基于切比雪夫多项式展开的转子动力特性区间分析

基于切比雪夫多项式展开,建立了转子系统临界转速和稳态响应区间分析方法,能在仅具有参数上下界的情况下获得结果分布区间。针对临界转速区间分析问题,将支承刚度、密度和弹性模量视为区间变量,建立转子系统固有频率的切比雪夫多项式表达式,最终获得临界转速区间,临界转速误差不超过0.07%。在固有特性分析基础上,应用切比雪夫方法求解转子系统的稳态响应,并由模态叠加原理对响应区间进行修正,解决了固有特性不确定性较大时稳态响应求解精度不足的问题。与蒙特卡洛插值结果相比,响应上界误差不超过8%。基于切比雪夫展开的非确定分析方法,不需修改原结构的振动微分方程。结果表明该方法结合商业有限元软件后,应用简单,并具有理想的精度。     

基于泰勒展开法的转子系统动力特性区间分析方法

对转子系统动力特性运用一种非概率-区间分析方法进行分析.基于区间数学和1阶泰勒展开理论的区间分析方法将非确定参数支承刚度和连接结构刚度视为区间向量,运用泰勒展开法建立了转子系统固有频率的公式.区间分析方法降低了传统的概率分析方法对不确定参数信息的过分要求,为解决含有非确定参数的转子系统动力特性问题提供了一个途径.应用区间泰勒展开法和概率方法对数值算例进行了分析,并比较了结果.当参数非确定性小于20%时,计算得到的转子系统固有频率区间上下界与真实值区间上下界误差小于2.2%.建立了转子系统动力特性试验装置,试验结果验证了方法的有效性.      

复合材料层合板屈曲载荷计算的区间分析算法

提出了求解具有不确定性复合材料层合板屈曲载荷的一种处理方法———区间分析法。区间分析法是基于区间数学和泰勒展开的一种处理不确定性的方法。区间分析法不需要知道不确定变量的概率统计特性,只要较少的材料物理特性信息,即不确定变量的上界和下界,加上较简单的计算就可以得出结构响应的变化区间。在样本比较小,概率统计特性不明显,从而通常的概率统计方法不能有效应用时,区间分析仍然有效。文中针对四边简支的特殊正交层合板以及反对称角铺设层合板的屈曲载荷,用概率算法和区间算法分别进行了计算与比较。     

考虑随机和认知混合不确定性的航空发动机燃烧效率灵敏度分析

针对燃烧室初步设计阶段输入参数存在混合不确定性的特点,提出一种概率盒框架下的全局灵敏度分析方法。简单介绍了航空发动机燃烧效率的一维计算方法;在随机和认知混合不确定性的概率盒表征基础上,使用Sobol指标的上下限表征概率盒中随机与认知混合不确定性对响应的贡献程度;最后基于双层嵌套蒙特卡洛/非嵌入式多项式混沌展开（Monte Carlo Simulation/Non-intrusive Polynomial Chaos Expansion,MCS/NIPCE）方法对概率盒灵敏度指标进行求解,筛选出重要变量和次要变量,实现模型的降维。通过某航空发动机燃烧效率的全局灵敏度分析对所提出的方法进行了验证。研究结果表明,Sobol指标的上下限可以显著表征概率盒灵敏度指标,在保证计算精度的前提下,双层MCS/NIPCE方法的计算效率要远远高于传统双层蒙特卡洛（Monte Carlo Simulation, MCS/MCS）方法,可获得考虑随机和认知混合不确定性情况下燃烧效率输入参数的重要性排序。     

