平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究

针对压电振动除冰方法在工程上的可用性,以平面铝板为研究对象,采用有限元模型和结构动力学分析的方法,对平板压电除冰系统中压电元件的排布规律进行了研究。以平板长度方向上的截面为研究对象,用有限元分析方法研究了二维压电耦合模型的模态振型,选取了长度方向上三阶模态振型为最佳除冰模态振型,并以此振型为后续三维模型的基础振型。针对压电元件数量、压电元件相对贴片数量和压电元件贴片集中度这三个不同的排布参数,利用三维压电耦合有限元模型,以冰层与平板交界面处的弹性应变作为激励效果的直接体现参数,仿真分析了压电元件在平板宽度方向上的排布规律。仿真结果表明：压电元件在宽度方向上排布在中间位置和边缘位置,对结构均具有较好的激励效果,压电元件的布局要避开宽度方向上弹性应变较小的位置,因此对于分布在平板宽度方向边缘的压电元件,仍然可以在目标结冰区激励出较强的振动效果;在相同的接触面积下,减小压电元件的相对贴片数量,提高压电元件的贴片集中度,均可以提高压电元件对平板的激励效果,因此在实际应用中,在尺寸和粘接结构情况允许的情况下,尽可能选择尺寸较大的压电元件;并且当曲面上压电元件的贴片范围被限制的情况下,适当提升某一方向上压电元件贴片集中度,可以提高对平板结构的激励效果。灵活结合压电元件排布规律,可以设计出可行的压电元件排布方式,为压电除冰系统的工程研究提供借鉴和参考。     

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。     

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。     

用敲击法识别位移模态和应变模态

本文提出了在振动模态试验中用电阻应变片直接识别位移模态和应变模态的理论和方法,提出应变导纳概念,建立了应变和振动位移的关系,推导出在振动系统中用应变量表示的传递函数公式。用本方法可以识别出系统的模态参数(包括应变模态、应力模态)。     

薄壁结构干摩擦阻尼减振设计分析

加装干摩擦阻尼结构是航空发动机薄壁结构有效的减振手段。为提供工程可用高效的减振设计工具,建立了一种薄壁 结构干摩擦阻尼减振设计的分析方法及流程。给定薄壁结构的振动应力,针对不同的减振结构采用恰当的干摩擦接触模型,基于 能量耗散,计算干摩擦减振结构接触面所能提供的等效阻尼比,获得在所关注模态下减振结构所能提供的等效阻尼比随主结构考 核点振动应力变化的阻尼特性曲线。减振设计阶段目标为共振发生时,在结构许用振动应力下,减振结构能提供最优的阻尼比。 对4种常用的干摩擦阻尼结构进行了减振设计分析,结果表明：平板式缘板阻尼器优化质量为1.2 g、涡轮叶片锯齿冠优化预扭角 为0.5°（取许用振动应力50 MPa）时可得最佳阻尼效果;矩形截面阻尼环径向厚度和裂式阻尼套筒轴向长度在设计范围内取值越 大,阻尼效果越好。     

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点,通过考虑粗糙表面的接触热阻,建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律,并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显,接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

电子阻尼的增进——局部激励应变的补偿

分析了以压电陶瓷片为作动和测量元件,构成速度负反馈的闭环控制的“电子阻尼技术”之所以不能大幅度增加结构阻尼的原因。提出了“局部激励应变补偿”和把通常的微分负反馈改为低截止频率的惯性环节正反馈的控制新方案。压电悬臂梁的实验表明,它们能使结构模态阻尼比大幅提高。     

大型空间可展开天线结构的主动振动控制

利用内置压电元件的主动构件作为作动器,对大型空间可展开天线结构进行了振动主动控制的研究。分析了含压电单元的空间天线结构的振动主动控制的原理和方法,采用独立模态控制法对可展开天线结构实施主动控制。并且基于作动器的模态影响矩阵对作动器进行了优化布置,使其效能达到最大。最后采用LQR方法对结构进行控制,应用Matlab软件对该压电结构进行仿真实验控制。仿真的结果表明,通过振动主动控制明显增加了可展开天线结构的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果。     

