An advanced five-unknown higher-order theory for free vibration of composite and sandwich plates

Accurate prediction of dynamic characteristics is quite critical to understand the strength of layered structures. Nevertheless, the existing five-unknown higher-order theories encounter difficulties to forecast accurately the dynamic response of sandwich structures. Therefore, a new five-unknown higher-order theory is developed for free vibration analysis of composite and sandwich plates, which possesses the same degree of freedom as those of other five-unknown higher-order theories. The developed model can meet beforehand interlaminar continuity conditions and the free-surface conditions of transverse shear stresses. To assess capability of the proposed model, analytical solution for such composite structures with simply-supported conditions has been presented by employing Hamilton’s principle, which is utilized for analysis of mechanical behaviors of composite and sandwich plates. Compared with the three-dimensional (3D) elasticity solutions, 3D finite element results and the results obtained from the chosen five-unknown higher-order models, the proposed model can yield accurately natural frequencies of composite and sandwich plates. Even for the thick plates, the higher-order frequencies calculated from the proposed model are in good agreement with the 3D finite element results. By studying effect of the thickness/length ratios on natural frequencies, it is found that the proposed model is adaptable to predicting natural frequencies of the sandwich plates with the thickness/length ratios between 1/4 and 1/100. In addition, some factors influencing accuracy of five-unknown higher-order models have been investigated in detail. Finally, by means of numerical analysis and discussion, some conclusions have been drawn as well, which can serve as a reference for other investigators.     

Impact of aperture on dynamic response of sandwich plates with aluminium face-sheets and PMI core based on an alternative finite element formulation and experiments

Apertures generally exist in the sandwich structures attributing to mechanical connection and lightweight, which might induce failure of such structures. Thus, it is required to realize the impact of aperture on mechanical behaviors of sandwich structures. If transverse shear deformations are unable to be described accurately, the reasonable prediction of dynamic behaviors of the form-core sandwich plates with apertures will meet severe challenges due to a large difference of transverse shear mo...     

一种含分层复合材料层合板高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料县合板高阶弯曲位移模式。此模式考虑了横向剪切的影响,得到一种新的厚板有限元模型。对于含有分层的单元,通过改变其单元内横向剪切应力的分布,达到改变单元刚度的目的。因此,此模型适用于任何厚度的或含有分层的复合材料层合板。     

复合材料层合板弯曲振动高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料层合板高阶弯曲位移模式,此位移模式既考虑横向剪切的影响,又考虑了法向正应力的分布,进而建立的相当于三维弹性理论解的二维有限元模型,具有精度高、计算量并不大的优点。     

考虑横法向热应变的Reddy型功能梯度梁理论

Reddy型高阶理论已被广泛用于功能梯度材料(FGM)结构分析,然而此理论忽略了横法向应变,难于准确分析功能梯度梁的热力行为。为提高Reddy理论分析热力响应的精度,提出了一种考虑横法向热应变的三参数Reddy型高阶功能梯度梁理论。此模型考虑了横法向热应变,但不增加额外位移变量。应用构建的模型分析了功能梯度梁的热力响应,并研究了不同体积分数对面内应力和位移的影响。数值结果表明,所提出的模型能准确分析功能梯度梁的热力响应,而忽略横法向应变的模型计算结果精度较低。     

基于有限元法的电动汽车永磁同步电机模态分析

车用永磁同步电机(PMSM)追求轻量化的设计带来了更为严重的电机振动噪声危害。准确分析计算PMSM的模态是对其进行振动噪声特性研究的基础。采用有限元法对电动汽车PMSM进行模态仿真计算。通过对电机模型进行适当的简化与等效,计算出电机自由状态下前6阶的固有频率及其对应的振型;并将样机进行锤击法的模态试验,验证了电机有限元模态仿真模型的准确性。     

一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件,而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁,现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数,提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明,本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时,具有较高的计算精度,能够准确预测层合梁的分层。另外,该模型预先满足横向剪应力层间连续条件,无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少,不含横向位移的一阶导,便于C⁰梁单元的构造。     

