太阳翼铰链结构的动力学实验与非线性动力学建模

通过动力学实验获得真实的太阳翼板间铰链结构于不同激振频率下的振动响应参数,并采用力状态映射法建立板间铰链的非线性动力学模型。首先,采用单频激励信号模拟外扰对实际的板间铰链结构实施动力学实验;然后,基于其结构具有的多重非线性动力学特性,根据实验数据应用力状态映射法辨识结构的动力学参数,建立其非线性动力学模型;最后,对由太阳翼板间铰链连接的两段梁所构成的系统进行了冲击激励下的振动响应测试,同时进行了有限元动力学仿真,实验测试结果和数值仿真结果取得了较好的一致性。本文建立的太阳翼板间铰链非线性动力学模型能够较好地反映其动力学特性,对于实际太阳翼结构的动力学建模具有理论参考价值。     

柔性太阳翼桅杆涂层特性对热诱发振动的影响分析

空间站大型柔性太阳翼系统在轨运行期间会受到周期性的热辐射作用,导致结构温度周期性变化,从而诱发太阳翼的振动。为研究太阳翼桅杆热控涂层特性对热诱发振动的影响,文章采用热-结构顺序耦合的方法,对桅杆无涂层、电镀涂层和白漆涂层3种不同表面状态进行热诱发振动分析,得到了太阳翼的位移-时间响应结果。对比不同涂层下太阳翼参考点的振动结果可以看出:涂层特性对于热诱发振动是有影响的,其中白漆涂层能大幅度减小振动的振幅。     

新型复合材料功能梯度板热屈曲研究

针对目前功能梯度材料(FGM)热物参数存在众多不同表征方法的现状,假设功能梯度平板材料热物参数沿厚度向呈同一任意函数形式变化,基于经典板理论和一阶剪切理论,用临界平衡法推导板的屈曲方程,用Navier法求解方程,给出功能梯度平板热屈曲临界温度的通用解析式。考虑其热物参数对温度的依赖性,通过迭代算法获得了四边简支的功能梯度平板在均匀受热时临界屈曲温度变化的封闭解。以常用的指数型功能梯度平板为例进行了数值计算,分析了平板几何尺寸对其临界屈曲温度的影响。结果表明:结构尺寸参数是影响临界温升的最主要因素,临界屈曲温度分别随其厚长比和长宽比增大而单调增大。研究扩大了均匀温度场中功能梯度平板热屈曲临界温度计算公式的适用范围,有一定的工程意义。     

基于Reddy简化高阶剪切理论的复合材料对称角铺设矩形板横向弯曲一般解析解

采用复数级数法求解基于Reddy简化高阶剪切理论的复合材料对称角铺设矩形板横向弯曲问题。将待定位移函数展开为复数级数,代入该弯曲问题控制偏微分方程组,确定特征根和挠度待定常数与其他位移函数待定常数之间关系式。首次给出了该弯曲问题实数形式的一般解析解。将该一般解析解代入矩形板弯曲边界条件和角点条件,根据正弦级数的正交性建立关于挠度函数待定常数的线性代数方程组,求解此线性代数方程组可确定挠度函数待定常数。建立了该问题解析求解模式。将Reddy高阶剪切理论解析解与经典理论、一阶剪切理论解析解进行对比计算,验证了一般解析解,并给出数值算例。     

移动刚体激励下弹性梁的振动及其主动控制研究

本文研究了移动刚体激励下弹性梁的振动响应，以简支一弹怀支承梁为例进行了分析计算和实验研究。进而又提出了对弹性梁振动的最优控制方案，并进行了相应的仿真计算和实验研究。所有的实验结果同分析计算结果完全一致。     