裂纹参数和筋条布局对共振九宫板动态应力强度因子的影响

由于裂纹的出现会改变振动结构的断裂行为,本文建立了含中心裂纹九宫板结构的有限元模型并采用模态叠加原理快速求解出该结构在共振条件下的裂纹尖端应力强度因子（SIF）,然后分析并讨论了裂纹参数（偏转角度和裂纹长度）及筋条布局对应力强度因子的影响。结果表明：随着裂纹偏转角度的增加,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型应力强度因子最大值分别表现出不同的变化趋势（单调增加、无显著变化、先增加后减小）;裂纹长度同时影响应力强度因子最大值和裂纹类型;对于裂纹参数相同的九宫板,筋条布局改变了结构的模态振型,从而导致不同裂纹类型出现;特别地,当九宫板中央区域为正方形时,应力强度因子最大值和裂纹类型对裂纹偏转角度不敏感。     

热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则

根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和,必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度,则冰层发生破坏,破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。      

电脉冲除冰系统的除冰实验与数值模拟

搭建了电脉冲除冰实验台,完成了脉冲放电500V时的除冰实验,获得了三次除冰激励后的除冰效果.同时,为数值模拟除冰过程,求解了除冰动力即铝板在涡流场作用下的脉冲压力分布,建立了冰-铝板三维有限元分析模型,利用ANSYS单元生死技术瞬态非线性分析了冰层的失效单元,比较了Labeas冰层失效准则与第一强度理论分析冰层失效的效果.结果表明:加载除冰激励后,利用第一强度理论数值仿真去除冰层范围的结果更符合本次除冰实验.      

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。     

复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究

胶接是复合材料结构主要连接方法之一,对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。在初步设计阶段,一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头,在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上,提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法,该方法考虑了被胶接件的剪切变形,认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形,剪应力沿该半厚度呈线性分布。算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果,可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。     

强迫振动下超声速混合层的掺混特性

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有重要影响.与无振动下相比,强迫振动使混合层的失稳位置提前,卷起的展向涡尺度变大,加快上下两层流动的混合.同时,强迫振动下,动量混合和标量混合更加充分.振动频率为4500Hz时,雷诺应力峰值提高约48%,薄平板后缘下游160mm处,动量厚度增长120%.      

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

电脉冲除冰系统除冰激励的简化与影响因素

首先建立了电脉冲除冰系统的电路模型,求解了有无二极管条件下的理论脉冲电流曲线,通过分析计算电流与实验电流,提出了将正弦半波电流函数用于电磁场分析以简化研究除冰激励的观点,同时求解了不同电流方式下的电磁压力分布,再用结构动力学分析了不同压力载荷下实验铝板的响应位移。其次通过比较铝板中心位移实验值与动力学求解的响应位移值,其有效的吻合程度验证了用正弦半波函数电流简化电脉冲除冰激励分析的可行性。最后,在利用正弦半波电流函数简化分析脉冲激励的基础上,研究了电流大小、电频率、铝板厚度、铝板弹性模量、铝板密度以及铝板长宽比对最大响应位移的影响。研究结果表明,最大响应位移随电流增大而增大,随铝板厚度、弹性模量与密度的增大而减小,且随电频率的改变而改变,但几乎不受铝板长宽比的影响;在研究电频率时得出,可将电频率与系统结构固有频率以1:1的比例设计,此关系式是电脉冲除冰系统电路设计的基础。     

CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化

研究了运用压电陶瓷作动器对碳纤维增强复合材料（CFRP）格栅反射器的型面主动控制。首先,采用了一种具有独立电压自由度的梁单元,以及考虑高阶剪切变形的板单元,对主控格栅反射器进行有限元建模;运用能量变分哈密尔顿原理推导了主控格栅反射器的有限元控制方程,并给出了反射面型面残余均方根（RMS）误差最小的电压最优控制方法。然后,研究了在典型载荷下,反射面残余RMS误差最小的PZT作动器位置分布的优化配置问题;提出了一种将遗传算法和梯度投影方法相结合的改进优化方法,用来求出在限定作动器数量的条件下,作动器几何位置的优化配置,使控制后反射面的残余RMS误差最小;给出的数值算例验证了方法的正确性和有效性。最后,研制了格栅反射器型面主动控制的实验样机,针对反射器的初始制造误差进行了型面主动控制,验证了控制方法的可行性和有效性。     

复合材料风扇叶片高周疲劳薄弱点位置预测

提出了一种复合材料风扇叶片高周疲劳薄弱点位置预测方法.利用铺层信息文件,在ACP(ANSYS Composite Pre-Post)中通过壳单元法向拉伸建立全尺寸风扇叶片有限元模型,基于ANSYS-Work-bench和Tecplot底层函数接口,开发的后处理程序完成铺层叶片有限元数据提取和数据库建立.根据复合材料CL...