基于波动耦合的复杂结构动力响应分析与研究

有限元法(FEM)适合低频分析,统计能量分析(SEA)方法适合高频分析,而一类较宽频带(中频段)的声振响应问题不适合单独用FEM或SEA方法解决。基于波动耦合的混合FE-SEA方法兼顾了FEM与SEA方法的优点,可预测中频段含一定不确定性的声振系统的稳态响应。本文阐释了混合FE-SEA方法的理论,分别通过典型结构的蒙特卡罗仿真与复杂系统的噪声试验两案例对该方法进行了验证,其中梁-板典型结构能量响应计算值与蒙特卡罗仿真值具有较好的一致性;复杂飞行器系统的振动响应与试验结果较为吻合,舱内噪声声压级(SPL)误差小于3dB,证明了混合FESEA方法的有效性,解决了FEM与SEA方法在中频复杂声振响应中的局限性这一问题。     

转动薄壁圆柱筒振动特性:有限元法与解析解的对比

采用解析法和有限元法,研究了科氏力和离心刚化效应对不同约束条件下转动薄壁圆柱筒结构振动特性的影响,并进行了对比分析.结果表明,与解析解相比,有限元法计算得到的静止状态薄壁圆柱筒结构固有频率因边界条件不同而存在不同的差异,其中两端简支边界条件下与解析解吻合较好.随转速增加,前后行波频率差值加大,曲线明显分离,而这种分离趋势随周向波数的增大而减小.由于离心刚化效应的存在,相比于只考虑科氏力的影响,转动薄壁圆柱筒的行波频率有增大的趋势,并且当转速和周向波数较大时,前后行波频率均会大于对应的静频率.      

Enhanced wave and finite element method for wave propagation and forced response prediction in periodic piezoelectric structures

As a promising numerical tool of structural dynamics in mid-and high frequencies, the wave and finite element method (WFEM) is receiving increasingly attention and applications. In this paper, an enhanced WFEM has been developed with a reduced model and a new eigenvalue scheme. The reduced model is applicable for structures with piezoelectric shunts or local dampers;the new eigenvalue scheme can mitigate the ill-conditioning when the wave basis is calculated. The enhanced WFEM is applied to a thin-wall structure with periodically distributed piezoelectric mate-rials (PZT). Both free wave characteristics and forced response are analyzed and the influences of the suggested enhancements are presented. It is shown that if the control factors are properly cho-sen, these enhancements can improve the accuracy while accelerating the calculation. Resulting from the complexity of the application, these enhancements are not optional but imperative.     

航空发动机高速锥齿轮瞬态动力学分析与试验研究

针对航空发动机中央传动锥齿轮由行波共振引起的掉块故障,采用瞬态接触动力学分析方法与试验验证相结合的手段,对行波共振发生时从动锥齿轮的共振特性和应力分布开展研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验,研究中央传动锥齿轮行波共振特性,获取了从动锥齿轮行波共振动频、危险转速以及破坏断裂特征。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:试验中出现三节径共振皆是前行波共振,四节径共振是后行波共振;三节径共振危险转速范围为74.2%～76.2%,四节径共振危险转速范围为102.8%～104.2%。数值仿真与试验测试中结构静频值具有一致性,三节径误差小于2%,四节径误差小于5%,验证了仿真计算模型的准确性。仿真计算四节径行波共振时从动锥齿轮齿根处和辐板应力集中,应力分布形式与齿轮故障复现试验断裂形式基本一致,辐板正面应力值大小与试验结果基本吻合,误差在0.5%～9.5%,满足工程级应力预测要求,验证了瞬态接触动力学分析方法对齿轮行波共振应力预测的有效性。试验表明该齿轮结构是否存在初始缺陷是发生齿轮断裂故障的重要因素之一。     

Guided wave propagation analysis in stiffened panel using time-domain spectral finite element method

Stiffened panels have been widely utilized in fuselages and wings as critical load-bearing components. These structures are prone to be damaged under long-term and extreme loads, and their health monitoring has been a common concern. The guided wave-based monitoring method is regarded as an efficient approach to detect the damage in stiffened plates because of its wide monitoring range and high sensitivity to micro-damage. Efficient simulation of wave propagation can theoretically demonstrate the detection mechanism of the method. In this study, a Time-Domain Spectral Finite Element Method (TD-SFEM) is adopted to study the wavefield in stiffened plates, where continuous Absorbing Layers with Increasing Damping (ALID) strategy is proposed to circumvent the disturbance of reflected waves on boundaries. After the convergence analysis, the developed TD-SFEM with ALID is validated by the finite element method first. Then, wave scattering and the influence of the stiffener are investigated in detail by comparing the results with the non-stiffened structure. Finally, the effects of the parameters of the stiffener, such as the height and width, on wave propagation are studied, respectively. The results illustrate that the proposed TD-SFEM with ALID is an efficient approach to study the wave propagation in the stiffened plate and can reveal the mechanism of influence of the stiffener. It is found that the height of the stiffener changes the interference of wavefield in the plate, while the effects of the width are mainly in wave scattering and mode conversion.     

