基于能量有限元法和虚拟模态综合法的高频冲击响应分析方法

为了分析结构受到高频冲击载荷激励后的瞬态响应,提出了一种基于能量有限元法（EFEM）和虚拟模态综合（VMSS）法的高频冲击响应分析方法。通过能量有限元法进行高频稳态分析,获得结构频响函数（FRF）的频段平均值,然后结合虚拟模态综合法得到虚拟模态振型系数,最后通过Duhamel积分获得结构在高频冲击载荷作用下的瞬态响应。对一简支梁模型进行算例分析,将本文方法的结果与传统有限元法（FEM）和统计能量法（SEA）的分析结果进行对比,验证了所提方法的有效性,也表明该方法具有模型简单、分析速度快等优点。     

液体火箭发动机喷管简化建模及模型修正

为了准确掌握喷管的动力学特性,提出了一种等效简化建模结合试验数据的模型修正方法。首先,将喷管的原始几何模型经过几何处理成简化模型,建立了喷管的有限元模型,对有限元模型在自由条件下进行模态计算,将得到的计算数据与测试数据对比分析,再利用测试数据对有限元模型的弹性模量参数进行修正,修正后的喷管有限元模型前9阶模态计算结果与测试结果频差在5%以内,MAC值(模态置信准则)在0.8以上。表明此方法是一种高效可行的喷管简化建模方法,既保证了精度又提高了计算效率,对其动力学特性分析、振动响应预测等方面具有重要应用价值,对于液体火箭发动机其他部件的动力学建模及分析也具有普适性。     

基于响应面法的Z型管道有限元模型参数修正与模态优化

针对Z型管道布局不合理而导致共振的问题,基于响应面法对Z型管道进行有限元模型修正以及模态优化。建立参数化的Z型管道振动仿真有限元模型;采用灵敏度分析方法,选取对模态影响较大的材料参数作为设计变量,通过拉丁超立方试验设计采集样本点,构造基于材料参数的响应面,通过多目标优化修正材料参数;利用修正后的有限元模型构造基于管道布局参数的响应面,通过多目标优化算法得到了使Z型管道前3阶固有频率远离共振频率的布局方案。     

某航空发动机机匣的动力学模型修正

利用动力学模型修正技术对某航空发动机机匣的有限元模型进行了修正.通过振动模态测试得到了实际机匣的模态数据用以作为有限元模型 修正的基准.利用频率对单元刚度的灵敏度分析选定了修正区域.在此基础上,应用1阶优化方法对机匣的有限元模型进行修正.研究结果表明:修正后机匣有限元模型的前10阶模态的计算值与实际测试的误差都在29%以内,可以应用在后续的发动机整机动力学分析等方面.      

基于运行模态分析的某民机低频固有特性研究

运行模态分析(Operational Modal Analysis,简称OMA)是一种基于环境激励的模态参数识别技术,是结构健康监测的重要手段。为了研究某民机在实际运行中的振动特性,在其滑跑过程中,利用加速度传感器采集飞机特定部位的振动响应信号。通过频域空间域分解(Frequency and Spatial Domain Decomposition,简称FSDD)的方法从响应信号中分析得到该民机特定低频模态。根据试验结果对计算模型进行修正,最终通过有限元分析(Finite Element Analysis,简称FEA)计算获得其全部低频模态。实践表明,将运行模态分析与有限元分析相结合,共同获取飞机在特定情况下的动力学特性的方法是可行的。     

阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法

 动力学相似的缩比模型试验中,阻尼往往难以保证相似,使得缩比模型的动响应测试数据难以直接换算到结构原型上,因此提出一种阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法来解决这一问题。该修正方法假定缩比模型的阻尼可用比例阻尼模型近似表征,并直接从实际缩比模型与理想缩比模型的一般强迫振动响应计算方程出发,利用线性系统的叠加原理和模态叠加法,将动响应修正量的求解转换为理想模型在一个等效附加激励力作用下的时域响应求解。同时,针对实际工程中响应测点数目有限的问题,利用模态缩聚法进行了未测量点的响应反演。该修正方法仅需已知结构原型和实际缩比模型的模态阻尼比,以及准确建立的实际缩比模型的质量矩阵和刚度矩阵,即可实现实际缩比模型在任意激励工况下的测试动响应修正。以某型飞机的翼梁缩比模型为研究对象,对所提出的响应修正方法进行了验证。试验和计算结果对比分析表明,修正后的响应功率谱密度(PSD)和响应的均方根(RMS)值与理想模型基本一致,表明了本文方法的可行性和有效性。     

结合面非线性特性对法兰螺栓连接动态性能的影响

为研究结合面非线性特性对法兰螺栓连接结构动态性能的影响,基于有限元分析与试验相结合的方法,首先,针对"L"型连接梁建立了完全bonded(绑定)、螺栓位置bonded和全摩擦三种模型并进行模态分析和动力学响应分析,研究发现后两种模型的结果比较接近且具有阻尼非线性特征。然后,建立了较复杂的薄壁机匣模型,研究了摩擦非线性和预紧力对其结构响应的影响,发现摩擦非线性因素对激励方向响应的影响较小,但对非激励方向响应的影响较大;加大预紧力可使完全bonded模型和全摩擦模型之间的误差减少到10%左右。最后,采用预应力模态法研究了结合面摩擦系数对薄壁机匣动力学特性的影响,结果表明摩擦系数对结构固有频率影响显著。模态试验结果与预应力模态计算结果误差在5.1%以内,验证了预应力模态法处理结合面非线性因素的有效性。     

