A method of determining effective elastic properties of honeycomb cores based on equal strain energy

A computational homogenization technique (CHT) based on the finite element method (FEM) is discussed to predict the effective elastic properties of honeycomb structures. The need of periodic boundary conditions (BCs) is revealed through the analysis for in-plane and out-of-plane shear moduli of models with different cell numbers. After applying periodic BCs on the represen-tative volume element (RVE), comparison between the volume-average stress method and the boundary stress method is performed, and a new method based on the equality of strain energy to obtain all non-zero components of the stiffness tensor is proposed. Results of finite element (FE) analysis show that the volume-average stress and the boundary stress keep a consistency over different cell geometries and forms. The strain energy method obtains values that differ from those of the volume-average method for non-diagonal terms in the stiffness matrix. Analysis has been done on numerical results for thin-wall honeycombs and different geometries of angles between oblique and vertical walls. The inaccuracy of the volume-average method in terms of the strain energy is shown by numerical benchmarks.     

二自由度扭转干摩擦系统的频域响应计算方法

针对一类作扭转振动的干摩擦系统,基于库仑阻尼模型和谐波平衡思想给出了其频域响应的求解方法,考虑了干摩擦界面上可能出现的周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动.首先,建立了扭转干摩擦系统的二自由度集中质量模型,并进行了无量纲化.其次,建立了以谐波平衡思想处理该动力学模型的方法,并给出了系统的接触面作周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动的判定条件.最后,对于这两种接触运动状态,分别给出了其摩擦力的处理方法和谐波展开形式,从而建立了扭转干摩擦系统的频域求解方法.以此方法计算了系统在一组不同的正压力下的响应,其结果与数值积分法所得的结果取得了相当的一致.此半解析方法较数值积分方法更能揭示扭转干摩擦系统的工作机理,并可以大幅提高计算时间,其推导和求解过程可用于类似的非线性系统.      

刷式密封接触动力学特性研究

对刷式密封的结构动力学特性进行了分析,从弹性理论出发,考虑轴颈和密封环之间的非线性摩擦力作用,建立了密封环与转子相互作用的非线性动力学方程,推出了密封环对转子的非线性支承刚度的近似表达式,这一支承刚度的导出为研究转子—密封—轴承系统的非线性动力学行为奠定了基础。最后用数值仿真方法验证了本文推导出的表达式的正确性。     

在烧蚀条件下固体火箭发动机复合喷管的温度预示

本文探讨了由石墨和高硅氧-酚醛组成的固体火箭发动机复合喷管,在考虑热解炭化和烧蚀引起喷管内型面变化条件下的瞬态轴对称二维温度场.借用当量热容的概念和坐标变换的方法,应用单元体能量平衡原理,在内点用显式格式,边界结点用隐式格式进行数值求解,这样的计算比较简捷,所得温度场与实验结果作了比较,说明本文的预示方法是可以符合工程精度要求的.     

基于谐波平衡法和 V-g 法的高效颤振预测分析

提出了一种高效的颤振预测分析方法,将之应用于跨声速颤振边界分析及结构参数影响研究中。本方法基于频域颤振分析 V-g 方法,为气弹系统提供一定的人工阻尼使之保持简谐运动状态,从而将结构动力学方程转换到频域内。然后通过高效的谐波平衡法得到一系列简谐运动频率下的气动力描述函数矩阵,结合频域结构方程,将气弹系统的稳定性问题转化为广义特征值求解。结果表明：本方法计算得到的颤振边界与高精度的时间推进方法非常吻合,分析效率有了明显的提升,而且当结构参数发生变化后,只需进行若干次广义特征值求解即可得到新的颤振边界,无需像时间推进方法一样开展大量的气动/结构耦合数值模拟。     

齿轮时变系统对扭矩激励的响应

在考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼和输入、输出扭矩波动的情况下,建立了具有周期性时变系数的齿轮系统线性动力学方程,用A算符方法(AOM)求出了该动力学系统的近似解析解。根据计算结果,A算符方法(AOM)克服了谐波平衡法的缺点,能够得到系统响应的所有频率成分,计算精度更高;与数值法相比,可取较大步长,省时间,效率高;系统受到内部或外部激励时,响应中含有同频、倍频、差频及和频成分。      