热声载荷下薄壁开孔结构振动响应与寿命预估

金属薄壁开孔结构在强热声载荷下,表现出大挠度强非线性响应特性,疲劳寿命缩短。基于时域的基础上,利用有限元法(FEM)结合降阶模态法(ROM)获取4边固支开孔薄板在不同热、声载荷组合下的位移和应力的动态响应,并进行响应时间历程和功率谱(PSD)的统计分析。采用雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明:屈曲后的位移响应由热声载荷的相对强弱决定。此外,屈曲前结构随热、声载荷的增加,寿命缩短。屈曲后,持续跳变使得结构的寿命缩至最短;进入间歇跳变区域,间歇时间短的跳变要比间歇时间长的跳变造成的结构损伤大,即快频跳变引起的损伤更大。跳变结束后,随着温度的升高,寿命先延长后缩短。     

高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%~2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%~3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3~3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。      

基于神经网络的翼盒结构响应重构方法应用

翼盒结构复杂，航行中承载条件恶劣，利用有限测点信息重构其它位置响应对于实时健康监测具有很强的现实意义。通过误差反向传播神经网络训练得到响应之间的非线性关系，建立基于神经网络的响应重构方法，开展有限元分析对其进行数值仿真验证，并将该方法应用于实测随机激励环境下翼盒典型承力结构的响应重构及损伤定位与判断分析。结果表明：采用该方法重构出的预测响应功率谱密度的均方根相对误差不超过1.90 dB，主要频点误差小于10%；判断出翼盒关键测点e 的损伤或故障发生在所截取片段数据3 s 后，其故障特征频率为240 Hz 左右，该方法应用于响应重构预示及健康监测分析具有可行性。     

半球谐振陀螺全角模式信号处理控制方法

介绍了在信号处理的过程中,施加对波腹点、波节点的控制以及谐振频率实时跟踪,从而在谐振振型实时进动的情况下保证谐振振型的稳定,降低陀螺敏感误差;同时对两路相互正交的谐振子谐振信号进行提取和信号处理,得到谐振滞后角度以及陀螺所在载体的转动角度。对该方法进行了数值建模仿真,验证了该方法的可行性。     

抗混叠时频域融合算法及在叶片响应分析中的应用

为解决现有的时频域融合算法中反复使用快速傅里叶变换而出现频谱混叠误差和频谱系数周期性重复的问题,采用快速抗混叠傅里叶变换取代原有的快速傅里叶变换,从计算精度和效率两个方面对时频域融合算法进行改进.使用改进后的抗混叠时频域融合算法对某真实叶片的非线性强迫振动响应进行了计算,并与原算法的计算结果进行了比较.计算结果表明:抗混叠时频域融合算法在保证精度的前提下,计算速度约为原算法的4倍.该算法适合于有限元模型、精度要求高的非线性系统的动力学响应分析.      

喷丸强化残余应力场三维数值仿真分析

建立了喷丸强化三维有限元模型,实现了喷丸强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式动力分析各种能量变化过程,确定了显式分析求解时间选择方法;研究了喷丸速度、弹丸直径、入射角度及摩擦力等因素对喷丸残余应力场影响的一般规律,并与现有相关文献试验结论进行对比;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布及塑性应变分布特点;建立了不同数目的多丸粒喷丸强化三维有限元模型,研究不同覆盖率对残余应力场分布的影响规律。数值分析结果表明,喷丸速度、弹丸大小、入射角度对残余应力场分布有显著影响。冲击次数对残余应力幅值影响小,但等效塑性应变增加明显。喷丸覆盖率的增加会显著改变残余应力场,并使残余应力场分布更加均匀,但残余压应力幅值与喷丸覆盖率没有必然相关性。     

Tracking the Frequency Translation of a Sum of Orthogonal Sinusoids

The maximum likelihood approach is used to derive a method for estimating and tracking the frequency translation of a signal consisting of a sum of orthogonal sinusoids corrupted by additive white noise. The likelihood function is reduced to an equivalent statistic expressed in terms of the squared magnitude of the finite Fourier transform of the received signal. A function that generates an error signal for a frequency translation tracking loop is derived, and a method of generating the error signal using the discrete Fourier transform (DFT) of the received signal weighted by a linear ramp is suggested. Two noise-free examples are presented.     

