基于NUIO的无人机作动器故障检测

针对受未知气流干扰与随机噪声影响的无人机纵向系统进行作动器故障检测研究.在建立固定翼式无人机非线性系统纵向模型的基础上,设计了基于容积卡尔曼滤波(CKF)的非线性未知输入观测器(NUIO).通过构造未知输入观测器结构来解耦未知气流干扰对残差的影响,同时,CKF被算法用于求解观测器增益矩阵,实现了在未知气流干扰解耦情况下残差对随机噪声的鲁棒性.最后,利用残差χ2检验方法判断故障是否发生.仿真结果表明:此方法能有效解耦未知干扰对残差的影响,并快速、准确地检测出了无人机作动器故障.      

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.      

基于传递函数特征的机械结构故障诊断方法新进展

故障诊断对估计机械结构的健康状态非常重要,诊断方法一直以来也是研究的热点问题。与其他故障诊断方法相比,基于传递函数的故障诊断方法操作简单,提供的故障特征和指示因子也更加灵敏有效。根据所利用的线性传递函数或非线性传递函数的类型不同、基于传递函数的故障诊断方法目前大概有4类,即一般线性方法、一般非线性方法、基于广义频响函数（GFRF）方法和基于二阶输出频谱（SOOS）方法。本文旨在对各种基于传递函数的故障诊断方法研究进展进行梳理,通过带阻尼弹簧单元的多自由度模型解释各种方法的基本原理和操作流程,通过具体的仿卫星结构中螺栓松动故障实验比较各种方法的优缺点,探讨现有故障指示因子灵敏度的提高方式及现有方法在其他复杂机械结构中的运用前景。     

Micro-mechanical model for predicting the elasto-plastic behavior of composites based on secant formulation method

To predict the Elasto-Plastic Behaviors (EPBs) of aligned inclusions reinforced composites, this paper develops an interpolative Mori-Tanaka/Double-Inclusion (MT-DI) homogenization model with the secant formulation, and gives the numerical implementation algorithms of the developed MT-DI model with the secant formulation. The Finite Element (FE) homogenization method is implemented to provide the “exact” EPBs of the composites and thus validate the MT-DI model with the secant formulation. The MT-DI model with the 2nd-order secant formulation is validated to provide the more accurate predictions, while the MT-DI model with the 1st-order secant formulation always gives the stiffer predictions. The results show that using the macro-stress and macro-strain as the inputs, the MT-DI model with the secant formulation gives the identical predictions. The predictions of the MT-DI model with the secant formulation vary between those of the MT and DI models with the secant formulation. Meanwhile, the MT-DI model with the secant formulation does not predict the accurate EPBs for the phases of the composites.     

姿态角幅值约束下的太阳帆Lissajous轨道保持控制

太阳帆航天器以两姿态角作为轨道控制输入时, 其轨道动力学方程具有非仿射非线性特性. 通过人工平动点处线性化获得的线性系统可完成太阳帆航天器轨道保持控制器的分析与设计. 由于线性近似模型为有误差模型, 存在近似有效范围约束, 表现为轨道高度约束和姿态角幅值约束. 本文研究了姿态角幅值约束对线性近似模型有效性的影响, 通过计算给出满足近似误差要求的姿态角幅值约束. 当控制输入存在幅值约束时, 控制器轨道修正能力受到束缚. 通过研究姿态角幅值约束下的最大允许入轨误差, 设计了最大允许入轨误差下线性二次型调节器(LQR)用于轨道保持控制, 并将控制器应用于太阳帆日地三体系统非线性模型中, 实现了日地人工L₁点Lissajous轨道最大允许入轨误差的控制收敛和良好精度下的轨道保持控制.      

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

金属橡胶刚度阻尼模型理论分析

针对金属橡胶构件加工工艺特点,以金属丝螺旋卷为金属橡胶构件的微元体结构.根据金属丝螺旋卷之间不同的接触状态,以圆柱压缩螺旋弹簧理论为基础,基于材料力学和库仑摩擦模型,考虑摩擦力的影响,建立金属丝螺旋卷微元体结构的力学模型.通过对微元体接触状态和接触对数目的分析,从理论上解释了金属橡胶的非线性刚度及阻尼产生的机理.该模型从细观的金属丝螺旋卷微元体上描述了金属橡胶迟滞特性的物理本质,为预测和分析金属橡胶的刚度、阻尼特性和设计金属橡胶构件提供了有效的理论基础.      

单壁碳纳米管冲击吸能特性分析

碳纳米管的优异力学特性使其在冲击能量吸收方面存在潜在的应用前景,但纳米尺度的冲击验证实验却难以实现.应用分子结构力学、冲击动力学和纳米尺度有限元相结合的方法,研究了单壁碳纳米管受轴向冲击的吸能特性.使用ANSYS中APDL编程语言,建立了单壁碳纳米管的空间结构参数化模型;同时,采用修正的Morse原子势函数拟合了C-C共价键的本构方程.按照最大失效应变作为共价键断裂的判据,对比了长度、直径和手性对单壁碳纳米管冲击吸能的影响.结果表明:采用这种仿真方法可以动态呈现碳纳米管断裂的全过程,且能够证实单壁碳纳米管的比吸能远高于其他材质类似管状结构,其中,锯齿型碳纳米管的吸能特性又好于扶手椅型.      

搭接连接系统的非线性振动分析

针对航空航天结构中典型的搭接连接系统,基于改进的Iwan迟滞非线性模型研究系统的非线性振动特性。采用谐波平衡法对系统稳态阶段响应求解,获得了系统的一阶谐波和三阶谐波近似解,并和数值积分解进行对比。分别研究了系统在谐波激励下的稳态解和瞬态解。结果表明,谐波平衡法获得的近似解与数值解吻合较好;谐波激励下系统的稳态响应具有软化非线性但不生跳跃的特点;瞬态响应中,等效系统固有频率随幅值降低而降低,响应信号中包含偶数倍高阶谐波分量。