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%。     

基于模态特性的机床高刚度结构共性优化设计技术研究

针对机床高刚度优化设计的共性技术问题,鉴于机床结构复杂和尺寸较大导致的数值迭代优化算法分析不足、优化加工试验成本较高的弊端,采用有限元模态分析和试验模态分析相结合的方法进行精密立式加工中心和龙门镗铣床的机床结构动态刚度优化设计.结果表明,在简化机床结构运动副的刚度阻尼等部件结合面的情况下,机床的有限元模态分析结果能够较...     

基于NGO-VMD和DBO-SVM的滚动轴承早期故障诊断

针对滚动轴承早期故障阶段信号微弱难以提取和识别的问题,提出利用北方苍鹰算法优化变分模态分解参数,并结合蜣螂优化算法优化支持向量机的方法进行故障提取和分类识别。首先,采用北方苍鹰算法对变分模态的最佳参数进行搜索,将信号用变分模态分解为若干个本征模态函数;然后利用峭度选取最优本征模态函数;最后将其输入蜣螂优化算法-支持向量机诊断模型中进行故障分类识别。实验结果表明,北方苍鹰算法-变分模态分解方法在迭代次数和收敛精度上均有一定的优势,采用峭度选择最优本征模态函数,包络解调分析后提取早期微弱故障信号故障特征的能力最佳;蜣螂优化算法-支持向量机诊断模型能在故障信号微弱背景下,使故障诊断分类识别率有一定的提高。该方法具有较好的故障特征提取和分类识别能力,为滚动轴承早期故障诊断提供技术支持。     

自适应桁架结构振动控制中主动构件的最优配置

主动构件的最优配置对于自适应桁架结构的设计和振动控制十分重要。为了确定主动构件在自适应桁架结构中的配置,通过引入闭环模态耗散能因子概念,来评价主动构件在结构振动阻尼控制中引入的结构模态主动阻尼的相对大小,由此建立主动构件配置多目标优化问题,并通过一平面自适应桁架结构优化数值计算,说明了该优化配置方法的正确性和有效性     

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。      

大型飞机全机地面振动试验技术研究

从试验设计、模态测试、数据修正三个方面，运用优化、虚拟、仿真的手段，探讨了大型飞机全机地面振动试验技术。分析了大型飞机弹簧小车支托方式寄生模态的存在性、附加质量和附加刚度对试验结果的影响，提出了支托参数优化的可行性方法。提出了准相似有限元模型辅助模态分离和基于纯模态／有限元模型的激振力矢量的优化方法。针对大展弦飞机，分析并提出了机翼航向模态的特殊性和测试与分离原则。分析了GVT数据修正技术的可行性和工程应用前景。     

改进频域子空间模态分析方法及在试飞中的应用

基于频域子空间模态参数识别方法,提出了一种适用颤振试飞数据处理的频域子空间与非线性优化相结合的模态参数识别方法。通过GARTEUR模型数据对其进行了仿真验证,结果表明,模态阻尼识别精度在5%以内。将该方法用于实际颤振飞行试验的数据处理,结果表明,通过非线性优化后能够提高模态阻尼的识别精度,且具有抗噪声能力强、密集模态识别能力强和识别速度快等优点。     

圆柱齿轮结构调频优化探索

阐述了圆柱齿轮模态分析方法,联合UG和ANSYS软件建立了圆柱齿轮模态计算分析模型,并对圆柱齿轮结构调频优化进行了探索。结合不同结构齿轮模型的模态分析结果,通过对比分析归纳了其固有频率计算数据,得到相关规律,提出了齿轮结构调频优化方法。该方法减少了调频优化过程中不必要的迭代,提高了分析效率,为齿轮调频优化提供了理论依据和方法指导。     

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

结构动力学拓扑优化局部模态现象分析

使用拓扑优化技术进行结构自然频率最大化设计时的主要问题是结构空洞区域可能出现的局部模态现象。采用刚度矩阵和质量矩阵求解动力学特征方程,通过算例分析了结构密度差异、惩罚因子对自然频率和模态的影响以及局部模态现象产生的原因。结果表明,由于实体各向同性材料惩罚函数法(SIMP)使用了指数惩罚因子,空洞区域的密度与刚度差异远远大于实体区域,导致空洞区域局部模态的产生。分析了局部模态的产生过程,给出了结构自然频率和模态相对实体-孔洞区域密度的比值以及惩罚因子的变化趋势。同时,基于传统体胞微结构均匀化等效模型方法,提出了描述结构空洞区域的多种体胞微结构,计算证实这些微结构形式均可有效地避免局部模态的发生。     

多模态时域振动衰减信号各模态分离与阻尼参数辨识方法

针对多模态信号中各模态难以准确分离和模态阻尼参数难以准确识别的问题,提出了布谷鸟搜索(CS)算法参数优化的变分模态分解方法 (CS-VMD)和模态阻尼参数辨识的包络线积分法(EIM)。使用CS-VMD方法将多模态时域振动衰减信号中的多模态分量准确分离开来,利用EIM辨识各模态的模态频率和阻尼比,并与理论值(或测量值)以及半功率带宽法(HPB)辨识值进行对比。位移仿真信号与压气机导向叶片测频信号模态分解及模态参数辨识表明,CS-VMD方法可实现对多模态信号的正确分解,EIM辨识的模态频率误差均小于1.0%;对于位移仿真信号,EIM辨识的模态阻尼比最大误差小于2.5%;对于压气机导向叶片测频信号,使用EIM和HPB方法辨识的模态阻尼比最大差别为9.098%,EIM的模态阻尼辨识精度比HPB方法高。     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

