含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

气密机身纵向裂纹非线性鼓胀因子数值研究

为了研究不同几何参数包括壳半径、壳壁厚度和裂纹长度对鼓胀因子的影响,应用有限元软件ABAQUS,通过几何非线性有限元分析,计算含纵向裂纹无加强柱形壳鼓胀因子的数值,并与现有的经验公式进行对比,同时讨论双轴载荷比对鼓胀因子的影响。结果表明:大部分几何参数对鼓胀因子的数值有显著影响;现有经验公式存在局限性;当双轴载荷比从0.5增长到1.0时,鼓胀影响降低了约20%;当双轴载荷比从0.5降低到0时,鼓胀影响增加了约28%。     

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirchhoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明：健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。     

高速旋转发动机叶片模型的断裂力学分析

建立了带裂纹平板叶片的断裂力学模型.首先由已知参考均布载荷下的应力强度因子,得到了带裂纹叶片的权函数;然后根据权函数思想,推导出了高速旋转叶片裂纹尖端处的应力强度因子公式;最后,由断裂准则给出了叶片飞断时临界转速的估算方法.算例研究表明,裂纹的深度和位置对裂纹尖端处的应力强度因子和叶片飞断时的临界转速有很大的影响.      

非对称转子支承系统动力分析的约束模态减缩方法

为了对3D有限元模拟的非对称转子支承系统进行减缩,基于模态减缩理论,提出了一种高效率、高精度的约束模态减缩方法。对约束模态减缩方法的概念及原理进行介绍,并给出非对称转子支承周期时变系统运动微分方程的约束模态减缩形式;以简单非对称转子支承系统的模态特性分析为例,对提出的模型减缩方法的精度进行研究。研究表明约束模态减缩方法的减缩精度,主要受模态截断阶次和约束因子两个因素影响。约束因子在0.01 ~ 0.1之间取值时,此模型减缩方法具有很高的减缩精度。     

齿轮传动系统动态特性分析

针对圆柱直齿轮副的模态和动态响应问题,利用有限元软件进行分析。首先在UG中建立圆柱齿轮副的三维实体模型,并导入有限元软件patran中,建立起有限元模型。然后通过模态分析得出前20阶固有频率及相应主振型,模态结果表明了从动轮固有频率较低,较易产生共振;在模态分析的基础上,对齿轮副进行了动力学瞬态响应分析,结果显示结构在工作冲击载荷作用下不易发生破坏。     

Effects of Initial Stress and Internal Liquid on Flutter Analysis of Cylindrical Shell

为了研究预应力和液体对圆柱壳颤振的影响,采用杂交元方法,建立了圆柱壳的气动弹性方程.由Sanders薄壳理论和经典有限元理论,从壳的精确解推导节点位移函数人手,并由一阶活塞理论得到结构的气动阻尼矩阵和刚度矩阵,最终推导出考虑预应力和内部液体影响的圆柱壳的混合有限元公式和气动弹性方程.通过特征值法验证了此种有限元方法的正确性,并重点研究了预应力和内部注有液体对圆柱壳稳定性的影响.计算结果表明:预应力和液体对圆柱壳的颤振特性有显著的影响.     

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明：该算法的计算结果与实验测试值误差最大为369%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于001%,而对模态损耗因子影响最大为10947%。     

一种离心甩油盘雾化性能的试验

在离心甩油盘性能试验器上对一种离心甩油盘雾化性能进行了较详细的试验研究,用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了不同转速下甩油盘的燃油雾化粒度索太尔平均直径(SMD)、雾化锥角等性能参数.试验结果表明:在试验转速范围内,随甩油盘转速增大,甩油盘雾化锥角α逐渐减少; 随甩油盘转速增大,雾化粒度SMD值逐渐减少,当甩油盘转速大于25000r/min时,燃油的SMD值基本保持不变; 在同一甩油盘转速下,燃油的SMD值随离甩油盘喷油孔距离的增大而增大.      

矩形截面高超声速进气道高焓风洞实验

对设计工作马赫数为4.5~6.5的矩形截面高超声速进气道进行了马赫数为6,5及4的高焓风洞实验研究,获得了进气道在不同反压下的性能参数及沿程静压分布.实验结果显示,设计状态下(Ma=6,α=0°),进气道的流量系数和总压恢复系数分别为0.97和0.41,增压比约为来流静压的35倍,隔离段出口马赫数不大于2.6;最大承受反压不小于来流静压的114.5倍.研究还发现,反压升高引起的激波串可停留在内压段,且不影响进气道的流量捕获;当Ma=5,α=0°时,进气道的流量系数不低于0.77,总压恢复系数在0.49~0.67之间.设计工作马赫数及攻角范围内,进气道内未发现明显的流动分离,均可正常起动工作.      