基于模态缩聚的限位状态驱动机构非线性动力学分析

含限位的驱动机构具有刚度非线性特征，在正弦振动力学试验中，不同试验量级加速度激励下其主频位置、响应放大倍数等动力学特性均会发生变化，需要开展动力学响应分析提前预示非线性影响，指导产品抗力学环境设计。基于模态缩聚理论，发展了一套针对限位非线性问题的正弦振动响应快速分析方法，可适用于各类复杂驱动机构类产品，避免了大规模有限元模型的非线性计算。算例分析表明:该方法可有效预示不同振动输入量级下限位非线性对产品响应特性的影响，反映出典型的非线性频响突变现象，且计算效率高，可为产品力学特性仿真和力学试验的开展提供有力支持。     

利用航天器分舱段振动试验数据获取整器响应的方法

未来大型组合体航天器振动试验可能难以在现有设备上进行,需要进行分舱考核。文章针对此问题开展了利用分舱段振动试验获取整器响应的方法研究。提出的方法为:根据不同界面下模态的映射关系,利用单舱段的振动试验数据辨识出舱段的两端固支模态;采用模态综合技术计算出整器组合体模态参数,拟合出结构的加速度响应传递函数;结合整器的加速度试验条件可以给出整器的试验响应曲线。仿真验证结果表明该方法合理可行,具有工程应用价值。     

大型可展收支撑臂模态试验研究

大型可展收支撑臂具有低频、振动响应非线性的特性,文章对其模态试验进行了详细研究。通过有限元模型分析得到响应点和激励点的位置,采用不同的试验方法实施支撑臂的模态试验,对试验数据进行分析,得到支撑臂前6阶模态的固有频率、模态阻尼和模态振型。结合有限元方法对试验进行对比分析,表明试验结果可靠。该研究成果对太阳翼、展开天线等大型部件的模态试验也具有一定借鉴意义。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

逆向卸荷式气体减压阀的动态特性仿真

考虑到摩擦力、阻尼力及流体流动作用力等主要非线性因素对减压阀动态特性的影响,建立了逆向卸荷式气体减压阀的动态特性数学模型,并对其启动过程与负载变化下的动态响应特性进行了仿真计算,研究了动态过程的压力、温度、流量以及阀芯位移等参数变化情况,分析了不同的参数对减压阀启动特性的影响,提出了改善减压阀动态响应特性的措施。     

Surface effects on the free vibration behavior of postbuckled circular higher-order shear deformable nanoplates including geometrical nonlinearity

This investigation deals with the free vibration characteristics of circular higher-order shear deformable nanoplates around the postbuckling configuration incorporating surface effects. Using the Gurtin–Murdoch elasticity theory, a size-dependent higher-order shear deformable plate model is developed which takes account all surface effects including surface elasticity, surface stress and surface density. Geometrical nonlinearity is considered based on the von Karman type nonlinear strain–displacement relationships. Also, in order to satisfy the balance conditions between bulk and surfaces of nanoplate, it is assumed that the normal stress is distributed cubically through the thickness of nanoplate. Hamilton?s principle is utilized to derive non-classical governing differential equations of motion and related boundary conditions. Afterwards, an efficient numerical methodology based on a generalized differential quadrature (GDQ) method is employed to solve numerically the problem so as to discretize the governing partial differential equations along various edge supports using Chebyshev–Gauss–Lobatto grid points and pseudo arc-length continuation technique. A comparison between the results of present non-classical model and those of the classical plate theory is conducted. It is demonstrated that in contrast to the prebuckling domain, for a specified value of axial load in the postbuckling domain, increasing the plate thickness leads to higher frequencies.     

