Nonlinear modal electromechanical coupling factor for piezoelectric structures containing nonlinearities

Within the linear framework, the Modal Electromechanical Coupling Factor (MEMCF) is an important indicator to quantify the dynamic conversion of mechanical energy and electrical energy of piezoelectric structures. It is also an important tool to guide the piezoelectric damping design of linear structures. Advanced aircraft often fly in maneuvers, and the variable working conditions induce drastic changes in the load level on structures. Geometric and contact nonlinearities of thin-walled structures and joint structures are often activated. To achieve a good vibration reduction effect covering all working conditions, one cannot directly use linear electromechanical coupling theory to instruct the piezoelectric damping design for nonlinear structures. Therefore, this paper defines the Nonlinear Modal Electromechanical Coupling Factor (NMEMCF) and proposes the corresponding numerical method for the first time to quantitatively evaluate the electromechanical coupling capability of nonlinear piezoelectric structures. Three candidate definitions of the NMEMCF are given, including two frequency definitions and one energy definition. The energy definition is the most promising one. It is not only applicable to both conservative and dissipative nonlinear structures but also compatible with the linear MEMCF. In addition, based on the energy formula, the NMEMCF can be obtained by only performing one nonlinear modal analysis in the open-circuit state. The analytical findings and the numerical tool are validated against two piezoelectric structures with different types of nonlinearities. A strong correlation among the NMEMCF, geometric parameters, and energy dissipation is observed. The results confirm that the proposed NMEMCF captures the physics of the electromechanical coupling phenomenon associated with nonlinear piezoelectric structures and can be used as an essential design indicator of piezoelectric damping, especially for variable working conditions.     

连续突变管道流动局部水头损失建模研究

管道系统中设置的阀门、限流环等十分常见,装备限流装置的管道本质就是典型的连续突变管道。突变管道流动存在十分明显的局部水头损失,因此工程设计人员在进行管道系统设计时不得不考虑因管道突变而产生的局部水头损失;目前针对单个突变管道流动局部水头损失已有较为深入的研究,并已推导出相应的计算模型,但对于连续突变管路的水头损失研究较少,工程设计中对于连续突变管路的局部水头损失计算采用基于单个突变管道水头损失的叠加计算法,由于连续突变管路流动为极其复杂的湍流,基于单个突变管道水头损失的叠加计算法而得到的连续突变管路的局部水头损失结果误差较大。鉴于此,采用理论推导与实验相结合的方法,设计四种不同管径比的管道以及23种不同进口流量工况,并以航空煤油为介质进行实验,利用实验结果进行分析并对传统的突变管道水头损失的叠加计算法进行修正,提出了连续突缩突扩管道的局部水头损失修正计算模型,其计算结果相比于传统计算方法在精度上得到了显著性提高,为工程管道系统设计中的连续突变管路局部水头损失计算提供了有力依据。     

射线透照等效系数测试方法分析

为获得不同透照电压下不同标准材料的射线透照等效系数,以50 kV 透照电压为例,以钛为标准 材料,揭示了同时透照法和图像法两种等效系数的测试方法。通过对同时透照法步骤及存在问题的分析,引入 了解决问题的阶梯扩展和厚度校正两种手段。在等效系数图像法的分析过程中,明确了曝光曲线种类和黑度 选取的原则,阐述了曝光曲线与图像法的关系,结合数学手段运用,获得了等效系数与透照电压相关,但不随曝 光量改变而变化的结论。     

轴系非线性振动解析模型研究

针对高速柔性轴系振动中线性与非线性的耦合作用，定义了非线性尺度因子ε，构建了轴系振动耦合作用模型.该模型拓展了经典线性模型的研究思路，重点探讨轴系的非线性响应.应用多尺度法推导了转子非线性振动的通频解析解的Fourier级数形式，同时给出了非线性固有频率和基频近似频响方程（FRE）.通过实验验证了同尺度条件下（ε=1），通频解析解及基频近似频响方程的非线性特性，以及解析耦合振动模型与通频解析解的合理性和有效性.      

广义有限元法计算飞机开口裂纹应力强度因子

机身开口圆角损伤可能逐渐形成裂纹从而严重影响飞机使用安全,为此对圆角裂纹进行剩余强度估算显得十分重要。使用Williams位移场广义有限元法进行裂尖单元加强,并对裂尖区域应用放射形网格划分技术,编写广义有限元法的MATLAB程序,研究并计算飞机舱门开口圆角裂纹的应力强度因子。结果表明：在裂纹分析上,广义有限元法较常规有限元法具有更好的适应性和更高的精度。     

一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6，需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6，效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

CFRP定心内齿槽的加工

以CFRP复合构件为研究对象,采用横刃减小的成形刀片对复合构件孔内定心齿槽进行加工试验,分析刀片横刃大小与走刀路径对切削力的影响规律。结果表明:刀片横刃的减小有利于切削力的降低,但横刃减小到0.5 mm时,切削力减小的趋势变缓;采用横刃为0.5 mm的刀片沿着齿槽轮廓一次进给完成齿槽加工的走刀方式,其单齿加工时间较短、切削力较小、加工质量较好,该种齿槽加工方案较为合理。     

高重合度外啮合齿轮齿根弯曲应力计算方法

针对高重合度外啮合直齿圆柱齿轮副,对其齿根弯曲应力计算方法进行了研究.计算了高重合度齿轮的轮齿变形和刚度,对单个轮齿承受的载荷进行了研究,给出了高重合度齿轮齿间载荷分配率的定义和计算方法.以高重合度齿轮的双齿啮合界点作为计算载荷的加载点,给出了高重合度齿轮齿根过渡曲线30°切线位置危险截面的双齿啮合区界点的齿形系数和应力集中系数计算方法,获得了齿根危险截面弯曲应力的计算公式；采用CL 100齿轮试验机,设计了不同重合度的外啮合齿轮副,测量了其齿根的弯曲应力数值,试验结果表明:在高载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于7.85%，从动轮的计算误差小于9.8%；低载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于24.1%，从动轮的计算误差小于19%.      

光纤陀螺标度因数及零偏温度误差补偿研究

首先分析了光纤陀螺产生温度误差的机理,在此基础上分别指出标度因数与零偏的误差补偿模型,提出了一种利用一组数据同时补偿标度因数及零偏的方法,直接表示输入与标度因数零偏补偿后的关系。最后通过实验验证了该方法不仅能够有效地补偿陀螺的温度误差,且其补偿精度优于原单独补偿的方法,同时该方法仅需一次温度实验,节省实验成本,具有较大的现实意义。     

基于空间三轴激光陀螺的恒速偏频寻北技术

激光陀螺特有的闭锁效应使得其在应用中必须采取偏频去锁的方法,速率偏频技术可以有效降低激光陀螺随机游走误差,提高测量精度。基于空间三轴激光陀螺自身特有的三轴正交斜置特性,采用恒速偏频方法,通过建立新的系统误差方程,引入刻度系数误差状态量,采用卡尔曼滤波方法实现了系统的高精度寻北。这种初始对准方法对准速度快,对准精度也有较大提高,5min寻北精度能达到90″(3σ)。