局部化现象进行定量描述。研究表明:子结构模态综合法能满足叶盘结构振动模态特性的计算精度要求,并能节省大量的计算时间;失谐形式和模态密度对模态局部化程度有显著影响。     

模态综合技术短评和一种新的改进

本文对模态综合技术作了简短的评述。在对照各种综合方法的优缺点之后,提出一种新的改进,它以瑞莱-李兹原理为基础,用各子结构的自由对接边界下的一簇包括基频在内的低阶主模态,补以“剩余模态集”来综合完整结构的固有振动特性。我们论证了用部件关于其对接边界反力的剩余模态集来近似更替它的截尾主模态集的理论根据,指出关联于剩余模态集的坐标列阵就是对接力列阵,这样在装配时不仅能考虑各别部件对接边界上的位移协调,而且也能考虑相应的内力平衡,从而使得综合特征值问题的尺寸达到最大限度的减缩。这对于综合象宇航飞行器,空间框架及叶片-转盘系统一类具有大量内连自由度的结构,其意义是很明显的。     

转子动力特性计算中常用方法的对比分析

传递矩阵法、有限元素法及及模态综合法是对转子系统进行动力特性分析最常用的方法。通过大量算例, 本文从计算精度、内存、机时等方面对它们进行了对比计算, 并对计算结果进行了分析。在采用模态综合法进行动力特性分析时, 涉及需选取不同的控制参数, 诸如子结构数的多少, 子结构保留模态阶数等, 本文也给出了经验数据。      

月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法

航天器结构的日益复杂和庞大为全系统级的动力学仿真带来了更大的困难和挑战,目前主要采用动态子结构法来提高分析求解效率,并解决不同设计部门之间的模型共享和技术保护问题。月球探测器软着陆阶段的冲击力学环境一般由加速度冲击响应谱描述,由于高阶振型对结构加速度响应的影响要比对位移响应的影响大得多,所以在小阻尼情况下,经典的基于模态的子结构方法在相同截断频率下对加速度响应的预测精度远低于位移响应。为解决这一问题,引进基于脉冲响应函数的时域子结构(IBS)方法,提出了一种适用于预测加速度响应的降阶形式的迭代求解格式。利用探测器着陆数值模拟试验中测得的缓冲机构作用力作为激励,分别采用固定界面模态综合(CB)法和IBS方法分析了月球探测器的加速度响应。数值算例表明,后者在计算精度和求解效率方面均高于前者,并说明基于脉冲响应函数的子结构方法适于对月球探测器加速度响应进行高精度快速预测。     

基于变分模态分解的壁湍流拟序结构形态研究

应用多分量准二维变分模态分解技术,对直接数值模拟的湍流边界层的流向-法向平面进行了分解。通过对从低雷诺数到中等雷诺数(Reτ=400~1750)各个工况的瞬时流场的观察,定性地得到了不同模态所对应的物理结构特征。通过两点相关云图形态和倾斜角度的比较,定量地对比了不同模态对应的拟序结构倾角随法向高度的变化。一阶模态主要对应大尺度扫掠/喷射事件,第二阶模态则对应近壁流向涡结构。两阶模态的拟序结构倾角随法向高度的变化趋势与雷诺数呈弱相关,表明大小尺度模态的几何特征在所研究的雷诺数范围内存在自相似性。     

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。     

Hierarchical model updating strategy of complex assembled structures with uncorrelated dynamic modes

In structural simulation and design, an accurate computational model directly determines the effectiveness of performance evaluation. To establish a high-fidelity dynamic model of a complex assembled structure, a Hierarchical Model Updating Strategy(HMUS) is developed for Finite Element(FE) model updating with regard to uncorrelated modes. The principle of HMUS is first elaborated by integrating hierarchical modeling concept, model updating technology with proper uncorrelated mode treatment, and...     

由有限多个传感器测点诊断结构破损位置的试验研究

 提出了结构动态试验传感器测点位置的优化方法,发展了基于有限多个传感器测点信息的结构破损定位方法。该方法以结构各自由度的破损信息为条件,通过优化方法从结构的全部自由度中去掉那些所含结构破损信息很少的自由度,得到了有限个传感器测点的数目和位置,并且运用灵敏度分析和相关性分析方法,建立了直接利用不完整的实测模态振型诊断结构破损位置的破损定位方法,解决了测试振型不完整给结构破损诊断带来的困难。空间桁架结构破损诊断的实验研究表明,该方法能成功地诊断出结构单个或多个破损的位置。     

用于静力分析的航空结构分析系统Ⅰ型（HAJIF-Ⅰ）

用于静力分析的航空结构分析系统是航空工业首次研制的一个大型程序系统。这一系统采用多级子结构分析技术,可以适应各种类型航空结构的线性静力分析。解题的规模最大为99个子结构,每个子结构的节点自由度为3000。系统配置有数据自动生成语句和结构分析专用语句,有较强的原始数据生成能力和用户组织自己的运算流程的灵活性。系统提供了自动分块加有效列及超元矩阵两种大型稀疏矩阵的解法,可由用户根据结构特点和计算机容量选用。在程序组织上采用两级管理的模块式结构,便于修改和逐步扩充系统的功能。整个系统约有30000条源语句,绝大部分用FORTRAN-Ⅳ写成,易于转机。在本文最后,举了某飞机用本系统进行应力分析的用户说明书形式做为例子,表明应用本系统是十分方便的。     

叶片─盘─轴整体转子振动特性分析

提出分析盘-片-轴全弹性整体转子系统动力特性的新方法。采用刚盘-轴组件和盘-片组件作为两个子结构, 应用模态综合, 导出了整体转子的运动方程, 求解了相应的广义陀螺特征值问题, 求得涡动频率、涡动模态和临界转速, 判断了正、负进动。对盘-片组件执行了几何非线性大变形分析, 求出动平衡位置和切线刚度阵, 准确计算了离心力的刚度效应。利用盘-片组件的回转对称性, 采用群论算法, 把自由度缩聚到一个扇区, 克服了算机容量的困难。编制了盘-片-轴耦合振动的大型有限元程序。进行了盘-片-轴耦合振动的试验研究, 试验与计算结果一致。      

航空发动机减速系统的动力分析

以某型航发减速传动系统为研究对象 ,针对齿轮啮合传动系统的结构特点 ,把子结构分析法和结构动力修改再分析结合起来。综合时 ,从结构修改的观点出发 ,来考虑各子结构对接界面上的对接条件 ,认为综合系统是各子结构无耦合时系统的一个结构修改 ,从而求得整个结构系统的动力特性。既保留了子结构分析法优点 ,而处理子结构间的对接条件比子结构分析法更方便。     

航空发动机整机模态计算分析

本文针对现代高速小型发动机转子-支承-机匣系统特点, 建立了较完整的一套用于分析整机模态的有限元子结构模态综合法及程序, 阐述了如何建立整机计算模型及如何分析整机模态等问题, 给出了某型发动机整机模态的计算结果, 并与试验结果进行了对照。      

带冠叶盘的二维子结构循环非线性力学模型及其响应特性

提出了带冠叶盘的二维子结构循环非线性力学模型,该模型考虑了叶片振动方向与叶冠摩擦面之间的夹角,是对单自由度子结构循环模型的改进。同时给出了对应于二维子结构循环模型的运动方程并对基于这一模型的系统的响应特性进行了分析,特别研究了叶冠摩擦面角度的影响。