利用轴瓦可调轴承控制柔性转子系统的振动响应

提出了一种轴承下瓦可移动轴承,该轴承可以通过改变轴瓦的位置调整转子系统的工作状态。介绍了这种可调椭圆轴承的结构和工作原理,该轴承结构可以实现在连续工作状态下调节轴承椭圆度,而且与传统固定瓦轴承相比更加适合变工况下运行。通过FEM数值方法建立了转子-可调轴承模型,利用该模型研究了可调椭圆轴承对转子加速过程中动力学特性的影响。通过研究发现,转子未达到临界转速前增大椭圆度可以有效减小转子的振动幅值,抑振作用可达到65%;当接近临界转速时,减小椭圆度可以使转子的共振振幅明显降低,抑振作用达到37%左右;越过临界转速后再增大椭圆度有效减小转子振动,抑振作用可达到60%。然后搭建与理论模型完全一致的转子-可调轴承试验台,经过试验验证,证实了在升速过程中,合理调节椭圆度可以明显减小转子的振动,让转子系统更加平稳地升速到工作转速。     

Variable structure control and active vibration suppression of flexible spacecraft during attitude maneuver

This paper presents a new approach to vibration reduction of flexible spacecraft during attitude maneuver by using the theory of variable structure control (VSC) to design switching logic for thruster firing and lead zirconate titanate (PZT) as sensor and actuator for active vibration suppression. The spacecraft to be investigated is a hub with a cantilever flexible beam appendage, which can undergo a single axis rotation. The proposed control system includes the attitude controller acting on the rigid hub, designed by variable structure control technique, and the surface-bonded PZT patches for active vibration suppression of flexible appendages, designed by the positive position feedback (PPF) control technique. To avoid chattering, pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulation is adopted for the thruster control, which makes the thrusters to be operated in a close to linear manner and also can suppress the relatively large amplitude vibrations excited by, for example, rapid maneuver. However, some residual micro-vibrations still exist due to the switching actions. Upon that, the technique of active vibration control using PZT is turned on to provide further vibration suppression of the residual micro-vibrations and fine tuning of the system performance. By combining the advantages of both these control strategies, an improved performance for vibration control in both the macro-and micro-senses can result. Both analytical and numerical results are presented to show the theoretical and practical merit of this approach.     

1200℃高温环境下板结构热模态试验研究与数值模拟

高超声速飞行器高马赫数飞行时,翼、舵及垂尾等板形姿态控制结构将会面临极为严酷的高温环境,为了获得难于实测的结构在高温与振动复合环境下的热模态参数,本文将瞬态气动热试验模拟系统与振动试验系统相结合,建立了高温热/振联合试验测试系统,实现了高达1200℃热环境下矩形板结构的模态频率等关键振动参数的试验测试。同时,对矩形板结构的热模态特性进行了数值计算,并将试验结果与计算结果进行对比验证。试验中通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将结构上的振动信号传递至高温热场之外,使用常温加速度传感器对振动信号进行参数识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理。本文所获得的高温环境(200~1100℃)下矩形板结构的模态频率的试验结果与数值计算结果取得了比较好的一致性,验证了本试验方法的可信性及可用性。本研究结果为高超声速飞行器翼舵结构在高温环境下的振动特性分析以及安全可靠性设计提供了重要的试验手段和参考依据。     

锆钛酸铅压电陶瓷主动元件在航天自适应桁架结构中的应用

阐明了PZT压电材料的正、逆压电效应以及相应的压电作动器的机电耦合原理。针对航天自适应桁架结构的特点，运用PZT压电作动器进行了振动抑制实验并取得了良好的效果。     

大型卫星太阳能帆板的分布式振动控制

针对大型卫星太阳能帆板（LSSP）振动主动控制器设计复杂、在轨扩展不易且容错性能有限等问题,提出一种适用于模块化结构的分布式振动控制方法。首先,根据LSSP的结构特点划分控制子模块,建立面向分布式控制的子模块动力学模型,并结合卡尔曼滤波算法设计各子模块线性二次最优振动控制器;然后,考虑各子模块之间的测量信息交互,提出应用于LSSP整体结构的分布式振动控制系统并分析闭环系统稳定性。最后,给出数值仿真算例以验证所提控制方法的有效性。结果表明,采用可扩展的分布式控制器,LSSP的振动能够得到有效抑制,且控制系统的容错性能良好。     

Adaptive Variable Structure Controller for Spacecraft Vibration Reduction

A hybrid control scheme to vibration reduction of flexible spacecraft is presented by using a variable structure technique for attitude control and piezoelectric materials for active vibration suppression. The attitude controller consists of a linear feedback term and a discontinuous feedback ones. An adaptive version of the proposed attitude controller is also achieved through releasing the limitation of knowing the bounds of the lumped perturbations in advance. An additional independent control system acting on the flexible parts can be designed for further vibration suppression. Simulation results have shown the theoretical and practical merit of this approach.     

