航空发动机转子系统建模方法和振动特性分析

针对现代航空涡扇发动机转子系统的结构和力学特征,运用有限元法对其低压转子进行了有限元建模方法和动力特性研究.分别采用二维梁单元和三维实体单元建立转子系统的有限元模型,对其动力特性计算结果进行比较分析,在此基础上,提出了等效圆盘法进行有限元建模的等效原则.等效圆盘法将转子系统的叶片等效为刚性圆环,既能保留转子系统的结构和力学特征,又能有效地控制模型规模,将周期问题转化为轴对称问题,便于有限元程序的求解计算.计算结果表明,该方法是一种适用工程实际的有限元建模方法.     

航天器设备动力学分析模型简化方法与应用

针对航天器设备因构成复杂引起的动力学分析模型建模困难问题,提出一种基于拓扑优化技术的有限元模型简化方法,以设备实测质量特性为约束条件,通过拓扑优化方法确定设备有限元模型可行设计空间中的材料分布,实现对结构刚度性能的模拟,获得满足动力学特性分析需要的简化的设备有限元模型。应用该方法创建了某星敏感器简化有限元模型,得到的星敏感器简化模型与产品实际质量、质心位置和转动惯量特性基本一致,并且前两阶频率分析值与试验值之间最大偏差约为30%。将该简化模型应用于其支撑结构的动态响应性能评估,两者组合体固有频率及加速度响应趋势的分析数据在450Hz以下的频率范围内与试验数据吻合较好,固有频率最大偏差约为39%。星敏感器简化模型的应用验证了基于拓扑优化技术的有限元模型简化建模方法的可行性,为航天器上复杂设备动力学分析有限元模型的简化建模提供了一种新的解决途径。     

横向加强构件作用下的开口薄壁梁等效建模方法

卫星结构中通常有大量横向加强构件作用下的开口薄壁杆件,横向加强构件一般沿杆件轴向均匀分布,通过对这类结构研究,理论上证明了这种结构的振动微分方程与普通的开口薄壁梁振动微分方程有相同的形式,因此可以用开口薄壁梁单元进行等效计算。本文建立了开口薄壁梁的3种数学模型:有限元模型、传递矩阵模型和解析模型。采用优化理论中序列二次规划对等效截面参数进行辨识,同时分析了不同目标函数对辨识结果的影响,并且提出了一种对截面初始参数进行估计的方法。对于有限元模型,提出采用MATLAB与ABAQUS交互式参数优化方法,充分结合二者优点可以快速高效地对截面参数进行优化辨识,具有较强的通用性。通过实验验证了这种等效建模方法的正确性与精确性。所提出的等效建模方法可以减少90%以上的单元数量。通过建立这种简化模型,可以大幅度提高整星结构模型修正与结构重分析的效率。      

腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响

针对平面编织复合材料梁腹板结构剪切载荷作用下的面内剪切屈曲失稳和后屈承载能力问题,采用实验与有限元方法进行了研究。结合实验所得应变分布规律与有限元分析所得失稳模态分析了梁腹板结构剪切失稳特点。后屈曲承载分析中引入了平面织物复合材料Hashin失效准则,获得的结构主要失效模式包括纬向纤维压溃和经向纤维拉断,与实验结果符合良好。基于经实验结果验证的有限元模型进行了参数化研究,分析了腹板开口尺寸和开口形式对平面织物复合材料梁腹板剪切稳定性、承载能力和破坏模式的影响。研究结果可为复合材料结构设计和强度评估提供参考。      

蛋壳夹芯结构的变形机制及力学性能

从结构仿生的观点出发,提出了"孔壳夹芯结构"模型,通过模拟样件试验,归纳出了"孔壳夹芯结构"的压缩变形机制,得出"蛋壳夹芯结构"的承载能力主要取决于"蛋壳"的材料、结构尺寸和排列角度等因素的结论.应用薄壳理论,算出了"蛋壳"单元在承受均布压力情况下的屈曲临界压力,同时,对"蛋壳"单元建立有限元模型,进行了静力学和屈曲模态分析,为进一步的"蛋壳夹芯结构"的工程轻量化设计提供了理论依据.     

整体壁板压弯成形等效计算模型

分析了筋条内弯型整体壁板压弯成形过程中蒙皮和筋条的弹塑性变形分布,鉴于内弯筋条发生塑性变形而蒙皮主要为弹性变形的特点,提出了一种将蒙皮部分简化为虚拟材料筋条的几何等效方法.推导了基于惯性矩的虚拟材料等效系数计算公式,给出了复杂网格筋条壁板等效模型建立过程和虚拟材料系数计算方法.进行了Ⅰ型单筋条和网格筋条壁板的有限元分析和压弯实验,对比分析了完整模型和等效模型的计算效率和精度,并用实验数据进行了验证,表明建立的压弯成形有限元等效模型精度可靠、效率数倍提高,为大型整体壁板压弯成形分析和工艺参数优化提供了基础.     

一种柔性铰链连接的柔性板结构振动模态分析

针对一种空间铰接柔性板结构的振动特性进行了分析,采用有限元分析方法给出通过柔性铰链连接的柔性板结构建模思路.利用有限元软件ANSYS对几种不同的铰链扭转刚度条件下铰接柔性板结构进行了模态分析,获得了模型结构的前五阶模态曲面及其模态频率.并比较了不同铰链刚度对铰接柔性板结构的模态振型和模态频率的影响.该分析有助于研究铰接柔性板结构的动力学和控制方案的设计、建模和分析.     

