基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

周边桁架可展天线展开过程动力学分析及控制

 基于多刚体系统动力学的Lagrange方法,采用独立的Lagrange广义坐标,考虑耗散力、铰链处扭簧的驱动力及索网预张力对展开过程的影响,建立了周边桁架可展天线展开过程的动力学模型,给出了基于力控制的展开过程控制策略,得出了展开过程驱动力的变化与天线位形变化之间的关系,根据所规划好的天线展开运动得出相应的驱动力。编制了仿真程序进行算例分析,研究了初速度、阻尼及重力对天线展开过程的影响,实现了考虑驱动扭簧的刚度、关节中的阻尼、重力及索网预张力影响的周边桁架可展天线展开过程的动力学分析与控制。实验仿真结果验证了该方法的有效性。     

大口径光学元件检测平台的模态分析及其实验研究

针对大口径光学元件检测平台,利用ANSYS软件建立其有限元模型并进行模态仿真,获得前6阶固有频率与振型,并通过模态试验分析获得频域内传递函数。计算模态分析与试验模态分析结果基本一致,表明模型建立正确可靠。以建立的有限元模型为基础,选取气浮支撑刚度及柔性铰链结构参数作为变量,进行模态仿真,研究其对平台固有频率的影响。结果表明,气浮支撑刚度对平台整体固有频率影响小于1.5%,柔性铰链簧片厚度对其影响大于20%,可通过选择合理厚度改善平台的动态特性。     

二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化

为提高平板折展机构(LEMs)的灵活性,提出了一种能实现平面内及平面外转动的二自由度柔性铰链。首先,综合椭圆柔性铰链与LET柔性铰链的结构特点,设计了二自由度平板折展柔性铰链;其次,利用弹簧模型推导了该铰链两个方向的转动等效刚度计算模型,并通过设计实例的理论计算与有限元仿真分析对比,验证了两个理论模型的正确性;然后,探讨了各结构参数对铰链两种转动刚度的影响;最后,以提高二自由度平板折展柔性铰链的转动性能为目标,建立了其优化设计模型,并采用自适应粒子群优化算法对该铰链的结构参数进行了优化。优化结果表明:铰链y轴方向转动刚度下降了83.60%,z轴方向转动刚度下降了92.73%,二自由度平板折展柔性铰链两个方向的转动性能都得到了极大的提升,优化结果完全符合预期。     

考虑螺栓联接的转子系统振动特性分析

针对航空发动机转子振动问题,开展了螺栓法兰联接结构对转子固有特性及不平衡响应的研究。基于有限单元法,结合转子有限元模型及螺栓法兰联接结构的力学模型,建立了考虑螺栓法兰联接的转子动力学模型。基于Newmark-β法求解转子不平衡响应及固有特性,并利用ANSYS仿真软件对结果进行了仿真验证,得到了联接结构刚度对转子固有特性的影响规律。研究结果表明:转子第1阶固有频率对螺栓法兰结构的轴向刚度变化较为敏感;第2阶固有频率对螺栓法兰结构的径向刚度变化较为敏感;第3阶固有频率则对螺栓法兰结构的2种刚度变化均较为敏感;并且转子处的联接刚度会对转子的不平衡响应有一定抑制作用。     

盘鼓螺栓连接结构接触刚度建模与应用检验

针对航空发动机中盘鼓转子螺栓连接结构连接刚度精确建模与工程化应用问题,通过扇形盘鼓螺栓结构固有特性实验获得前6阶固有频率随螺栓预紧力变化关系,考虑螺栓接触面应力分布,基于双薄层单元法获得了扇形盘鼓螺栓连接结构各阶固有频率随薄层单元弹性模量变化规律.通过构建实验与仿真结果误差函数实现接触刚度的识别,并将接触刚度模型推广应...     

一种基于超导的重力梯度敏感结构分析

 为了构建小型化全张量重力梯度测量系统,提出一种轴向分量与交叉分量同时敏感的基于超导的重力梯度敏感结构。基于螺旋理论分析两分量敏感结构的自由度,利用自由空间的运动螺旋系与互逆原理得到约束螺旋系,进一步得到具有冗余约束的对称约束构型,并选择柔性元件构建并联机构形式的两分量敏感结构,利用柔性虎克铰的横向与竖向柔性铰链实现等效球铰的功能。然后分析转臂质量沿轴移动与绕轴转动时柔性元件的变形,根据几何关系与功能定理得出两分量敏感结构的沿轴移动刚度与绕轴转动刚度。通过实际参数的计算,明确了各参数对结构刚度的影响,仿真结果验证了分析过程的准确性。     

由摩擦阻尼铰实现桁架结构的被动减振研究

研究利用一种摩擦力随振动幅值的增大而增大的阻尼铰进行结构振动的被动控制。首先分析了含干摩擦约束铰结构单体梁的振动特性,并给出了系统随振动幅值变化的等效固有频率和粘性阻尼的定量表达式,然后建立了在桁架结构中设置此种摩擦铰的振动方程,分析了系统的动力特性,由计算结果发现,这种摩擦铰具有良好的阻尼特性;通过这种非线性元件,不仅通过滑移时消耗能量,而且可以将能量由低阶模态转移到高阶模态来加速振动衰减。     

基于人工神经网络的柔性铰链结构动力修改

利用有限元软件计算出柔性铰链结构参数与振动频率的训练样本,然后通过样本训练人工神经网络建立了柔性铰链结构振动频率与其结构参数的非线性映射关系,最后利用训练好的神经网络修正框架的结构参数以满足设计要求的固有频率。     