两自由度非线性吸振器在简谐激励下的振动抑制

 为了分析两自由度(2-DOF)非线性吸振器(NES)在主共振附近产生周期及非周期响应时的振动抑制效果,首先应用复变量-平均法,推导了线性主结构连接一个2-DOF NES的系统在主共振附近的慢变力学模型,并对系统平衡点的稳定性进行了分析,进一步对系统响应类型进行了预测。然后,应用增量谐波平衡(IHB)法,对系统的慢变模型进行了数值验证。之后,对系统在稳态响应段及强调制响应(SMR)段的振动抑制效果进行了比较。最后研究了该系统在激励频率小幅变化时的振动抑制效果,并同单自由度(SDOF)NES进行了比较。仿真结果表明,2-DOF NES在强调制响应段的振动抑制效果更好,并且得到了比同质量优化后的S-DOF NES更好的振动抑制效果。     

柔性结构振动控制的多尺度特征结构配置

对复杂柔性结构系统提出了一种多尺度特征结构配置方法,以实现结构振动的多尺度主动控制。通过反馈控制力改变结构的振动模态,使系统中不同敏感性部件的受扰振动以不同的速度趋于稳定,使敏感（关键）部件的振动能量快速迁移从而保证系统高精度的性能要求,同时使非敏感（非关键）部件的振动降低到允许范围。      

形状记忆合金智能结构的主动振动抑制研究

 从形状记忆合金 (SMA)智能结构用于主动振动抑制的构想出发,建立了含SMA非线性本构关系的智能复合材料结构的有限元模型,并结合试验验证了主动振动抑制的效果。试验和计算结果都表明SMA是振动抑制的有效驱动器,通过主动应变能调整 (ASET)的方法对结构固有频率的影响非常显著,这种影响主要体现在基频 (一阶固有频率 )的改变上,对高阶固有频率的影响逐渐减小。     

智能复合材料结构在未来飞机上的应用

智能复合材料结构是将传感器阵列、接收器件、发射器件埋嵌在复合材料中,将结构与电子系统功能溶合的一种新结构。美国计划在21世纪初研制出全智能结构飞机。本文仅说明智能复合材料结构在飞机上的应用前景,并从损伤评估、应变测量、改变应力、抑制振动以及天线元件等方面介绍当前的研究成果。     

薄壁圆筒结构工作变形的连续扫描激光测振方法

提出了一种薄壁圆筒结构外表面工作变形(ODS)连续扫描激光多普勒振动测试方法。将旋转平台与电动机控制引入激光连续扫描,发展了一种与激光连续扫描路径相匹配的电动机控制算法,使连续扫描激光振动测试应用于薄壁圆筒结构;对试验件进行了薄壁圆筒结构外表面激光连续扫描测试,获取了500 Hz内的前5阶模态,结果表明:该测试方法与商用激光离散点扫描测试模态振型的相关性在0.96以上,验证了薄壁圆筒连续扫描激光多普勒振动测试的可行性与准确性。连续扫描激光测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有指导意义和实用价值。     

高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件,由于结构刚度低,在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象,对其精加工质量造成严重影响。为此,基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先,介绍了阻尼器的结构,并建立了其阻尼特性的理论模型。然后,基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响,并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此,建立了装配界面抑制系统的动力学模型,并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后,通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度,阻尼比最大能提高2.17倍,等效刚度最大能提高1.65倍,能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性,装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好,能明显提高其动态可加工性,工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm,主轴转速可提升至500 r/min,这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。     

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。      

基于逆系统方法的多输入多输出非高斯驱动信号生成

多输入多输出(MIMO)振动环境试验是振动试验的新方法,该方法比传统的单输入单输出(SISO)方法更真实地模拟了结构在实际工作下的振动环境。传统随机振动试验的频域方法所模拟的是平稳高斯信号,但是实际振动环境往往是超高斯的,且超高斯激励和高斯激励对结构的损害差异很大,因此对MIMO超高斯振动环境试验的研究十分重要。驱动信号的产生是振动环境试验的关键。提出一种基于逆系统的MIMO超高斯驱动信号生成方法。首先,根据给定的响应参考功率谱密度(PSD)和参考峭度值采用相位调节法生成参考响应超高斯伪随机信号;其次,利用逆系统方法生成超高斯伪随机驱动信号;最后,对伪随机驱动信号进行时域随机化处理得到超高斯真随机驱动信号。对一根两输入两输出的悬臂梁模型进行了仿真验证,结果表明,采用本文方法所得到的驱动信号加载在梁上后,其输出响应谱与给定参考谱之间的误差完全满足工程中常用的±3 dB的要求,而且峭度也与给定的参考值十分接近,证实了所提方法的有效性。     