Hoff型夹层板振动分析的边界积分方程法

 本文利用静力问题的基本解建立了Hoff型夹层板振动分析的边界积分方程。在数值实现过程中,边界上和区域内的未知函数均釆用线性插值以提高计算精度。数值结果表明本文方法具有未知量少和计算精度高等优点。对于低阶频率,本文结果与精确解的误差不大于1％。     

基于本征方程的柔性机翼非线性颤振分析

柔性机翼在气动载荷作用下常常会产生较大的变形,颤振特性会随之发生变化,针对此问题线性理论常常难以进行合理的预测。以几何精确本征梁模型建立了机翼的运动方程,耦合ONERA-EDlin非线性气动模型,建立了柔性机翼的非线性气动弹性分析模型。利用Newton-Raphson和Backward-Differentiation-Formula(BDF)分别求解机翼的静态变形和动态响应,基于机翼平衡位置附近的线性化方程来判断系统的稳定性,进而确定颤振临界速度。通过算例验证了模型的准确性,并分析了不同刚度、后掠角、机翼安装角等参数对颤振速度的影响。     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

一种新的气动弹性鲁棒稳定性分析方法(英文)

Air vehicles undergo variations in structural mass and stiffness because of fuel consumption and the failure of structural components, which might lead to serious influences on the aeroelastic characteristics. An approach for aeroelastic robust stability analysis taking into account the perturbations of structural mass and stiffness is developed. Applying the perturbation method and harmonic unsteady aerodynamic forces, the frequency-domain linear fractal transformation （LFT） representation of perturbed aeroelastic system is modeled. Then, the robust stability is analyzed by using the structured singular value ,u-method. The numerical results of a bi-spar wing show its effectiveness and low computational time in dealing with the robust problems with mass and stiffness perturbations. In engineering analysis for solving aeroelastic problems, the robust approach can be applied to flutter analysis for airplane with the fuel load variation and taking the damage conditions into consideration.     

二维平板水漂运动数值模拟

探索平板水漂运动的流体力学现象机理对飞行器着水问题的研究有重要的参考价值。基于有限体积法和k-ε RNG湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,采用流体体积分数（VOF）模型与速度入口造波法构造数值波浪水池,并结合整体动网格方法,完成二维平板在静水面与波浪水面的水漂运动数值模拟。在与试验值和理论值对比的基础上,讨论初始姿态角、投掷角度与投掷速度对水漂运动的影响。进一步研究不同波浪参数和波浪位置对平板水漂的影响,并从能量角度展开分析。结果表明：20°姿态角平板能以最小的投掷速度实现水漂运动;运动中平板能量的相对损失率受初始投掷速度的影响较小,主要受投掷角和姿态角作用,随投掷角或姿态角的增加而增大。波浪情况下,在上行波位置触水的平板能够获得更大的接触面积,而更长的触水时间发生在波谷处;因此,这两个位置触水的平板在水漂运动过程中的相对能量损失大,其数值变化比波峰位置大5%左右;在上行波位置触水时,平板的速度衰减与相对能量损失随着波高的增加而增大,而波峰位置则有相反的变化趋势。     

压气机转子叶片颤振边界的预测方法

通过发展的基于能量法的颤振数值预测方法得到了压气机转子叶片的颤振边界.将计算结构动力学(CSD)分析得到的叶片表面节点位移插值到耦合面的流体网格点上,并将设计的多层动网格技术应用于计算流体动力学(CFD)方法,实现叶栅振荡作用下的非定常分析,得到叶片表面的非定常气动功以及模态气动阻尼比.以某第一级压气机转子叶片为例,对...     