考虑随机型不确定性的浸入式颤振求解方法

气动弹性模型中的参数不确定性一般具有一定的分布规律,为了定量分析随机型参数不确定性对颤振的影响特性,考虑气动弹性系统中广义刚度的随机型不确定性,基于浸入式随机多项式展开(PCE)方法,在传统的颤振求解方法——p-k法的基础上,提出了针对不确定性气动弹性系统稳定性分析的增广p-k法——PCEPK(Polynomial Chaos Expansion with p-k)法,并将该方法应用到某机翼的颤振分析中,研究了均匀分布下的广义刚度不确定性对颤振边界的影响,并同基于结构奇异值μ理论的鲁棒颤振分析的结果和计算效率进行了对比。最后,采用标准的蒙特卡罗模拟(Monte Carlo Simulation,MCS)方法验证了结果的正确性。研究结果表明,PCEPK法计算的颤振边界范围是该分布下的"确定"结果,不因随机样本数而改变,克服了随机方法依赖样本数的缺点。同时,与基于结构奇异值理论的鲁棒颤振分析方法相比,它能够考虑不确定性参数分布对颤振特性的影响,具有更广泛的适用范围。     

不确定双圆盘转子系统振动响应分析

采用基于随机矩阵最大熵法的非参数方法对不确定性转子系统进行动力学建模,研究了模型不确定性与参数不确定性对不确定双圆盘转子系统固有频率波动的影响,分析了转子系统振动响应在不同转速范围内对模型不确定性与参数不确定性的敏感度,从而将一般参数建模方法所无法考虑的建模误差考虑在内。结果表明:模型与参数不确定性对系统固有频率波动的影响大小不同,转轴弹性模量变异系数为0.04时分别使1阶固有频率产生了1.19%与3.58%的波动,2阶固有频率产生了1.82%与3.64%的波动;支承刚度变异系数为0.04时分别使1阶固有频率产生了0.01%与6.17%的波动,2阶固有频率产生了0.68%与6.18%的波动。不同转速范围内,转子系统振动响应对两种不确定性的敏感度也不同:在低于120 rad/s与高于430 rad/s的范围内,系统响应对两种不确定性均不敏感;在120～200 rad/s以及270～430 rad/s范围内,模型不确定性比参数不确定性对响应波动的影响大。该研究成果能够为复杂转子系统随机响应的预测提供一定的理论参考。      

涡轮转子径向变形稳健性优化设计

考虑到参数不确定性对转子径向变形的影响,提出了1种基于分布式协同响应面的涡轮转子径向变形稳健性优化方法。首先,利用Kriging模型建立各部件参数与径向变形响应面子模型,然后利用分布式协同响应面方法建立全局参数与转子径向变形的系统响应面模型。其次,利用系统响应面模型建立涡轮转子径向变形稳健性优化模型,并采用果蝇优化算法来进行稳健性优化求解。优化后涡轮转子径向变形的均值以及标准差比优化前分别降低了7.3%和4.97%,计算结果表明:该方法在工程应用中的可行性和有效性。     

变速转子瞬时不平衡响应的精细算法

针对变速转子瞬时不平衡响应计算积分精度不足的问题,基于传递矩阵法建立了考虑反对称陀螺力矩的变速转子瞬时不平衡响应线性运动微分方程,推导了适用于线性非定常系统的精细积分法,并通过仿真计算与Newmark-β法比较了变速转子模型下的积分计算效率和动力响应参数的瞬时不平衡识别精度。结果表明两种算法均具有较高的积分精度和计算效率,但是随着转速的增加,Newmark-β法的误差逐渐增大,而精细算法得到的瞬时不平衡响应信息与理论值保持一致。平衡效果显示了精细积分法能准确识别初始不平衡量,提高平衡精度。此外,通过真实不平衡转子在噪声影响下的试验结果进行了验证,发现升速过程中仿真结果与实际响应结果基本吻合。     

双转子系统临界转速的有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立简易双转子系统的有限元模型,分别用QR阻尼法和同步响应法计算该双转子系统的临界转速以及主振型。用该软件自带的参数化设计语言（APDL）编制该双转子系统临界转速和不平衡响应的计算程序,分别求出内转子和外转子为主激励的临界转速及主振型。对比结果发现采用QR阻尼法和同步响应法计算双转子系统前三阶临界转速的误差均在1％以内,结果吻合很好。用这2种方法计算双转子系统的临界转速都能得到满足工程精度要求的结果。     