基于混合率模型的功能梯度材料火箭壳体振动特性分析

为了研究功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)火箭壳体的振动特性,本文发展了一种基于混合率模型的FGM材料性能计算方法。首先,对FGM壳体的材料分布特征进行了分析研究,建立了统一的材料公式模型,可表征材料性能沿厚度方向变化规律不同的多种FGM材料模型。其次,建立了FGM壳体材料的几何分层模型,基于混合率法则推导得到了宏观等效的正交各向异性材料性能参数表达式,并讨论了分层数对预测结果的影响。然后,将该方法用于带孔平板、圆柱壳体、锥形壳体和球形壳体的振动分析,计算结果与相关文献结果具有较好的一致性,最大误差不超过2.33%,表明本文方法具有较高的精度。最后,将本文方法成功用于FGM火箭壳体的振动特性分析,针对材料性能沿厚度方向的几种不同分布模式,计算了FGM火箭壳体的前10阶固有频率和振动模态。     

大涵道比涡扇发动机风扇叶片振动模态分析

对大涵道比涡扇发动机而言,风扇叶片承受较大的离心负荷和振动负荷,振动故障尤为突出。为了研究风扇叶片自身的振动特性,针对风扇叶片进行有限元建模,计算了凸肩自由和凸肩约束两种工作状态下叶片的固有频率和振型。结果表明发动机转速及凸肩状态对叶片固有频率有显著的影响,对大涵道比涡扇发动机风扇叶片的振动特性研究具有重要的参考价值。     

共轴对转封闭差动轮系固有特性及灵敏度分析

基于共轴对转封闭差动轮系的扭转动力学集中参数模型,求解了系统的固有频率和振型。理论分析了频率对刚度和质量的参数灵敏度,及频率变化轨迹中的模态跃迁现象。分析结果表明:根据振动特征可将系统振型分为扭转振动模式、行星轮振动模式和星轮振动模式,分别对应于系统的单根、L(行星轮数)-1和N(星轮数)-1重根频率;行星轮的个数对重根频率数值无影响;刚度变化率为正时,固有频率变化率为正,转动惯量变化率为正时,固有频率变化率为负;同种振动模式下的两条频率轨迹在接近时会发生模态跃迁。通过实例计算验证了理论分析的正确性,为共轴对转封闭差动轮系的固有特性分析与优化设计提供了依据。      

A novel virtual material layer model for predicting natural frequencies of composite bolted joints

A novel virtual material layer model based on the fractal theory was proposed to predict the natural frequencies of carbon fiber reinforced plastic composite bolted joints. Rough contact surfaces of composite bolted joints are modeled with this new proposed approach. Numerical and experimental modal analyses were conducted to validate the effectiveness of the proposed model. A good consistence is noted between the numerical and experimental results. To demonstrate the necessity of accurately modeling the rough contact surfaces in the prediction of natural frequencies, virtual material layer model was compared with the widely used traditional model based on the Master-Slave contact algorithm and experiments, respectively. Results show that the proposed model has a better agreement with experiments than the widely used traditional model (the prediction accuracy is raised by 8.77% when the pre-tightening torque is 0.5 N∙m). Real contact area ratio A* of three different virtual material layers were calculated. Value of A* were discussed with dimensionless load P*, fractal dimension D and fractal roughness G. This work provides a new efficient way for accurately modeling the rough contact surfaces and predicting the natural frequencies of composite bolted joints, which can be used to help engineers in the dynamic design of composite materials.     

附加约束阻尼层后梁的振动分析

研究附加约束阻尼后梁的振动分析。在引入的位移模式中考虑了附加部分对原结构运动的相对性和阻尼层的横向剪切效应,据此推导了附加阻尼层后梁的运动方程和边界条件。通过对简支状态时梁的固有振动分析,讨论了其振动特点。同时给出了等效复刚度公式,它比原有的公式具有更高的计算精度     

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法。从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法。分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度。综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不规则管路的布局参数实施了优化设计。结果表明:管形布局优化设计效果显著,错开了两个危险固有频率禁带;管路结构在相同激励下最大位移幅值下降约35%,最大应力幅值下降近50%,为发动机管路的振动控制和动力学正向设计提供了参考。      

基于ANSYS Workbench的压接修理民机液压管路振动特性分析

探究振动环境中管径为1/4 in的民机液压直管的最佳压接修理尺寸。首先,建立压接修理民机液压直管与流体的有限元模型,在ANSYS Workbench中对该模型进行有限元仿真分析得到其前6阶固有频率;然后,用三综合振动试验台对压接修理民机液压直管进行扫频振动试验,得到其前6阶固有频率,将试验结果平均值与仿真结果进行对比,结果误差较小且曲线拟合良好,验证了有限元仿真分析的合理性;最后,对压接修理民机液压管路进行受力分析,并以压制区域公差和压接长度为变量分别对压接修理民机液压直管进行固有频率、最大应力以及沿Y、Z轴方向的最大位移响应进行分析。结果表明：压制区域公差为4 mm、压接长度为39 mm时,管路的固有频率较大,应力及位移响应较小,此时,最大应力及位移响应集中分布于压接接头处,且与受力分析结果一致。     