基于部件级模型修正的某发动机整机动态特性计算

针对型号研制初期产品缺乏试验、动力学识别误差较大的问题,采用一种经修正的简化模型计算发动机动特性。首先,使用多类型有限元单元进行整机刚度等效简化建模及单元耦合,计算得到喷管延伸段的结构模态特性;然后,对比喷管延伸段简化模型、全三维模型与振动台模态试验结果,以100 Hz内主要模态频率为优化目标,使用多目标遗传优化算法对简化模型进行修正重构;最后,计算重建后整机模型动态特性,得到发动机模态特性与各部件位置谐响应分布规律。该模型修正方法在型号研制初期不具备试验条件情况下,能通过多轮模型修正得到较为准确的整机动特性。     

含局部非线性的月球探测器软着陆动力学模型降阶分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,能够较全面地反映出各种非线性因素。针对非线性有限元求解耗时长的弱点,考虑到探测器的局部非线性特性,利用广义动力缩聚（GDR）方法建立了月球探测器中心体的降阶模型。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则,在广义动力缩聚方法的基础上筛选少数几阶模态影响系数（MIC）较高的模态表征中心体的加速度响应,能够进一步降低模型的阶数。将降阶的中心体模型与含非线性的缓冲机构连接后进行的软着陆动力学分析能够准确而快速地预估探测器测点的加速度响应,与非降阶模型对比,计算时间缩短了75.5%,加速度响应的相对峰值误差控制在5%以内。数值仿真表明,广义动力缩聚方法能够有效地解决传统非线性有限元方法求解效率低的问题,本文所提模态截断准则的优点是适于求解模态密集问题并且与系统的输入输出无关。     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性,考虑大气密度随高度的变化和引力梯度,建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程,然后获得转移矩阵和特征方程,在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局,并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析,得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度,对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃,即使是牺牲一些射程上的性能,因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。     

直升机飞行品质评估数学模型研究

针对飞行品质评估需要，结合建模工作中的经验，讨论了模型复杂度和真实度之间的关系，分析了不同阶次的入流模型和非定常气动模型对结果的影响，考虑了旋翼尾迹对机身的气动干扰作用，并对涡轮轴发动机和飞行控制系统模型在飞行力学模型中的重要作用做了阐述。还地逆仿真方法在飞行品质研究中的应用提出了一些见解。     

微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。     

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。     

裂纹齿轮动力特性三维有限元模拟

建立了裂纹齿轮结构的三维有限元动力学模型,分析了齿轮轮齿发生裂纹后的齿轮动力特性(固有频率、振型、动态应力等),并对裂纹出现位置和裂纹尺寸等对齿轮动力特性的影响进行了深入探讨和计算机模拟。指出裂纹尺寸和位置对于齿轮的固有频率和振型都有影响,当出现裂纹后固有频率发生下降,振型也发生变化,而裂纹位置对固有频率和振型影响大于裂纹尺寸的影响,当裂纹位于齿根处时齿轮固有频率下降较大,当裂纹位于齿顶处时齿轮固有频率下降较小,当裂纹出现后齿轮体的振型明显不同于无裂纹时的振型,在裂纹附近振动的振幅增大,并且齿轮体的动态应力也发生变化,与无裂纹的齿轮结构动力特性完全不同。      

基于ANSYS的发动机转子临界转速计算

针对某小型涡喷发动机转子的实际结构,在ANSYS中建立了三维有限元模型。计算了前2阶固有模态和振型,并与试验模态分析结果进行了对比,结果表明,该计算模型得到的数据与试验模态结果基本一致。在此基础上,对转子的临界转速进行了计算。     

新型快速Terminal滑模及其在近空间飞行器上的应用

为加快Terminal滑模收敛速度,并避免控制器奇异,首先分析了Terminal滑模产生奇异的原因,基于李代数给出Terminal滑模控制器非奇异判据.然后,设计了两种新型非奇异快速Terminal滑模,其收敛速度在任意点均快于现有标准快速Terminal滑模;给出了收敛时间公式.将新型快速Terminal滑模与动态滑...     

结构有限元模型的试验建模

 对于复杂结构系统,用试验测取的模态参数来识别或修改系统的物理参数,以构造其动态数学模型。这种方法是建立振动系统数学模型的逆方法。 近些年来,国内外不少学者在这一领域做了很多工作。他们方法的共同点是识别系统的总质量矩阵和总刚度矩阵,因此未知量较多。考虑到结构系统总矩阵元素之间有一定关系,文献[3]讨论了一种建立动态有限元模型的逆方法。     

复数坐标及互激励分析在直升机“地面共振”分析中的应用

本文采用复数坐标来表示旋翼及机体的运动,提出了多自由度耦合系统动稳定性问题的各自由度间相互激励作用的分析方法。以此分析了直升机旋翼与机体耦合的“地面共振”稳定性问题,对动不稳定性的机理作出了清晰的物理解释,揭示了主要的参数影响。