翼型不确定性量化中正交匹配追踪的应用

不确定性在实际系统中广泛存在，为了研究不确定性因素影响下系统输出的随机响应特性，传统的不确定性量化方法如蒙特卡洛采样、混沌多项式展开等需要大量的样本，制约了在飞机机翼等复杂系统中的应用。近年来，在信号处理领域发展迅速的压缩感知技术，利用原始信号的稀疏性可以用少量的样本精确重构信号。这一特性促使研究人员探索将压缩感知技术应用于不确定性量化研究中。以RAE2822实际翼型为研究对象，使用类函数/形函数变换将原始翼型参数化，考虑加工、装配过程和实际飞行工况下的几何不确定性，将压缩感知技术与混沌多项式展开相结合，利用正交匹配追踪算法实现多项式系数的稀疏重构，获得翼型气动力系数和流场参数在考虑几何不确定性影响下的均值和标准差，并与蒙特卡洛采样和满秩概率配点法获得的结果进行对比。通过对收敛性能、样本数需求和重构精度等方面的对比分析表明，正交匹配追踪算法能够利用相对较少的样本获得与传统不确定性量化方法相近的精度。考虑到实际系统的随机响应在混沌多项式基底上大多具有稀疏的展开形式，因此将压缩感知技术应用到不确定性量化中可以显著降低样本数需求，从而降低时间成本，提高计算效率。     

Interval analysis of rotor dynamic response based on Chebyshev polynomials

Uncertainty is extensively involved in the rotor systems of rotating machinery, which may cause an unstable vibrational response. To take the uncertainty into consideration for the uncertain rotor-bearing system, an improved unified interval analysis method based on the Chebyshev expansion is established in this paper. Firstly, the Chebyshev Interval Method (CIM) to calculate not only the critical speeds but also the dynamic response of rotor with uncertain parameters is introduced. Then, the numerical investigation is carried out based on the developed double disk rotor model and computation procedure, and the results demonstrate the validity. But when the uncertainty is sufficiently large to influence critical speeds, the upper and lower bounds are far from the actual bounds. In order to overcome the defects, a Bound Correction Interval analysis Method (BCIM) is proposed based on the Chebyshev expansion and the modal superposition. In use of the improved method, the bounds of the interval responses, especially the upper bound, are corrected, and the comparison with other methods demonstrates that the higher accuracy and a wider application range.     

Improved uncertainty propagation method of dynamic model for Mars entry spacecraft

In order to research the uncertainty propagation laws of Mars entry dynamic equations for the Mars entry phase,an improved method was presented for analyzing the effect of the initial state uncertainties and uncertainty factor on the system state in the state trajectories.When applying the method to the entry phase of one of the NASA Mars exploration missions,the simulation results agreed well with the Monte Carlo method,especially the flight path angle simulation at least reaching 92%.It is found that the improved method can not only predict the uncertainty propagation laws with high accuracy of at least 92%in flight path angle simulation and large application scope from-0.1degree to 0.1degree,compared with local linearization method,but also save several hours relative to Monte Carlo method.     

Nonlinear interval analysis of rotor response with joints under uncertainties

The dynamic influence of joints in aero-engine rotor systems is investigated in this paper. Firstly, the tangential stiffness and loss factor are obtained from an isolated lap joint setup with dynamic excitation experiments. Also, the influence of the normal contact pressure and the excitation level are examined, which revel the uncertainty in joints. Then, the updated Thin Layer Elements (TLEs) method with fitted parameters based on the experiments is established to simulate the dynamic properties of joints on the interface. The response of the rotor subjected to unbalance excitation is calculated, and the results illustrate the effectiveness of the proposed method. Meanwhile, using the Chebyshev inclusion function and a direct iteration algorithm, a nonlinear interval analysis method is established to consider the uncertainty of parameters in joints. The accuracy is proved by comparison with results obtained using the Monte-Carlo method. Combined with the updated TLEs, the nonlinear Chebyshev method is successfully applied on a finite model of a rotor. The study shows that substantial attention should be paid to the dynamical design for the joint in rotor systems, the dynamic properties of joints under complex loading and the corresponding interval analysis method need to be intensively studied.     

