机械装备螺栓连接状态测试技术研究现状

螺栓连接广泛存在于航空航天结构中,结构的连接状态直接关系到设备的安全性和功能性。航空飞行器在服役过程中面临着振动、冲击等多种极端环境,最终会导致栓接结合部出现松脱、滑移等现象,因此对结构的连接状态进行监测具有重要意义。主要综述了螺栓连接状态测试技术的研究现状及其测试原理。首先,对螺栓连接状态机理的研究现状进行了分析,主要内容包括结合面细微观机理和结构非线性动力学理论。然后,介绍了传统的螺栓连接状态直接测量技术,并分析了其测量精度不足和应用局限性等问题。最后,综述了各类基于响应信号的螺栓连接状态测试技术的原理,包括振动信号分析法、机电阻抗法、声弹性效应法、超声波能量法、光栅光纤传感器法,并分析了其优缺点和适用范围,指出了其发展方向。     

止口螺栓连接结构解析建模与阻尼特性分析

针对止口螺栓连接,论文从连接结构轴向拉压力学行为分析出发,提出了可模拟连接非线性刚度和阻尼耗散的扇区模型,基于此进一步构建了弯矩载荷下的非线性解析模型。通过与三维实体有限元模型计算结果的对比分析,验证了所提出模型的有效性,并揭示了连接的非线性刚度特性和迟滞阻尼特性。基于所提出模型研究了关键参数对止口螺栓的阻尼特性的影响规律,结果表明:连接的阻尼耗散能力随弯矩载荷幅值和摩擦因数的增加呈现先增加后降低趋势,而随止口紧度和法兰长度的增加单调增加;法兰长度除对连接的阻尼耗散存在一定影响外,还能显著降低连接结构的等效刚度。      

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。     

基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

基于虚拟视角约束的机动目标拦截制导方法

为使导弹能够以一定的末端攻击角度对机动目标进行拦截,提出了一种带有终端虚拟视角约束以及终端视线角约束的机动目标拦截制导方法。基于速度系各运动矢量之间的变换关系,建立了虚拟相对运动坐标系下的非线性模型,并将线性模型中多项式制导的思想创新性地引入到非线性模型中,通过末端虚拟视角约束以及末端视线角约束对关于弹目距离的多项式虚拟控制量进行求解,并根据虚拟矢量与运动矢量之间的变换关系得到速度系下的加速度指令表达式。针对不同制导系数、不同末端攻击角度及不同类型的机动目标等条件进行了仿真验证,同时与弹道成型制导律进行了仿真对比。仿真结果表明,所提出的制导律可以使导弹以期望的攻击角度拦截机动目标,末端虚拟视角收敛为零,避免了末端指令饱和现象。     

多操纵面飞机非线性有限时间容错控制分配

针对非线性多操纵面飞机的容错控制问题,提出了一种有限时间稳定的非线性自适应容错控制分配方法。首先,建立了以效能增益矩阵描述的过驱动系统执行器故障模型;然后,在模型参考自适应控制框架下,融合控制分配思想,并考虑执行器物理约束,建立了基于优化的含约束控制分配模型以保证能耗最小和虚拟指令跟踪最优;最后,采用Lagrangian法将该约束优化问题转化为无约束优化问题,并基于Lagrangian函数一阶最优条件和有限时间稳定理论完成自适应容错控制分配律设计。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于迭代滑模的机械臂控制策略

针对机械臂这类非线性的不确定性系统,基于迭代学习控制与滑模控制策略,提出了一种有效的迭代滑模控制方法。该控制方法通过将滑模控制律引入到迭代学习控制中,并运用Lyapunov理论对控制律进行证明,从而确保系统的稳定性。基于拉格朗日力学法建立动力学模型,得到相对简化的n关节机械臂模型。以一个二关节机械臂为例,通过MATLAB仿真验证所提控制策略可有效提高关节的跟踪速度与跟踪精度,并且在一定程度上可减缓传统滑模控制的抖振现象,与传统迭代学习控制相比,系统具有鲁棒性。物理试验验证了所提控制策略的有效性。     

基于神经网络预测模型的歼击机结构故障检测方法

提出了一种基于预测神经网络的歼击机结构故障检测新方法 ,与传统的基于模型的非线性系统的故障检测方法相比 ,神经网络方法有着非线性逼近能力强和故障检测实时性好等优点。给出了基于预测神经网络的故障检测方案 ,以及多步直接预测算法和阈值选取原则 ,最后以某型歼击机为例进行了仿真验证 ,仿真结果表明本方法能有效地检测出歼击机的各种结构故障。     

微动疲劳寿命可靠性分析方法

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法.在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测.在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型.最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性.      

