基于三维激光扫描的涡轮叶片高温模态测试技术

提出了基于三维激光扫描技术的发动机涡轮叶片高温模态测试技术,实现了在最高900 ℃的高温环境下的涡轮叶片模态测试。设计了一套高温环境模拟装置,实现了不同温度环境的模拟,基于振动台基础激励技术和三维激光扫描技术,建立了不同温度环境下的涡轮叶片三维测试模型,获取了准确的模态振型、模态频率等参数,验证了方法的可行性。分析结果显示:温度升高会导致涡轮叶片固有频率下降,900 ℃较常温环境1阶频率下降约6%,叶尖振型因热应力产生轻微畸变。      

复合材料机翼结构动力学分析

针对飞机在飞行过程中复杂的振动情况,使用ANSYS软件对复合材料机翼进行有限元建模,合理布置复合材料铺层,通过比较复合材料机翼与金属机翼模态计算结果,发现复合材料机翼的各阶频率高于金属结构,并对比不同铺层角的模态分析结果,发现铺层角不仅影响结构的模态频率,对振型也有很大的影响。考虑一定工况条件下的垂直突风载荷作用,对机翼结构进行动力学分析。结果表明,在载荷作用的时间范围内,观测点的运动参数均随时间呈简谐运动的变化规律,且其运动周期恰好等于结构一阶模态频率。     

一种摆式加速度计结构模态分析

利用ANSYS软件对一种单轴摆式加速度计的结构进行了有限元分析,得出了各阶模态下加速度计结构的固有频率和振型,找到了处于该型加速度计通频带之内的模态频率。然后,对加速度计进行了结构优化,使各阶模态频率处于通频带之外,为加速度计的结构改进提供了理论依据。     

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

考虑气动热的机翼颤振特性分析

为研究气动热对高超音速飞行器气动弹性特性的影响,首先对小展弦比机翼施加不同温度场,通过热应力分析理论获得不同温度载荷下机翼的热模态,然后应用二阶活塞理论计算非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振计算。计算结果表明,气动加热后结构的模态特性和颤振特性均发生变化,由于温度效应降低了各阶固有频率,并且改变了它们之间的差距,从而导致机翼颤振速度降低。     

无轴承式旋翼桨叶固有振动特性分析

利用传递矩阵法,研究了无轴承式旋翼桨叶的固有振动特性,计算出了套管根部固支约束和弹簧约束时旋翼振动的固有频率,并给出了套管根部变距/摆振耦合对固有频率的影响,同时也研究了不同的模型参数对固有频率的影响,最后给出了根部弹簧约束时的部分模态振型.结果表明,套管根部变距/摆振耦合对固有频率影响不大,总距角对各阶模态频率影响比...     

飞机液压系统管道模态分析与实验验证

针对飞机液压系统试验台的空间管道,提出了一种分析空间管路系统三维振动特性的方法,利用锤击法沿三个方向对其进行实验模态分析,得到各个方向的固有频率,使用Pro-E软件建模,导入Ansys Workbench有限元软件中;对模型进行模态分析,得到模型的各阶固有频率及其对应的各阶振型;通过与实验模态分析结果的比较,验证了模拟计算的各阶振型的正确性,同时分清管路系统在各方向上的振动固有频率和振型,为进一步分析管路系统在外部激励下所引起的振动提供了思路。     

涡轮导向叶片热冲击数值模拟研究

研究热冲击作用下涡轮导向叶片的热应力及振动模态,旨在从热-结构影响角度揭示静子叶片损伤机理,对其热疲劳寿命分析及抗热疲劳设计具有重要意义。基于瞬态热/流耦合理论,采用有限元/边界元方法,实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算,在此基础上求解出叶片的热应力及振动模态。研究表明,采用瞬态流/热耦合可以有效预测叶片的温度分布,其结果与试验误差为6%;依据计算所得热应力及模态振型,可以推断出叶片出现热损伤的位置,且与实验结果吻合较好;根据数值模拟结果,固有频率随温度的升高而下降,前六阶频率平均下降24.7%。     

细长体飞行器自由边界热模态试验与仿真

随着耐热承载一体化材料在新型高超声速飞行器上的应用,承力结构的工作温度不断提高,各类热模态特性逐渐得到关注。针对非平面形状的细长体飞行器自由边界条件下的热模态特性开展了研究。通过研究模拟气动加热条件的圆筒形加热笼、模拟自由边界的耐高温柔性支撑、非接触激光多普勒测振、耐高温激振杆激励等试验方法,获得了细长体结构自由边界条件下随温度变化的前3阶模态变化情况。结果表明：对此类薄壁长圆筒类结构,温度升高对模态频率影响可以超过6 Hz。开展有限元仿真,并与试验取得的热模态结果的变化规律进行对比。结果表明：建立考虑温度对结构弹性模量、热应力影响的壳单元模型,能够较好地预测出前3阶模态频率在全部受热时间范围内的最大下降量,可为高超声速飞行器控制系统设计时的拉偏范围提供参考。     

飞机高温高压空气导管的振动特性研究

在分析某大型客机环境控制系统的配平子系统的基础上,基于有限元软件Patran和Nastran建立了配平系统的空气导管有限元分析模型,选用Lanczos算法,对管系进行动力学模态分析,获得了系统前五阶的频率和振型.同时,考察了气体热力学参数和球形接头作动力学参数对空气导管动力学模态特性的影响.结果表明:从频率上看,配平系统Part1在45Hz以下谐振模态分布密集.从振型上看,球形接头和滑动接头处的振型变化幅度较大;从动力学特性的影响因素来看,配平系统空气导管管系的固有频率随管内温度的增加而递减,随管内压力的增加而增加;球形接头起动力矩和刚度增大会增加各阶的固有频率.研究工作对于我国大型客机空气导管系统的可靠性设计具有参考价值.     