星载平面可展天线支撑桁架的结构效率优化

针对折展结构性能存在多指标且这些指标之间又相互制约的特点,把结构效率引入到可展结构的优化设计中,应用多因素正交试验法对一种空间可展开平板天线支撑桁架的优化问题进行了研究。对其关键几何设计参数进行了分析,建立了桁架结构的优化数学模型,以结构效率最大化作为优化目标,对可展桁架进行了结构优化,得到了支撑桁架各杆件的设计参数。结果表明:结构效率综合考虑了质量和刚度的影响,使结构质量和刚度同时得到优化;长宽比(l/w)是影响可展桁架结构性能的主要因素,对不同优化目标产生影响的次要因素有所不同;截面积对结构效率影响不显著(置信度p=90%),在相同杆长参数配置下,等截面可展桁架的结构效率仅次于变截面方案,但工程经济性最佳。该研究方法有助于在概念设计阶段从系统设计的角度进行空间桁架结构的快速设计与优化。     

考虑铰链间隙的投放机构动力学特性分析

为了分析铰链间隙对机构运动特性的影响，针对一种投放机构，通过对模型进行分析，将其简化为一个四连杆机构，建立投放机构的非线性弹簧阻尼模型，同时采用库仑摩擦描述机构间隙处的摩擦作用，并将建立好的模型导入到Adams仿真分析软件中，进行动力学特性分析。仿真分析结果表明：利用Adams软件可以有效地建立含铰链间隙的投放机构动力学模型，分析间隙对机构在开启过程的影响，仿真结果能够预测铰链间隙对机构运动特性的影响，为机构的设计和优化提供依据，并有利于在工程方面的应用。     

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

航空发动机联接结构振动特性研究进展

概述了航空发动机不同联接结构的研究情况,重点针对螺栓联接结构动力学建模(包括对方形联接件和法兰结构的动力学建模)、刚度计算方法、接触非线性、应力应变机械特性和试验研究情况,以及螺栓联接结构在转子系统中的应用展开详细论述,分析了螺栓联接结构对旋转状态和动力学响应的影响,并对多螺栓装配体结构装配性能研究进行论述。提出应建立完备的螺栓联接动力学特性研究理论,开展螺栓联接结构与其相应的装配体整体结构、螺栓联接动刚度和螺栓联接装配对结构动力学特性影响的深入研究。     

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

电机定子系统振动模态的研究分析

针对电机定子系统的振动与噪声特性,利用Ansys有限元仿真软件对电机定子系统三维模型进行模态仿真,得到电机定子系统的固有频率与振形,并通过试验对仿真结果进行验证。同时,对电机进行电磁仿真,分析其气隙磁密与电磁力谐波,得到电机内部电磁力各次谐波频率。将电磁力谐波频率与电机固有频率进行对比,确保电磁力谐波不会引起电机定子系统共振。验证了电机结构的合理性,为同类产品的设计优化提供了一定的参考价值。     

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。     

滚动轴承非线性轴承力及其对轴承系统振动特性的影响

滚动轴承在旋转机械中应用及其广泛,其振动特性对旋转机械的正常运行有很大影响。本文基于赫兹弹性接触理论和滚动轴承运动学,推导了滚动轴承在工作状态下产生的非线性轴承力,并在此基础上对滚动轴承系统的振动特性进行了分析。研究结果表明:滚动轴承的非线性轴承力会诱发变刚度振动。系统响应中存在多种周期(谐波、次谐波和超谐波)和非周期(拟周期和混沌)响应。通过频谱图、Po incaré图和分叉图,分析了滚动轴承系统在不同参数下的周期分叉特性。当非线性轴承力和不平衡力共同作用时,滚动轴承系统会产生组合振动,随着不平衡力的增大变刚度振动所对应频率的幅值逐渐降低。      

可自展开碳纤维增强复合材料杆的制备与性能

采用T300碳纤维/环氧树脂预浸料制备了具有双凸透镜状构型的柔性铰链和圆管,通过金属法兰将铰链和圆管胶接组装得到可自展开碳纤维增强复合材料杆。研究了复合材料铰链的展开力矩和复合材料杆的固有频率及重复展开性能。结果表明:复合材料铰链的初始展开力矩为372.8 N·mm,功重比为13.3 W/kg,可自展开复合材料杆的一阶固有频率为4.25 Hz,重复指向精度为0.08°。     

一种用于机载设备的高精度转动型柔性铰链

 传统铰链应用于机载设备时会产生摩擦、磨损、接触面热梯度等问题,而利用材料变形产生运动的柔性铰链可避免此类缺陷,获得高性能的同时,降低维护成本。现阶段使用的交叉簧片柔性铰链无法满足某些超精密航空机载设备的定位精度要求,因此将交叉点推广到任意位置以改善性能。首先,考虑机械接口,建立了广义交叉簧片柔性铰链的刚度和轴漂模型,从而分析了各个参数与刚度及轴漂的关系,并评估了由于加工因素造成的簧片不等长给性能带来的影响,得到了具有等值刚度和较小轴漂特性的柔性铰链。然后,通过有限元仿真验证了所分析特性的有效性。最后,通过组合提出了一种更大行程的复合柔性铰链,当转角为15°时,且在垂直力作用下,轴漂小于3 μm,精度优于在国外已得到应用的蝶形铰链。