高超声速飞行器飞行动力学特性不确定分析

 高超声速飞行器分析模型存在较大不确定性,其给出的动力学特性与真实值之间存在偏差,因此研究飞行动力学特性分析结果的可信度水平对控制系统设计具有重要意义。针对典型的乘波体构型高超声速飞行器,在建立气动/结构/推进相互耦合的动力学模型基础上,利用非概率区间来描述模型中的不确定参数,并将复特征根不确定范围求解问题转化为频率和阻尼比两个实数的不确定区间分别求解,给出了动力学模态特征根、频率及阻尼比的不确定边界。分别采用直接蒙特卡罗(DMC)模拟方法、基于泰勒展开的区间分析方法(TIAM)和基于多项式逼近的区间分析方法(CIAM)对高超声速飞行器飞行动力学不确定性进行了研究。结果表明:CIAM计算时间适中,且给出的边界更为准确、安全,适合在控制系统设计和验证过程中使用。     

考虑不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲分析模型验证方法

复合材料加筋壁板在结构轻量化设计中，由于材料组分、几何尺寸具有不确定性，导致了壁板结构在服役条件下承载特性的不确定性。针对上述问题，提出了一种考虑参数不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲模型验证方法。首先基于正交试验设计方法进行了不确定性参数的显著性分析，然后采用Kriging模型构建了能够表征后屈曲特性的代理模型，利用蒙特卡洛随机模拟获得加筋壁板后屈曲载荷概率分布，最后通过壁板结构在典型承载条件下的力学实验数据验证了分析模型的准确性。该分析方法对于壁板件在实际工程中的应用具有一定指导意义。     

飞机结冰的不确定性量化研究进展

为深入认识影响飞机结冰的不确定性及其研究方法,从自然条件结冰、冰风洞试验、数值模拟等方面,介绍了飞机结冰不确定性来源,以蒙特卡洛法、多项式混沌法和随机配置法等为例,系统分析了各种不确定性量化方法在计算能力、求解精度等方面的优劣。考虑飞机结冰不确定性量化处于起步时期,重点综述了数值模拟中结冰条件不确定性对冰形和气动特性的影响。从结合单步法和多步法确定最佳结冰时间步长来提升结冰计算精度和效率、对其他关键部件进行结冰不确定性量化从而为更精细化的防/除冰系统的设计提供支撑,以及通过建立高精度的代理模型来代替原本复杂的数值模拟系统以应对考虑多个不确定性因素共同作用所带来的计算挑战等多个方面,全面展望不确定性量化方法及其在飞机结冰应用中的发展方向。     

基于小位移旋量的旋翼系统公差建模及分析

直升机的振动问题与加工制造技术紧密相关,降低制造误差可有效减小直升机的振动。为了分析直升机旋翼系统的几何回转精度,基于小位移旋量对零部件装配路径上的关键公差进行建模,通过齐次坐标变换方法对闭环链路上的误差传递进行分析,得到旋翼系统几何回转精度模型;在此基础上,与蒙特卡洛仿真相结合,对旋翼系统的实例模型进行分析。结果表明：旋翼桨叶根部在空间内的变动范围近似呈椭球形变化,在旋转过程中存在复杂的波动情况,桨叶根部在桨盘平面内的径向波动误差约为 0.58%,在垂直桨盘平面方向的波动相对较大,约为 0.89%。