基于正负刚度并联的低频隔振器研究

为了能够抑制微振动对在轨运行航天器造成的不利影响,提出了一种由螺旋柔性弹簧（SFS）与磁性弹簧并联构成的低频隔振器;其中,螺旋柔性弹簧作为正刚度元件为系统提供承载能力,并通过有限元建模对其轴向刚度特性进行了数值分析;由两两相吸、同轴配置的3块环形永磁体构成的磁性弹簧为该隔振系统沿轴向提供负刚度以降低系统的固有频率;基于等效电流模型分析讨论了该磁性弹簧的磁刚度特性,并在平衡位置附近对磁刚度作了线性近似。通过分析所设计的低频隔振器与其相应线性隔振系统的位移传递率,比较了2种隔振器的隔振性能。研究结果表明：所提出的低频隔振系统能够有效地隔离低频微幅振动,降低系统的固有频率,进而拓宽了隔振频带;同时,进一步改善了隔振系统在共振区域附近的阻尼特性,有效地降低了共振峰值。     

基于可靠性理论的整星隔振器刚度设计(英文)

传统卫星适配器由于其刚度非常大,导致其不具有任何隔振效果。所以提出了一种新型整星隔振器,这种新型整星隔振器可以对刚度进行设计以满足卫星、隔振器耦合系统对固有频率的需要。基于可靠性理论和实验数据,讨论了这种整星隔振器的刚度特性。数值模拟和实验结果都表明,通过修改隔振器肋板及相应参数,卫星-隔振器耦合系统的固有频率可以控制在很大的范围之内。同时,也论证了耦合系统的固有频率控制效果。     

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%。     

失谐叶栅的受迫振动响应特性分析

采用基于计算流体力学(CFD)方法的降阶气动力模型并耦合结构运动方程,实现了存在外激励载荷时失谐叶栅受迫振动响应的快速分析。针对典型的跨声速叶栅,通过求解其位移响应幅值较系统地研究了失谐方式、失谐强度和叶片质量比对失谐叶栅受迫振动响应幅值的影响。研究表明文中刚度失谐形式可以改善叶栅振动的稳定性,同时导致系统受迫振动响应局部化程度的增加,并且受迫响应的最大振幅放大因子随失谐强度增加或者质量比降低存在先增大后减小的一个峰值,不同失谐形式则对这个峰值的大小有着明显的影响。由于该方法可高效地分析失谐叶栅受迫振动各参数对模态局部化的影响,在工程上有一定的应用价值。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法

 动力学相似的缩比模型试验中,阻尼往往难以保证相似,使得缩比模型的动响应测试数据难以直接换算到结构原型上,因此提出一种阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法来解决这一问题。该修正方法假定缩比模型的阻尼可用比例阻尼模型近似表征,并直接从实际缩比模型与理想缩比模型的一般强迫振动响应计算方程出发,利用线性系统的叠加原理和模态叠加法,将动响应修正量的求解转换为理想模型在一个等效附加激励力作用下的时域响应求解。同时,针对实际工程中响应测点数目有限的问题,利用模态缩聚法进行了未测量点的响应反演。该修正方法仅需已知结构原型和实际缩比模型的模态阻尼比,以及准确建立的实际缩比模型的质量矩阵和刚度矩阵,即可实现实际缩比模型在任意激励工况下的测试动响应修正。以某型飞机的翼梁缩比模型为研究对象,对所提出的响应修正方法进行了验证。试验和计算结果对比分析表明,修正后的响应功率谱密度(PSD)和响应的均方根(RMS)值与理想模型基本一致,表明了本文方法的可行性和有效性。     

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

航天器贮箱变质量流固耦合系统的动力学响应

研究了航天器贮箱变质量流固耦合系统的动力学特性.根据虚拟质量法(VMM),结合边界元法和有限元法构建了系统的动力学模型,建模过程中着重考虑了质量变化对系统的动态影响.通过Newmark直接积分法计算出贮箱变质量系统的振动响应.结果表明:由于系统质量减少,引起了系统振动频率的增大,并产生一个附加负阻尼.系统的振动频率的范围可以通过系统质量的范围确定.变质量引起的附加负阻尼的大小与系统的质量变化率成正比.对于系统的横向振动,质量减少引起的附加负阻尼在整个过程对系统振动的影响比较稳定,对于系统的纵向振动,质量减少引起的附加负阻尼对系统振动的影响随时间的增加而增大.      