中央传动锥齿轮行波共振特征精准识别试验研究

为了精准监测复杂工作环境下航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特征,并满足对试验器改装小和测试装置易安装的技术要求。建立了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法和基于替代法原理的动态特性标定方法,研制了导出式噪声测量系统和数字式闭环控制声喇叭行波管装置动态标定系统,解决了复杂环境下的齿轮行波共振声信号测量与数据修正的问题。完成了基于噪声和应力同步测试的某航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特性试验,对从动锥齿轮的行波共振频率、共振转速及节径振动声辐射量级进行了分析。研究结果表明：导出式噪声测量方法及系统和动态标定方法及系统有效提高了齿轮行波共振特性的测量精度,可实现高温高油雾环境下齿轮行波共振频率和共振转速的精准识别和有效监测,行波共振频率误差小于0.04%,共振转速误差小于0.005%。四节径后行波共振时的齿轮辐板振动辐射的声压能量是三节径前行波共振时的4.5倍,说明齿轮在高转速发生行波共振会更危险。     

电波折射误差实时修正的公式拟合方法

在实际工程应用中,为了提高雷达测量精度,电波折射误差的修正主要采用实时修正方法。本文给出了电波折射误差实时修正的公式拟合方法,该方法在实际应用中能够快速得到折射误差,从而提高了雷达测量精度。     

Passive Array Tracking of a Continuous Wave Transmitting Projectile

Differential Doppler measurements by a passive array are used to track an unstable continuous wave (CW) source moving in a ballistic trajectory, e.g., a projectile carrying a proximity fuse. The ballistic equations of motion couple frequency measurements at various sections along the track with the track parameters at any arbitrary time, e.g., at impact. A nonlinear weighted leastsquare method is used to estimate the track parameters, and the resulting error covariance matrix is derived. A numerical example demonstrates the relative contributions of various frequency measurements to the estimation accuracy.     

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

有限平板绕流Monte—Carlo方法仿真

本文采用直接仿真Monte-Carlo方法求解有限长平板绕流等问题。本方法是通过计算机跟踪仿真分子的运动来实现数值模拟的。仿真分子间的碰撞计算由统计抽样确定。碰撞模型分别选用了硬球分子模型和负幂律分子模型。仿真分子与固壁作用采用由完全扩散反射和镜面反射按比例混合组成的模型。为了检验方法的可靠性,还计算了激波结构和Rayleigh问题等一维流动,二维计算采用同步并行程序。数值结果表明直接仿真Monte-Carlo方法能够较好地模拟稀薄气体力学中的一些问题。对于二维计算,所花费的机时和所需的内存均在国内机器所允许的范围内。     

基于波形重构法的永磁电机电磁振动噪声计算研究

提出了基于波形重构法的径向气隙磁密和径向电磁力波解析计算方法,简化了永磁电机电磁振动和噪声(EVAN)的计算过程,解决了永磁电机径向电磁力波计算较为复杂的难题。首先介绍了波形重构法计算永磁电机EVAN的理论依据。然后,以1台永磁电机为例,详细介绍了运用波形重构法计算永磁电机电磁振动噪声的具体步骤。最后,对电机EVAN进行多物理场有限元仿真,将波形重构法计算结果与有限元仿真结果对比,在误差允许范围内二者的计算结果具有一致性,由此验证了波形重构法计算电机EVAN的准确性。     

基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

复合材料在航空结构中的应用越来越广,但其遭受外界物体冲击后很容易在内部产生表面不可见损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线监测十分必要。基于压电传感器（PTZ）和Lamb波的冲击定位方法是目前的研究热点,但是Lamb波信号在复合材料结构中传播的各向异性给冲击定位带来了困难。本文将空间滤波器算法推广到复合材料结构的冲击监测应用中,研究了与波速无关的空间滤波器冲击定位原理,提出了基于二维线性压电传感器阵列和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法。该方法首先采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波解析信号;然后利用波速无关的空间滤波器算法计算出结构冲击相对于各条线性压电传感器阵列的角度;最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。验证结果表明：该方法可以实现对复合材料结构的冲击进行不依赖信号传播速度的定位,定位误差小于1 cm。     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度,而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构,有限元分析网格数量巨大;叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析,也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法,在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析,与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%,计算机时减少99%,证明简化方法和计算方法的有效性。