考虑连接非线性的大型桁架天线分散协调控制

针对含非线性连接的大型桁架式天线,考虑铰链非线性所产生的影响,基于连接子结构模态综合建模方法,建立其低阶非线性动力学模型。在此基础上,将动力学模型转换为分散参数化模型,并考虑状态变量不完全可测因素,设计适用于一致性理论的最优观测器。然后基于图论的思想提出桁架式天线的一致性形面保持控制方法,不仅实现了桁架式天线的高精度形面保持控制,同时对作动执行机构的失效具有容错性。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

微动疲劳寿命可靠性分析方法研究

针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法。在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测。在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型。最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性。     

有控飞行器非线性气动模型结构的确定（Ⅱ）

针对非线性气动模型结构中必然存在的共线性问题，冲破传统模型结构确定方法的束缚，提出了基于共线性诊断和主元回归及主元分析筛选变量法进行非线性模型结构确定的新思想。有效地解决了非线性模型结构确定问题，进而首次讨论了本文给出的模型结构确定方法与最优输入设计及参数可辨识性三者间的关系。某型飞行器非线性气动模型的确定证明了本文方法的有效性。     

有控飞行器非线性气动模型结构的确定（II）

针对非线性气动模型结构中必然存在的共线性问题，冲破传统模型结构确定方法的束缚，提出了基于共线性诊断和主元回归及主元分析筛选变量法进行非线性模型结构确定的新思想，有效地解决了非线性模型结构确定问题，进而首次讨论了本文给出的模型结构确定方法与最优输入设计及参数可辨识性三者间的关系，某型飞行器非线性气动模型的确定证明了本文方法的有效性。     

基于非线性阻尼的航空发动机高压转子拉杆结构装配检测方法

 为了提高航空发动机高压转子拉杆结构的装配质量,提出了基于非线性阻尼的装配检测方法。该方法运用组合阻尼模型描述拉杆结构的非线性接触特性,并通过能量方程推导出基于Hilbert-Huang变换(HHT)方法的非线性阻尼的识别公式。在拉杆结构正常装配、单个螺栓松动和2个不相邻螺栓松动的3种情况下,采用非线性阻尼识别法进行实验,将3种情况得到的实验结果进行对比,发现基于组合阻尼模型得到的非线性阻尼与装配情况具有强烈的相关性,从而验证了基于非线性阻尼的装配检测方法的有效性。     

考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化

常规传热结构的周期性拓扑优化通常基于稳态热传导模型,并未考虑瞬态效应对设计结果的影响。针对瞬态热传导目标响应最大值最小化问题,搭建基于Ordered-RAMP法的多材料插值模型,提出一种周期性多材料瞬态热传导拓扑优化设计方法。该方法分别以时间历程内传热结构最高温度最小化与最高散热耗能最小化为设计目标,引入聚合函数处理设计变量的瞬态响应不可微问题,并通过重新分配单元目标函数基值实现子区域周期性约束设置。数值算例验证了所提方法的有效性和可行性。结果表明：不同热负荷工作时间下,均可得到材料分布合理、边界清晰的周期性拓扑构型,并能实现不同设计目标下的性能最优;周期性约束会对拓扑构型产生影响,且子区域数目越多优化目标越差。     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

基于递阶残差神经网络的结构故障模式识别

提出了一种基于递阶残差分类神经网络的结构故障诊断新方法,与传统的基于模型的非线性系统的故障诊断方法相比,神经网络方法有着非线性逼近能力强和故障模式识别实时性好等优点。文中进行了残差特征提取和残差分类研究,设计了3层递阶残差结构分类器,提出了故障模式识别算法。最后以某型歼击机为例进行了仿真验证,仿真结果表明本文方法能有效识别歼击机结构故障的有无、位置、类型和程度。     

集群航天器构形重构滑模变结构控制方法

针对大规模航天器集群飞行构形控制问题,提出了一种基于滑模变结构控制与改进人工势场法相结合的控制方法。集群航天器相对运动采用非线性动力学方程描述,人工势场法可以避免集群航天器之间的碰撞,滑模变结构控制对摄动干扰和模型不确定性具有鲁棒性,可以实现构形的精确控制。利用Lyapunov稳定性理论,证明了控制系统的全局渐进稳定性。通过仿真算例,验证了控制方法的可行性。