MIMO随机振动试验控制的逆多步预测模型法

多输入多输出（MIMO）随机振动试验在产品可靠性验证中扮演重要角色。逆系统方法作为一种时域方法，直接由参考信号（即期望得到的响应信号）生成驱动信号，但容易产生不稳定的结果。本文以系统的有限差分模型为基础，推导了逆多步预测模型，并建立了该逆模型与矩阵幂次算法结合的MIMO随机振动试验方法。通过悬臂梁模型进行双输入双输出仿真试验，验证了逆多步预测模型进行MIMO随机振动试验驱动生成的可行性。在三轴振动台上进一步验证该方法进行MIMO随机振动试验控制的能力。     

气动弹性剪裁中的响应值敏度

进行了一种用解析方法求气动弹性剪裁中的结构响应值敏度的研究。推导了结构的气动弹性响应(位移,振动形态和频率,静气动弹性效率和发散,颤振 )对设计变量导数的封闭解析表达式。设计变量可包含复合材料结构的铺层方向角。广义气动力导数计及正交振动形态导数的影响。经实例验算,所求得的敏度,与差分法相比,数值上吻合得很好。此方法已成功地应用于 CAE倡导发展的结构优化设计程序系统。     

盘形锥齿轮的振动

 本文介绍了用考虑横向剪切变形和转动惯性的厚锥形壳理论来分析盘形锥齿轮的振动固有频率和振型,并用试验模态分析技术进行测量。对两种航空发动机中央传动锥齿轮计算和试验的结果令人满意。     

斜削梁协调元素族及其在梁固有振动分析上的应用

本文给出了位移函数为三次、五次、七次幂多项式时斜削梁元素刚度与质量矩阵的显表达式以及计算任意奇次幂高阶斜削梁元素族刚度与质量矩阵显表达式的一般方法。然后应用高阶协调元素计算了六种线性斜削梁在悬臂支持、二端简支、二端固支等情况下的头五阶固有频率及振型。结果表明,在所有情况下,与低阶元素相比,高阶元素均显出有较好的收敛性。但若施加以力的边界条件,则在使用少量元素和梁的斜削度较大的情况下,高阶元素的结果反而不如低阶元素的结果好。     

涡破裂诱导的垂尾抖振气动弹性分析

通过试验方法分析了三角翼前缘分离涡与垂尾抖振之间的关系,深入研究了尾迹流动对垂尾抖振各阶模态的激励作用。计算得到了垂尾模型固有频率及各阶模态。在风洞试验中,应用激光片光烟流场显示技术,得到了三角翼模型在风速为30 m/s下,各迎角的涡结构;使用加速度传感器测量了垂尾翼根和翼梢的抖振响应;使用热线风速仪测量了垂尾翼根和翼梢位置的脉动速度分量。结果表明:前缘涡破裂后产生的高湍流度的尾迹是垂尾抖振的直接原因,抖振边界与涡破裂的强度和位置有关;涡破裂后尾迹与垂尾产生共振,使得抖振加速度响应频率与垂尾固有频率一致;涡破裂后,在较小迎角下,尾迹对垂尾的高频振动模态的激励较为明显,在较大迎角下,涡破裂流动对垂尾低频振动模态的激励加强了。     

恒热流斜板自然对流边界层的稳定性研究

对恒热流条件下的斜板自然对流边界层的稳定性进行了分析及数值模拟.研究发现在一定的倾角和Prandtl数范围内,三维波可存在两种不稳定模态,其临界频率分别接近于重力内波和二维T-S(Tol-mien-Schlichting)波的频率.更为特殊的是,在适当条件下该三维波模态可比二维T-S波更不稳定.这一看似违反Squire定理的结果是由于控制方程中的浮力项造成的.数值模拟初步验证了三维波的临界特性.由于稳定性总是同层流至湍流的转捩过程密切相关,计算结果可为高效换热翅片的设计提供理论依据.