基于优化STD法的大飞机垂尾装配界面精加工过程模态参数识别

为减小大飞机垂尾装配界面精加工过程中产生的加工振动对其精加工质量的影响，需掌握装配界面加工过程的动力学特性，而动力学特性与其模态参数密切相关。因此，为获得装配界面各阶模态参数，针对其动态精加工过程，提出了一种优化STD环境激励下结构模态参数识别方法。该方法首先由装配界面的实测加工振动数据构造Toeplitz矩阵，并将其作为STD法的输入，进而求出装配界面各阶次模态参数，并构成模态参数下三角矩阵。然后利用模态置信因子及模态保证准则选出阶次相对稳定的模态参数作为装配界面的真实模态参数。最后，通过切削实验和锤击测试验证优化STD法的正确性和有效性。将锤击实验模态结果作为装配界面的模态参数测量参考值，以一阶模态频率识别结果为例，该方法相比于传统STD法和SSI法，识别精度分别提高了12.71%和3.82%；同理其余各阶模态参数识别精度均有不同程度的提高。通过优化STD法可准确高效地获得装配界面的模态参数，为其精加工工艺参数的合理选择提供了理论依据和技术支持。     

基于部件级模型修正的某发动机整机动态特性计算

针对型号研制初期产品缺乏试验、动力学识别误差较大的问题,采用一种经修正的简化模型计算发动机动特性。首先,使用多类型有限元单元进行整机刚度等效简化建模及单元耦合,计算得到喷管延伸段的结构模态特性;然后,对比喷管延伸段简化模型、全三维模型与振动台模态试验结果,以100 Hz内主要模态频率为优化目标,使用多目标遗传优化算法对简化模型进行修正重构;最后,计算重建后整机模型动态特性,得到发动机模态特性与各部件位置谐响应分布规律。该模型修正方法在型号研制初期不具备试验条件情况下,能通过多轮模型修正得到较为准确的整机动特性。     

AC500型飞机结构动力学有限元模型修正

介绍基于地面振动试验（GVT）结果和优化算法的结构动力学有限元模型（FEM）修正方法及其在AC500飞机中的应用，其中包括结构动力学FEM修正中的几个环节——全机FEM的建立、模型匹配、试验／分析相关性及修正参数的选取，并且还介绍了基于GVT结果和优化算法的结构模型修正中产生的特殊问题——模态跟踪（Mode Tracking）。最后给出修正后AC500型飞机FEM分析固有振动频率和模态，并对结果进行了评价。     

一种无人机荷兰滚模态辨识方法研究

针对某无人机无法测量侧滑角的问题,提出一种基于偏航角速率的荷兰滚模态低阶等效拟配方法。采用倍冲信号对荷兰滚模态进行激励,基于推导所得等效模型,采用最小二乘法进行频域优化,得到了某无人机在姿态遥控模式下的荷兰滚模态特性。结合飞行操作员评价表明:所采用的辨识方法适用于没有侧滑角传感器,且处于姿态遥控模式下的无人机荷兰滚模态特性辨识。     

基于参数优化变分模态分解的瞬时模态参数识别

针对变分模态分解的模态数和二次惩罚因子难以确定的问题,提出了基于正交性指标、能量比值和变分能量熵的参数优化算法;对于分解得到的单分量信号,发展了基于多项式调频小波变换的瞬时频率识别方法和基于能量法的瞬时阻尼比识别方法。开展了三自由度时变结构仿真研究和时变钢梁实验研究。研究结果表明：优化后的变分模态分解法能够精确分离多自由系统的各阶时变分量,具有较强的抗噪性能;基于多项式调频小波变换的瞬时频率识别方法具有很强的时变频率追踪性能、抗噪声能力强,时变频率识别精度高,平均误差不超过1%;能量法能够较准确地识别结构的瞬时阻尼比,识别误差保持在10%左右,抗噪优势明显。     

基于有限元分析方法的某惯性台体结构优化设计

建立惯导系统中惯性组件结构三维模型,利用有限元分析软件对惯性组件结构进行有限元模态计算和分析。根据模态分析结果,对惯性台体结构进行拓扑优化,达到惯性台体减重的目的,优化后的惯性台体结构满足文中提出的设计要求。此结构优化设计方法简单,易于实现,对优化惯导系统结构设计,实现小型化、轻量化目标具有一定的指导意义。     

模态跟踪技术在颤振计算中的应用

以p-k法为基础，在特征值选取过程中，采用了多点预测方法及优化选择方法进行模态跟踪，有效解决了模态之间的窜支问题。介绍了基于模态跟踪技术的防窜支颤振计算方法；编制了防窜支p-k法颤振计算程序；对某工程实例，分别使用该计算程序与MSC．Nastran软件进行计算，经结果对比分析，证明该方法能有效解决窜支问题。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。