复合材料曲板缺陷及安装误差对屈曲性能的影响

复合材料曲板的屈曲行为对缺陷十分敏感,研究数值模拟及试验中缺陷对屈曲性能的影响对复合材料曲板的工程应用具有重要意义。应用数值模拟方法研究了常见典型缺陷及缺陷所引起的安装误差对复合材料曲板屈曲性能的影响。建立了理想曲板模型和考虑安装误差的含缺陷曲板模型,缺陷类型包括复合材料曲板在制造过程中易产生的缺陷,如倾斜、厚度不均、翘曲。计算了模型在轴压载荷下的屈曲载荷及应变分布情况,并将含缺陷模型计算结果与理想模型进行比较。研究表明：倾斜对受载曲板的应变分布改变较大,会使试验件屈曲载荷大幅下降;翘曲对受载曲板的应变分布影响不大但会使试验件屈曲载荷大幅下降;厚度不均的缺陷对曲板屈曲性能影响较小。与含典型缺陷的曲板轴压试验结果对比,试验结果与理论研究结果一致。     

典型航空电连接器接触件动态性能仿真分析

通过有限元仿真分析,确定电连接器接触件在受到外部振动、冲击载荷和温度载荷作用下的响应。在对接触件合理简化的基础上建立了静力学模型、基于 Hertz理论的接触力学模型和振动力学模型。建立了接触件有限元仿真模型,通过插拔分析、模态分析、谐响应分析、随机振动分析和热-结构耦合分析,确定了不同载荷和工况下的接触状态、变形、应力和轴向滑移量。结果表明,接触件的固有频率较高,在正常工况下不会发生共振问题,但接触界面在振动和高温作用下可发生微米级的相对滑移,而且振动载荷对径向变形的影响要高于轴向变形,温差作用下的滑移量比振动条件下更大。     

碳／碳复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的动态响应

高速飞行器中大量使用复合材料薄壁结构,高温和强噪声联合作用的工作环境使复合材料薄壁结构表现出强非线性振动响应特性和复杂的运动形式。以四边固支碳／碳（C／C）复合材料薄壁结构为研究对象,采用有限元法计算了其在不同温度和声压级（SPL）组合下的振动响应。得到了典型的振动响应运动形式,包括屈曲前的随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。结合振动响应的概率密度、功率谱密度,随着温度和声压级的变化,对振动响应的非线性特性进行了分析。结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同,强噪声载荷引起的问歇跳变降低了结构的刚度。     

弹性空腔流致噪声/结构振动特性试验

高速空腔中经常存在高强度且多频率分量的流致噪声,空腔噪声与结构振动之间耦合效应严重,甚至可能发生结构共振。为此,在0.6m×0.6m高速风洞中,通过调整空腔底板厚度,改变其结构固有频率,模拟空腔流致噪声/振动相互作用。利用脉动压力和振动加速度测试技术,获取亚跨声速条件下,弹性空腔流致噪声特性及其结构振动响应特性。马赫数变化范围为0.6~1.2。结果表明,当振动强度较弱时,结构振动对空腔噪声影响较小,而空腔噪声对结构振动影响较大,在噪声载荷主频位置,振动谱出现峰值并且噪声/振动相关性达到最强;此外,空腔结构振动还与其固有频率特性密切相关,振动主要以低阶模态为主。     

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。     

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

复合材料层合板振动数值仿真

从理论上讨论了一端固支弹性矩形薄板自由振动频率的求解问题。在MSC．Patran中建立复合材料层合板的有限元分析模型,用MSC．Nastran计算得到自由振动的固有频率和基本振型,结果与试验数据对比,吻合很好,说明采取的数值仿真方法可用于工程设计计算。     

航空发动机外部管路的结构与动力学特征参数分析

针对航空发动机外部管路系统的动力学设计需求,采用理论计算与试验测试相结合的方法研究管路系统的关键设计参数及影响规律。研究结果表明:外径、跨度和弯曲角度是影响导管振动特性的主要结构与装配参数,随外径增大,导管基频提高;随跨度增大,基频降低;随弯曲角度增大,基频提高。而弯曲半径、壁厚和安装横向偏移对固有特性的影响很小,可不予考虑。导管充液后,各阶模态频率会略有降低,液体密度越大,影响越大;而流体压力和速度对模态特性影响很小,可不予考虑。     

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。