Rotational maneuver of nonlinear uncertain elastic spacecraft

The question of attitude control and elastic mode stabilization of a spacecraft (orbiter) with beam-tip-mass-type payloads is considered. A three-axis moment control law is derived to control the attitude of the spacecraft. The derivation of the control moments acting on the spacecraft does not require any information on the system dynamics. The control law includes a reference model and a dynamic compensator in the feedback path. For damping out the elastic motion excited by the slewing maneuver, an elastic mode stabilizer is designed. The stabilization is achieved by modal velocity feedback using force and torque actuators located at the payload end of the elastic beam. Collocated actuators and sensors provide robust stabilization. Simulation results are presented to show that rotational maneuvers and vibration stabilization can be accomplished in the closed-loop systems despite the presence of model uncertainty and disturbance torque in the system     

非比例阻尼系统动力修改的摄动分析

讨论了对非比例阻尼振动系统作小修改时,其复频率和复振型的摄动分析方法。当振动系统的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵有较小修改时,不重复求解大型复广义特征问题,在已知初始系统复模态参数的基础上进行复模态坐标变换,用矩阵摄动法给出修改系统的频率、阻尼比和复振型。算例表明,将这种方法用于非比例阻尼振动系统的动力修改,计算简单,费用经济,精度较高,因此是一种行之有效的分析方法。     

微振动隔振器动态阻尼系数的测试方法

阻尼系数的确定对于隔振设计非常重要。针对大阻尼黏性流体微振动隔振器,提出一种确定三参数模型阻尼系数的机械阻抗等效理论与测试方法,将三参数模型简化为等效的便于试验测试的两参数隔振模型。将由自行设计的试验系统测量得到的阻尼系数和刚度系数输入到ADAMS仿真模型中,得到等效阻尼系数,并与直接采用迟滞环法得到的隔振器的等效阻尼系数进行对比分析。研究结果显示,两种方法得到的结果具有良好的一致性,证明了本文方法的可行性和可用性。本文方法还可得到以往传统方法难以得到的动态阻尼系数随频率的变化规律,对于隔振设计具有重要的参考价值。由于提出简化的等效模型,使得隔振器阻尼系数的测试更加快捷方便,本方法可推广应用于具有更多参数的隔振器阻尼系数的测量。     

基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法

为了快速准确地计算卡箍管路系统的振动响应，提出了基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法。对卡箍直管系统进行低幅值激励的模态测试，利用试验数据对有限元模型进行修正，识别卡箍线性刚度、线性阻尼参数。对卡箍直管系统开展不同激励水平下的恒力测试，通过样条插值多项式法将恒力频响函数转换为恒位移、恒速度频响函数，并进一步识别卡箍非线性等效刚度、非线性等效阻尼，建立了考虑卡箍非线性的等效动力学模型。研究表明:该卡箍等效动力学模型的预测频响函数与试验频响函数的最大误差仅为-6.9%，可以有效地反映卡箍实际的刚度、阻尼特性，对解决卡箍管路系统的振动响应分析具有重要的指导意义。      

失调参数对T尾结构振动模态局部化的影响

对飞机T尾结构振动模态的局部化现象和频率曲线转向现象进行了研究。根据峰值振幅比,改进了局部化度的定义。根据平尾刚度和垂尾刚度对T尾结构固有频率的影响,定义了T尾结构的耦合度。分析了T尾结构中平尾的失调质量、失调刚度及失调位置参数对T尾结构模态局部化度、模态频率和模态振型的影响。结果表明,失调参数是通过仅改变两支相关模态中的某一支模态固有频率来实现频率曲线转向,进而引起模态局部化现象的。平尾发生质量失调时,质量较大一侧的振幅大于质量较小一侧的振幅;发生刚度失调时,刚度较小一侧的振幅大于刚度较大一侧的振幅。在平尾翼尖处进行质量失调设计或在平尾翼根处进行刚度失调设计,更有利于实现T尾结构的模态局部化。     