凸肩结构对叶片的干摩擦减振研究——理论方法

提出了一套求解带凸肩结构叶片非线性响应的时频转换方法。该方法应用数值轨迹跟踪法计算凸肩复杂接触面内的非线性摩擦力,并将其与频域内的谐波平衡法、动柔度法相结合求解带凸肩结构叶片的非线性响应,方法能够考虑叶片高阶振型以及响应高次谐波的影响,为带凸肩叶片的设计及故障诊断奠定了理论基础。      

支承刚度非线性转子系统的不平衡响应

针对航空发动机中转子支承的刚度非线性问题,基于谐波平衡法,发展了一种适用于多自由度转子系统的不平衡响应计算方法.通过对带有非线性支承的双盘转子系统不平衡响应的数值模拟,获得了影响非线性转子系统不平衡响应的关键参数和重要规律.研究表明:转子不平衡响应的非线性特征与振型密切相关,转子的峰值频率和峰值振幅随支承刚度非线性的增强而升高,随不平衡的增大而增大,非线性支承会使响应中出现频率的3倍频和5倍频成分.     

碰摩约束下柔性转子模态特性及其计算方法

以航空发动机低压（LP）转子为代表的柔性转子,通常具有两端大质量、细长轴和长跨度支承的"弱刚度"结构力学特征,这使得碰摩产生的约束作用不可忽视,其将会导致柔性转子模态特性改变,进而造成临界转速等动力学目标偏于设计状态。本文以典型航空发动机低压柔性转子为对象,结合梁单元法提出了此类复杂转子在碰摩约束下的动力学建模方法;将谐波平衡思想与频域的自由度缩减技术结合,提出了相适用的非线性模态求解方法;在此之上基于ANSYS和MATLAB平台,建立了含碰摩约束的复杂转子非线性模态分析的一般流程。将方法应用到某型柔性转子系统,成功获得其模态特性,结果表明：碰摩约束使转子模态频率增加,且随转子振幅增加而增加,尤其是对风扇碰摩较为敏感的一阶弯曲模态,正/反进动模态频率变化率可达16%和29%,但模态频率的变化始终在特定区间内;碰摩对转子模态频率的影响程度与陀螺效应、转子振型及机匣刚度密切相关,但对摩擦系数不敏感。由于接触点处摩擦力做功影响,柔性转子各阶反进动模态阻尼在碰摩严重时小于0,反进动模态能发生失稳。     

带摩擦阻尼叶片与轮盘耦合系统的振动分析

本文用非比例粘性阻尼等效航空发动机叶／盘耦合系统振动时叶片上凸肩（冠）接触面间产生的摩擦阻尼效应对叶／盘系统固有振动特性及响应特性的影响。利用由滞后弹簧摩擦模型所得到的等效粘性阻尼及等效刚度系数,在局部坐标下建立接触面间的刚度及阻尼矩阵,以分析阻尼对叶／盘系统的减振效应。文中所建立的基本公式、分析方法、由计算所导出的无因次曲线及振型与振动应力分布的后处理云图,可供叶轮机的设计、研制、排故及改型参考。     

微动工况下接触刚度测试

设计了一套能够测量由于接触表面间小幅度的相对切向运动所导致的迟滞现象的试验装置,克服了无法将系统刚度与接触刚度分开的难题.利用该试验系统能够对不同初始正压力和激振力作用下接触表面间微幅相对运动的迟滞曲线进行测试,根据测试结果计算得到接触表面间的接触刚度.最后将试验结果与理论、数值计算结果进行对比,为最终建立一套可准确预估接触表面间接触刚度的数值模拟方法奠定基础.      

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

具有干摩擦散乱失谐的叶盘受迫响应特性

阻尼件是叶盘结构中起减振作用的主要部件,而阻尼件的干摩擦散乱失谐会影响其在叶盘振动中的减振作用。本文利用谐波平衡法与快速傅立叶变换技术,对具有非线性干摩擦力的叶盘受迫响应进行了数学建模,仿真分析了叶盘系统在各种耦合、粘性阻尼比、干摩擦强度、干摩擦散乱失谐程度等参数影响下的受迫响应规律。研究结果显示,叶盘系统在弱耦合和粘性阻尼比较大的情况下,干摩擦散乱失谐会导致叶盘共振幅值显著增大。      

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。