提高飞机壁板低频宽带隔声的层合声学超材料

针对飞机舱内的低频宽带噪声控制难题，提出了适用于飞机壁板隔声增强的层合声学超材料。该层合声学超材料由前、后2层不同构成参数的约束型薄膜声学超材料板，及其中间填充的多孔吸声材料复合而成。通过建立层合声学超材料的隔声计算有限元模型，分析各层约束型薄膜声学超材料，以及两者复合构成的层合声学超材料的隔声特性关系，着重研究层合声学超材料的负质量效应对其隔声特性的影响机理。基于四传声器法声阻抗管测试系统，测量层合声学超材料的法向入射隔声量，用以验证有限元模型的有效性。最后，在半消室开展大尺寸层合声学超材料的插入损失试验，结果表明在100～500 Hz的低频工作频段，面密度为1.5 kg/m²的层合声学超材料样件，其算术平均插入损失达到14 dB,体现了优异的低频宽带隔声能力。研究工作对于采用轻薄声学超材料提高飞机壁板的低频宽带隔声性能具有一定的理论和工程指导价值。     

基于正负刚度并联的低频隔振器研究

为了能够抑制微振动对在轨运行航天器造成的不利影响,提出了一种由螺旋柔性弹簧（SFS）与磁性弹簧并联构成的低频隔振器;其中,螺旋柔性弹簧作为正刚度元件为系统提供承载能力,并通过有限元建模对其轴向刚度特性进行了数值分析;由两两相吸、同轴配置的3块环形永磁体构成的磁性弹簧为该隔振系统沿轴向提供负刚度以降低系统的固有频率;基于等效电流模型分析讨论了该磁性弹簧的磁刚度特性,并在平衡位置附近对磁刚度作了线性近似。通过分析所设计的低频隔振器与其相应线性隔振系统的位移传递率,比较了2种隔振器的隔振性能。研究结果表明：所提出的低频隔振系统能够有效地隔离低频微幅振动,降低系统的固有频率,进而拓宽了隔振频带;同时,进一步改善了隔振系统在共振区域附近的阻尼特性,有效地降低了共振峰值。     

非周期压电阻尼对失谐叶盘结构振动局部化抑制机理

将非周期压电阻尼技术引入失谐叶盘结构形成机电耦合系统,推导了机电耦合系统的动力学方程,从理论上分析了非周期压电系统对失谐叶盘结构振动局部化的抑制效果。构造了两种非周期压电系统模型:非周期压电分支模型和非周期压电网络模型。研究结果表明:与双周期压电网络系统相比,按照能量集中的程度不同连接而成的非周期压电系统具有更好的振动局部化抑制效果。在非周期压电网络系统的构造中,电阻不再是关键因素,而主要是通过电路形式改变整个叶盘结构中的能量分配情况,电感作为储能元件在其中至关重要。通过合理设计非周期压电网络电路形式,可以得到比非周期压电分支系统和双周期压电网络系统更好的振动局部化抑制效果。      

面向大尺度结构的力学超材料减振技术

随着航天器的大型化发展,振动控制策略已成为被广泛关注的关键技术之一,尤其针对大尺度薄膜结构的低频振动问题,传统减振方法难以发挥作用。为此,提出了基于局域共振原理的力学超材料结构,并利用该材料设计了一种新型的中低频被动减振结构,通过改变超材料单元结构可显著调控减振带隙的位置与带宽,被动减振频率最低可达100 Hz以内,对未来航天器的振动控制有一定的指导意义。     

压电材料修正后的变分原理及智能板的精确解

建立了压电材料修正后的H-R混合变分原理，并从该变分原理直接推导了压电材料的状态向量方程，同时给出了与广义位移和广义应力相关的边界条件表达式。为了验证本文的理论，给出了简支压电材料矩形板静力和自由振动问题的无穷级数精确解形式。并对两个具有代表性的实例进行了数值分析，部分结果与已有的文献进行了比较，并给出了分广义位移和广义应力的分布图，它们直观地展示了精确解的优点。本文的变分公式将用采构造新颖的适应工程领域复杂压电材料问题的半解析法。     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题,基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子,基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程,求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性,构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型,预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明,提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近,因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

一种磁性并联低刚度隔振器

为了能够抑制低频微幅振动,提出了一种磁性并联低刚度隔振器,其由固支的承载梁和磁性弹簧并联构成.其中,磁性弹簧由4个永磁体对组成,每个永磁体对中的两块永磁体相吸配置,并在梁上对称均布;利用等效电流法对永磁体进行建模,根据安培定律给出了永磁体之间磁力的计算表达式,最后通过曲线拟合得到了其近似表达式;分析讨论了梁的等效刚度计算方法,进而得到了所提出的隔振系统的等效刚度计算方法;在不考虑系统非线性影响时,对该隔振系统进行了隔振特性分析及数值仿真.结果表明:与传统的线性隔振器相比,该隔振器能够有效地隔离低频振动,降低隔振系统的固有频率,从而拓宽了隔振器的隔振频带,并改善了系统的阻尼特性,有效地降低了共振区域的共振峰值.      