综合载荷环境下高超声速飞行器结构多场联合强度试验技术

针对当前高超声速飞行器结构综合环境强度验证技术的迫切需求,开展考虑气动力、高温、噪声及机械振动等载荷的多场联合强度试验设计,提出了多系统集成方法,给出了多载荷联合加载解耦方法与控制策略,基于行波管建立了多场联合试验平台,对平台关键环境影响因素进行了分析,给出了具体的解决途径,最后基于该试验平台完成了某舵面构件的气动力/高温/噪声/振动多场联合试验,得到了联合载荷作用下结构应变、加速度及位移等响应的时域与频域变化特征,试验表明,多场联合环境下结构的响应水平较高,结构更容易发生破坏,通过该试验验证了多场联合试验技术的可行性及有效性,可为复杂载荷环境下高超声速飞行器结构的地面强度试验验证提供有力的技术支撑。     

Modeling and flapping vibration suppression of a novel tailless flapping wing micro air vehicle

This paper establishes and analyzes a high-fidelity nonlinear time-periodic dynamic model and the corresponding state observer for flapping vibration suppression of a novel tailless Flapping Wing Micro Air Vehicle(FWMAV), named NPU-Tinybird. Firstly, a complete modeling of NPU-Tinybird is determined, including the aerodynamic model based on the quasi-steady method, the kinematic and dynamic model about the mechanism of flapping and attitude control,combined with the single rigid body dynamic mod...     

飞机管道颗粒碰撞阻尼器设计与试验验证

飞机管道振动超标是严重威胁飞机飞行安全的重要故障,降低飞机管道振动水平,对于提高飞机可靠性和安全性具有重要意义。针对难于施加管道卡箍约束的飞机管道结构的减振问题,设计了一种基于颗粒碰撞阻尼技术的管道减振器。该减振器通过特定的结构设计,在不影响现有管道结构的基础上,很方便地安装到管道上进行减振。其减振原理是基于减振器内部的颗粒碰撞而导致的能量耗散,从而提高管道结构的阻尼效应。因此,将此颗粒碰撞阻尼器安装在振动管道上,在管道发生共振的情况下,管道振动峰值将明显降低。本文基于所设计的管道减振器,利用振动台试验研究了颗粒填充率对减振效果的影响,发现改变阻尼器内部颗粒的填充率,管道的振动随颗粒填充率的增加有先减小后增大的趋势,同时利用EDEM颗粒流仿真软件计算了减振器振动过程中颗粒的能量耗散情况,发现颗粒能量耗散速率最大时所对应的颗粒填充率与试验过程中管道振动加速度降到最低时所对应的颗粒填充率达到了一致,仿真结果与试验结果取得了很好的一致性。最后,将所设计的颗粒阻尼减振器安装在液压动力源管道上进行实际减振试验,测试了在安装减振器前后,试验管道在X、Y、Z三个方向的振动加速度,经过对比分析,发现安装颗粒阻尼减振器后,液压管道的压力脉动频率下的振动水平得到了明显抑制,试验结果充分表明了本文所设计的飞机管道颗粒减振器的有效性和实用性。     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于充气前缘技术的旋翼翼型动态失速抑制

动态失速的发生会在直升机旋翼桨叶和桨毂上产生高的交变扭转振动载荷,并限制直升机高速重载状态下的使用包线。本文利用计算流体力学(CFD)方法对基于充气前缘(ILE)技术的SC1095旋翼翼型动态失速抑制进行研究,分析了ILE抑制动态失速的控制机理,获得了ILE结构布置和充放气方式对动态失速的影响规律。研究表明:ILE可以有效抑制动态失速的发生;ILE最大膨胀程度越大,其抑制动态失速的效果越好,但膨胀程度过大后抑制效果开始减弱;ILE在翼型上仰至最大迎角时恰好达到最大膨胀状态,其对动态失速的抑制效果最好;ILE保持最大膨胀状态的时间长短对抑制效果影响不大;在翼型上仰至不同迎角时开始对ILE充气会对动态失速抑制有较大影响;ILE整流段与翼型连接位置对动态失速抑制有很大影响,整流段越长,抑制效果越好。