压力管道流固耦合振动特性分析

压力管道系统中存在流体和结构之间的耦合振动。因此,在研究压力管道的动态特性时,应考虑管内流体对管道结构动态特性的影响。本文以某动力系统空间管路为研究对象,采用Galerkin法对导管-流体组成的耦合系统进行有限元离散,建立耦合系统控制方程。在此基础上,用考虑初应力刚度的有限元法,对导管充压前、后的振动特性进行了数值计算,详细分析了流固耦合作用对导管结构振动特性的影响,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,流固耦合作用对导管模态振型的影响很小,但对导管各阶固有频率有不同程度的影响。     

控制箱夹具传递特性及对振动信号失真的影响分析

文章针对某控制箱夹具非主振方向运动过大致振动台信号传递失真问题进行有限元仿真分析。在分析控制箱夹具传递特性的基础上,通过大质量法探讨基于实测加速度数据直接加载的振动台-夹具-试验件耦合模型的响应计算方法,分析夹具致信号传递失真原因,并通过厚度优化提高夹具的固有频率。研究结果表明,夹具在激励频段内的非主振方向共振将导致试验件在该方向的过考核;模态贡献量分析可以更具针对性地设计或改进夹具结构。     

基于统计分析的有限元模型修正

响应面模型代替有限元模型进行修正便于与粒子群算法等优化算法结合,有利于提高修正效率和精度。文章用某雷达卫星的简化有限元模型计算基于正交设计的各水平参数下模态频率,用方差分析确定待修正参数并构造二次响应面模型,用最小二乘法确定多项式系数,以响应面计算结果与实测结果的差值构造适应度函数并用之引导含混沌搜索机制的改进粒子群算法对待修正参数的偏移量进行寻优,修正后参数代入原有限元模型得到修正模型。修正后模型不仅能以高精度复现测试频段内的模态频率,而且能以一定精度预测测试频段外频率,证实了修正方法的有效性。     

火箭发动机涡轮盘模态影响因素与振动安全性分析

涡轮盘结构模态特性及振动安全性是对其进行动力学设计的基础。首先,在模态试验的基础上,建立了准确的涡轮盘结构动力学模型;其次,开展多物理场作用下涡轮盘结构模态分析,研究轮盘工作时温度场、应力场及其耦合效应对模态特性的影响规律;最后,对轮盘振动安全性进行评价,给出其振动安全裕度。研究表明,离心力的旋转“刚化”作用使得模态频率升高,温度效应引起结构刚度减小使得频率降低,气动力引起结构“软化”使得频率下降;在力热综合作用下,对前6阶模态频率影响程度的大小顺序依次是转速、与温度相关的弹性模量、热应力及气动力,且气动力的影响可以忽略不计;力热载荷影响模态频率,但不影响模态振型;涡轮燃气激励起轮盘结构低阶节径模态行波耦合共振的可能性较小。     

超声速气流下黏弹性夹层壁板非线性颤振分析

基于Kelvin-Voigt黏弹性本构模型、von-Karmen薄板大变形理论和三阶气动力活塞理论建立了三维黏弹性夹层壁板的气动弹性颤振方程。使用Galerkin截断方法,对超声速气流下,四边简支黏弹性夹层壁板颤振的非线性特性进行了研究。对于非线性一阶截断方程,研究了它的平衡点及稳定性随来流速度的变化情况,得到了系统发生静态分叉时的临界速度;对于非线性二阶截断方程,使用数值仿真分析方法,得到了系统发生Hopf分叉时的临界速度,并利用响应、相图等手段研究得到黏弹性夹层板随来流速度变化的动力学特性。     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器,通过定义广义全局模态振型,提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形,基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程,结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比,分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况,第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz,说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率;理论模型能够比较准确地描述动态响应,端部横向位移的最大误差为2.6%;基于气浮平台构建了试验系统,理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近,说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。     

正交各向异性层合圆板的非轴对称弯曲

利用层合板的宏观应力应变关系，从三维板壳理论入手，建立了对称铺设正交各向异性层合圆板在外载荷作用下弯曲问题的微分方程。考虑一个复合材料整星隔振适配器与卫星所组成系统的横向运动等效模型，计算出特殊正交各向异性层合圆环板在集中弯矩作用下的解析解，并与有限元计算结果进行对比，证明了解的正确性。