声电换能超材料设计与性能

设计了一种将Helmholtz共振效应与压电效应结合的声电换能超材料结构及电路系统,通过传递矩阵法对超材料的能带结构进行了分析.以压电片作为Helmholtz共振器基底通过阵列形成超材料结构.当入射噪声频率与共振频率一致时,声电转换效率最高.利用COMSOL分别对超材料单元及系统进行仿真,验证了超材料单元对于噪声的抑制...     

基于压电开关分流电路技术的板的半主动振动控制

研究了状态开关与同步开关两种分流电路的振动抑制原理和实现方法；提出了一种开关控制器设计方案；并分别用于两种开关分流电路对某四边固支方板的抑振实验，结果表明所提出的开关控制器合理有效，并进一步证明，同步开关优于状态开关。实验中状态开关分流电路和同步开关分流电路控制下板的第一阶稳态响应分别得到了约13．4％和50．6％的降低；还对同步开关分流电路中，电感的有效取值范围及电感取值一定时开关的最佳持续闭合时间进行了实验验证。     

粘贴压电层功能梯度材料Euler梁热屈曲前自由振动的半解析数值法

研究上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Euler梁在升温及电场作用下的振动行为。在精确考虑轴线伸长基础上,建立压电功能梯度Euler层合梁在热-电-机械载荷作用下的几何非线性动力学控制方程。其中,假设功能梯度的材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,压电层为各向同性均匀材料。把问题线性化,利用打靶法,获得在均匀电场和横向非均匀升温场内两端固定和两端简支Euler梁在热屈曲前自由振动特性的半解析数值解。由于材料在横向的非均匀性,即使在均匀升温和均匀电场作用下,梁内仍然会产生拉-弯耦合效应,对梁的自振频率也有一定的影响。     

简谐激励下柔性卡箍支承管路系统响应

针对柔性卡箍支承航空发动机管路系统振动问题,研究了柔性卡箍的刚度特性及其对管路系统响应特性的影响。建立了包含管路和柔性卡箍的管路系统流固耦合有限元模型,给出了系统时域响应的Newmark积分方法。采用解析推导和试验测试两种方法对柔性卡箍刚度特性进行了研究,研究结果表明:柔性卡箍的刚度具有明显的分段线性特性。通过对基础简谐激励作用下管路系统时域受迫响应分析,研究了柔性卡箍支承刚度对系统非线性行为的影响。发现柔性卡箍刚度的不对称性较大时,系统的幅频响应特性曲线出现明显的非线性突跳现象;在特定频率范围,响应中存在激励频率的亚谐和超谐分量;随着流体流速和压力的增加,系统固有频率减小。      

美国推动直升机旋翼智能化研究

长期以来，振动、噪声以及效率低下等问题，严重地限制了直升机的应用范围。不过，随着人们对智能化直升机旋翼技术研究的不断深入，以上这些问题将可能得到明显改观。过去10年间，NASA、DARPA、美国陆军以及波音公司一直致力于智能材料作动旋翼技术（SMART）的研究工作，其中涵盖了压电材料研究。压电材料在电场中发生极化时会发生变形，使用了压电材料的SMART旋翼很有可能像人类肌肉那样，     

变截面梁式压电智能板振动控制的小波模式

基于 Daubechies小波理论的尺度函数变换 ,对于变截面悬臂板结构的弯曲建立了由压电片感应器的观测电量识别挠曲变形构形的显式关系式。此基础上 ,采用具有位移与速度信号负反馈控制律后 ,建立了抑制振动的压电动力控制程序。由于小波尺度函数逼近具有低带通性质 ,即具有自动滤除高频分量的能力 ,该控制程序将不会出现由观测溢出与控制溢出耦合而造成的控制失稳 (即在抑制低频 (阶 )扰动时系统激发出高频 (阶 )扰动的现象 )。数值仿真结果表明 :该控制方法所能控制的模态阶数与压电片数相同 ,而且其控制程序在抑制外界干扰方面是有效的。     

一种特殊梯度分布的功能梯度矩形板弯曲问题解析解

研究了一种特殊梯度分布功能梯度材料矩形板弯曲问题。假设材料的弹性模量在板厚度方向上呈幂函数分布,泊松比为常数,引入PLEVAKO解,利用分离变量法,导出四边简支功能梯度材料矩形板弯曲问题的解析解。通过算例分析了材料组分变化时,功能梯度板应力和位移的变化规律。结果显示不同梯度分布板结构中的应力、位移的变化规律是不同的,有时甚至差别很大。该方法为发展针对功能梯度材料特点的数值算法和简化理论提供依据。     