阻尼陀螺系统动力响应的有限元复模态分析方法

采用复模态分析方法研究了陀螺系统及具有粘性阻尼的陀螺系统的动力响应及其数值分析方法,提出了陀螺模态阻尼比的概念,实现了利用有限元结构分析软件对诸如薄壁旋转轴和转动薄壁壳体等各类形式的复杂旋转薄壁结构进行动力特性分析的目的,讨论了不同条件(单点旋转简谐激励和沿圆周呈周波型分布的激励)条件下转动薄壁壳体结构的行波振动特点.      

粘弹减摆器几何耦合模型及对直升机悬停空中共振的影响.

针对具有几何耦合的非线性粘弹减摆器，在旋转坐标系下建立了其在平衡位置附近的小扰动微分方程，然后通过多桨叶坐标转换的方法将方程变换到不转坐标系中，并与直升机悬停时的线化小扰动方程结合起来进行特征值分析；减摆器静态位移和几何耦合对直升机空中共振稳定性的影响进行了分析。结果表明，粘弹减摆器会提高直升机空中共振稳定性；增大减摆器的静态位移会降低其有效阻尼；对于所考虑的旋翼系统来说，几何耦合可能会减小减摆器的静态位移，从而提高摆振后通型模态的阻尼。     

不同工况下高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性分析

根据建立的高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学数值仿真模型,以某仪表轴承支承的转子系统为算例,分析了考虑转子振动与否对系统动力学性能的影响,并详细探究了轴向载荷以及转速对转子振动、轴承内部载荷分布及旋滚比、保持架的受力和质心运动以及磨损情况的影响.结果表明:考虑转子振动时,在纯轴向载荷下,轴承各位置处的球载荷也会存在差...     

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。     

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。     

基于权函数法的应力强度因子计算和断裂评估

仅利用一个参考载荷,建立一种近似公式来计算共线裂纹和中心裂纹的张开位移。通过该方法确定的裂纹面张开位移及其偏导与精确解之间吻合良好。该方法将中心裂纹的权函数计算模型简化为形状因子和裂纹面张开位移偏导之间的积分。基于权函数法,研究了带中心裂纹的旋转叶片的应力强度因子与裂纹长度、位置、转速及转动加速度之间的关系。结果发现:应力强度因子随着裂纹长度的增加和裂纹与旋转轴间距的减小而增大;转动加速度对应力强度因子的影响较小;转速的增大会使应力强度因子增大。在断裂力学理论的基础上,建立了断裂控制准则,计算表明叶片的临界转速随着裂纹长度的增加而降低。     

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

旋转畸变对模态波发展过程影响试验

为探究"危险频率"的物理机制,设计了旋转畸变发生器,对旋转畸变条件下两级低速轴流压气机的失速起始过程进行了试验研究.结果表明:该旋转畸变发生器在不同转速下均能输出类方波状的总压分布.旋转畸变导致压气机总静压升特性下降和稳定裕度损失,并且存在使压气机稳定裕度损失最大的畸变旋转频率.失速起始过程中模态波产生于畸变区,传播到非畸变区时会受到抑制.当畸变旋转频率等于模态波的传播频率时,模态波发展为旋转失速所需的时间最短,压气机稳定裕度损失最大.对失速起始信号的时频分析显示"危险频率"在数值上等于模态波的传播频率.     

常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性

研究了常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性.考虑裂纹单元截面中性轴的时变特性,推导了裂纹转子的刚度矩阵,考虑重力及不平衡激励,采用有限元法建立了常开空心轴裂纹转子系统的动力学方程.采用谐波平衡法对方程进行求解,给出了不同裂纹深度下的三维幅频图,表明在临界转速和亚临界转速处均有峰值出现;分析了裂纹深度、裂纹位置对该系统的临界转速的影响,表明位于跨中靠近惯性量较大圆盘的深裂纹对常开空心轴裂纹转子系统的影响大,临界转速下降快;计算了该系统在亚临界转速时的非线性振动响应,结果表明:亚临界转速下常开空心轴裂纹转子系统会发生超谐共振现象.所提出的空心轴裂纹的建模方法为航空发动机转子系统裂纹故障的非线性动力学分析提供了理论指导.