损伤对平纹编织陶瓷基复合材料梁振动特性影响的试验研究

为研究平纹编织陶瓷基复合材料（CMCs）梁受损伤影响的非线性振动特性,本文分别开展了拉伸试验和振动试验。拉伸试验用于获得平纹编织CMCs受损伤影响的变刚度行为,多次正弦扫频试验用于获得振动载荷下平纹编织CMCs梁受损伤影响的非线性行为。拉伸试验得到的非线性应力-应变曲线表明材料受损伤影响变刚度行为明显。梁初始固有频率的试验值与理论值相比,相对误差小于1%。振动试验结果从两方面表明了损伤对梁振动特性的影响。一是模态参数的变化,固有频率从初始值（256.44Hz）不断减小,阻尼比呈现增大趋势,而共振位移幅值受固有频率和阻尼比的耦合作用发生非线性且非单调变化。固有频率的变化造成位移幅频特性曲线的左移现象。二是位移幅频特性曲线的多峰现象,在多处载荷频率下产生了位移峰值点。本文的试验结果可用于指导平纹编织CMCs结构动力学计算理论模型的建立。     

一种磁性并联低刚度隔振器

为了能够抑制低频微幅振动,提出了一种磁性并联低刚度隔振器,其由固支的承载梁和磁性弹簧并联构成.其中,磁性弹簧由4个永磁体对组成,每个永磁体对中的两块永磁体相吸配置,并在梁上对称均布;利用等效电流法对永磁体进行建模,根据安培定律给出了永磁体之间磁力的计算表达式,最后通过曲线拟合得到了其近似表达式;分析讨论了梁的等效刚度计算方法,进而得到了所提出的隔振系统的等效刚度计算方法;在不考虑系统非线性影响时,对该隔振系统进行了隔振特性分析及数值仿真.结果表明:与传统的线性隔振器相比,该隔振器能够有效地隔离低频振动,降低隔振系统的固有频率,从而拓宽了隔振器的隔振频带,并改善了系统的阻尼特性,有效地降低了共振区域的共振峰值.      

失衡旋翼的直升机自激振动分析模型

直升机使用中很可能出现旋翼各片桨叶特性不一致的情况,为了研究失衡旋翼对直升机自激振动的影响,建立了适用于地面、悬停及前飞状态的旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。采用当量铰旋翼模型,计入动力入流的影响,分别在旋转坐标系和固定坐标系中建立了桨叶及机体的动力学方程。以减摆器失效对直升机地面共振的影响为例,对桨叶及机体的时域响应进行了非线性数值仿真,用Floquet传递矩阵法计算了摆振后退型模态频率及阻尼,并用时域分析进行了检验。结果表明,其中一个减摆器失效后,各片桨叶摆振运动特性相差很大,系统的摆振后退型模态阻尼下降幅度高达60%以上。     

大展弦比弹性飞机着陆特性影响因素分析

安装点广义位移、结构阻尼系数和机体弹性振动频率对着陆冲击能量耗散效率有显著影响。以大展 弦比全球鹰无人机为例,基于拉格朗日方法建立刚弹耦合的弹性飞机动力学方程,对各模态质量、广义安装位 移、频率和结构阻尼系数等参数下的着陆特性进行仿真,分析各模态质量、广义安装位移、频率和结构阻尼系数 参数对缓冲器载荷和能量耗散时间的影响。结果表明:模态质量越小,安装点广义位移越大,缓冲器载荷越小; 安装点广义位移越大,结构阻尼系数越大,弹性振动频率越小,着陆冲击耗散速率越快。     

颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的试验

 为探索直升机减振技术的新方法,研究颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用,设计了直升机旋翼桨叶模型及其相应的颗粒阻尼器形式,利用试验方法研究了颗粒阻尼对非旋转及旋转桨叶模型的阻尼减振效果。试验结果表明：颗粒阻尼可以有效提高非旋转桨叶模型的前3阶阻尼水平,尤其可使桨叶第3阶模态阻尼比提高一个数量级甚至更多;在较低的转速范围内,颗粒阻尼还可以克服离心力作用,使旋转桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平均得到有效削减,充分表明了颗粒阻尼作为一种振动控制手段应用于直升机旋翼桨叶的可行性。     

一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法

在赫兹接触与Greenwood-Williamson(G-W)模型的基础上,推导带系数的接触刚度公式,提出了一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法.通过数值仿真分析获得1阶固有频率与接触刚度系数的关系曲线,结合1阶固有频率的实验结果确定接触刚度系数,进而确定接触刚度公式.应用所得公式仿真计算不同几何模型、不同离心力下系统的1阶固有频率以及激振力作用下系统的振动响应,并与实验数据对比,1阶固有频率的最大误差为1.73%,振动响应的最大误差为9.5%,结果吻合,验证了计算方法的准确性;同时研究了结合面干摩擦阻尼对系统的减振效果,结果显示在1阶固有频率附近,干摩擦阻尼具有明显的减振效果.     

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.