大电流注入探头与机载屏蔽线缆耦合解析模型

大电流注入（BCI）法是机载设备传导抗扰度试验的标准测试方法，探明BCI注入探头与机载设备互连线缆间的耦合机理对于进一步拓展传导抗扰度试验能力至关重要，然而目前尚无明确的解析模型可用于描述注入探头与屏蔽线缆的耦合机理。首先根据注入探头结构特征建立集总参数模型，通过测量其空载情况下反射系数求取相对磁导率以及电感、电容等寄生参数，依据戴维宁定理构建注入探头等效电路。随后按照注入探头与屏蔽线缆的空间结构关系划分耦合和非耦合区间，分别建立链路参数方程并依次进行区间级联，最终结合端接方程形成BCI注入探头与屏蔽线缆的耦合解析模型。同时基于实验平台对注入探头与屏蔽线缆所形成的多端口网络进行散射参数测试，通过对比屏蔽线缆终端耦合电压验证解析模型准确性。结果表明在低频至谐振点区间，模型与实验结果误差<3 dB，该模型可有效描述注入探头与屏蔽线缆间耦合机理。     

Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析

给出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构.为研究Rainbow型压电单膜片换能结构材料、尺寸参数、负载电阻对其输出功率的影响,根据压电材料的机电耦合方程和弹性力学理论,建立了Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压及输出功率的理论模型.对所建理论模型进行了数值计算和验证测试,理论计算结果及测试结果具有较好的一致性,...     

压电材料壳的广义变分原理和状态向量方程

将三维弹性材料的H-R变分原理引入到具有机-电耦合效应的三维压电弹性材料圆柱壳问题中,建立了对应于正交各向异性压电材料圆柱壳的Hamilton型广义变分原理。通过变分运算得到了柱坐标系下的状态向量方程,该状态向量方程也是Hamilton正则方程。最后指出纯正交各向异性弹性材料壳Hamilton型广义变分原理是变分公式的特例。变分原理的建立将有利于压电材料圆柱壳静力学和动力学问题的有限元方法或半解析法的推导。     

新型可调动力吸振器设计及参数优化

为有效抑制航天设备中由干扰源诱发的低频/超低频振动,提出了一种新型可调动力吸振器（NDVA）。该动力吸振器主要由柔性螺旋弹簧（SFS）及磁性负刚度弹簧（MNSS）组成。将所设计动力吸振器应用于振动控制时,采用平均法推导出系统在简谐激励下的稳态频响方程组及稳定性判据。基于稳定性分析,提出一种优化方法,通过简单迭代获得吸振器最优参数。最后,对提出吸振器的鲁棒稳定性进行分析。结果表明,除可实现低频振动有效抑制外,提出吸振器优越的鲁棒稳定性使得其在实际应用中能取得比线性吸振器更佳的振动控制效果。     

双周期压电网络用于叶盘结构振动抑制的研究

以整体叶盘振动抑制为目的,利用压电材料在叶盘结构不同扇区形成异周期系统,并将与压电材料连接的外部电路并联或串联形成不同形式的网络,建立该机电耦合系统的动力学方程,分析其对叶盘结构动力学特性的影响效果。研究发现,双周期压电网络对叶盘结构的频率影响很小,在本文所研究的叶盘结构模型的参数变化范围内仅对频率转向区有轻微的影响,变化最大只有2%;但是双周期压电网络会对叶盘结构的模态振型产生很大的影响,会使原各阶单一节径振型变为多节径振型,节径种类数跟双周期数有关;压电网络还会把机械位移转化为电荷位移;同时压电网络中电阻元件的引入提高了系统的模态阻尼比。这些都会对叶盘结构的振动响应起到很好的抑制效果。最后,采用修正的模态置信因子MMAC对双周期压电网络系统进行了振动抑制特性的评估,结果表明,通过对结构系统双周期数的设计能有效提高振动抑制效果。     

用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计

变体飞行器的结构既需要改变气动外形,也需要传递载荷。针对一种变体翼尖的设计需要,使用能量方法,构建了等效力学模型。在实现对波纹板刚度特性等效替代的同时,获得了波纹板整体应变与结构内局部应变的转换关系,从而可以通过对波纹板局部材料进行失效判定,实现对波纹板整体失效应变的预测;经过实验验证,该等效力学模型的解析解与实验值相比平均误差在10%以内。通过对波纹板几何尺寸进行参数分析,获得了单元几何参数对波纹板失效应变和等效刚度的影响关系。最终,针对变体飞行器承载与变形的设计需要,对波纹板进行了优化设计,进一步评估了波纹板结构的强度与刚度特性,为变体翼尖的设计提供了依据。