空间相机主要力学性能的分析与计算

采用了有限元分析方法对空间相机的整体结构进行了主要力学性能的分析与计算.首先,将相机作为一个系统,建立了结构的实体模型,利用PATRAN软件建立结构的有限元模型,为不同的零件分配了不同的单元类型,然后,运用NASTRAN程序对有限元模型进行了分析,得到结构的前五阶响应频率,并且分析了随机振动动载荷对结构某些关键点的影响.上述分析结果对相机结构的改进设计有重要参考价值.     

基于有限元法的主动隔振单元建模分析

针对大载荷对象低频微振动主动振动控制平台的设计问题,提出一种基于模块拼装思想的主被动混合隔振平台结构方案,模块化设计大大简化了主动振动控制平台的设计难度,使得拼装后的平台具有承载能力强、精度高等优点,由于所用模块单元结构形式完全相同,组合后的主动隔振平台的特性完全取决于单元的特性;以主动隔振单元为研究对象运用有限元法建立其动力学模型,模型中包含以位移向量形式表示的外界激振项和以力向量形式表示的主动控制项,当上述两项为零时,可以通过求解动力学模型得到主动隔振单元的固有特性;利用ANSYS商用软件进行主动隔振单元的模态分析,对比结果验证了该动力学模型的正确性.     

充气展开自支撑臂振动模态分析

充气展开自支撑臂是由层合铝膜和离散自支撑壳组成,可在无充气压力下实现对有效载荷的支撑。为提高充气展开自支撑臂振动特性预测精度,首先,基于Timoshenko梁理论和哈密顿原理,推导了自支撑臂振动微分方程,提出了考虑充气压力的预应力和构型变化的梁单元模型。该单元模型考虑了结构自支撑壳的离散分布特性,使建立的质量矩阵更接近自支撑臂结构的真实值。然后,通过实验对该模型进行验证,结果表明本文方法比传统梁单元模型具有更好的精度。最后,分析了充气压力和自支撑壳宽度等参数对自支撑臂结构振动模态的影响规律,结果可为充气展开自支撑臂的设计提供理论参考。      

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

TC4喷丸强化仿真与试验

针对目前喷丸有限元仿真研究中弹丸规则排列、覆盖率无法精确计算的研究现状,基于ABAQUS二次开发建立了弹丸空间位置随机分布、弹丸数量由覆盖率决定的多弹丸喷丸有限元模型,实现了不同工况、不同喷丸覆盖率条件下所需弹丸个数的精确计算;在此基础上研究了不同喷丸参数对TC4钛合金材料表面残余应力与表面粗糙度的影响规律。进行了TC4喷丸试验,将得到的残余应力分布、表面粗糙度与仿真结果进行对比,验证了该有限元模型的合理性。研究成果对喷丸工艺参数的确定具有一定的指导意义。      

基于测量数据的不确定性结构分析的模糊理论

针对不确定性结构力学问题,提出了基于测量数据的模糊分析方法.该方法利用差值因子构造了不确定参数的隶属度函数,对不确定参数的有限个分散数据进行不确定性描述和定量化处理,估计出其真值估计和区间估计,将其运用到不确定性结构力学问题的模糊有限元分析中,以求得结构的不确定性响应.最后以十杆桁架结构为例,运用该方法对结构的不确定响应进行了分析,仿真结果验证了该方法的有效性.     

空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器研究

为抑制卫星平台对天基望远镜的扰动, 需进行减振设计. 设计了一种空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器, 具有密封可靠、空间环境适应性好等特点. 根据流固耦合相关理论建立阻尼参数模型, 在此基础上实现了隔振器结构设计, 并对核心元件弹簧片进行参数优化设计, 加工制作出一套原理样机. 对该样机的刚度和阻尼性能进行了仿真分析和实验测试. 结果表明, 该隔振器的刚度特性和阻尼特性理论分析结果均与实验结果吻合较好, 说明模型较为准确, 具有工程设计指导价值.      

高速切削高温合金GH4169数值模拟与实验

为了准确模拟高温合金GH4169高速切削过程,深入研究了高速切削GH4169的有限元建模技术,包括有限元模型的建立、材料本构模型、切屑分离准则以及接触摩擦模型等关键技术。为了模拟高速切削GH4169的切屑分离过程,研究切屑形态及其形成机理,分别采用Johnson-Cook和各项同性硬化本构关系模型对GH4169的高速加工过程进行二维正交切削有限元模拟,2种模型都获得了相类似的锯齿状切屑。在此基础上,模拟了基于上述2种模型的应力场、温度场和切削力曲线。为了验证有限元模型的有效性和正确性,在CA6140机床进行了GH4169高速车削实验,实验获得的锯齿形切屑验证了2种有限元模型的正确性,实验结果表明:随着切削速度的增大,锯齿状切屑的锯齿化程度增大;绝热剪切是导致高速切削GH4169生成锯齿状切屑的主要原因。实验测量的切削力曲线和切削温度场,与有限元模型A输出结果更好地吻合,进一步表明模型A比模型B更能反映GH4169的实际高速加工特性。      

基于ABAQUS的三轴转台随机响应分析

运用ABAQUS有限元分析软件对某三轴转台模型进行模态分析,得出该转台的谐振频率及振型。通过对三轴转台进行了结构上的改进,提升了转台的谐振频率值。最后进行随机响应分析,输出转台上某结点的加速度曲线。这些相关数据和曲线为三轴转台的振动试验提供了理论支持。     

基于ABAQUS的三轴转台随机响应分析

运用ABAQUS有限元分析软件对某三轴转台模型进行模态分析,得出该转台的谐振频率及振型。通过对三轴转台进行了结构上的改进,提升了转台的谐振频率值。最后进行随机响应分析,输出转台上某结点的加速度曲线。这些相关数据和曲线为三轴转台的振动试验提供了理论支持。