基于多尺度方法的含基体裂纹纤维增强陶瓷基复合材料杆动力学响应计算(英文)

提出了一种用于模拟带基体裂纹损伤的陶瓷基复合材料(CMC)杆动力学响应的多尺度方法。在宏观尺度采用有限元法模拟CMC杆的动力学响应。在细观尺度,采用多尺度力学模型计算材料的应力应变响应。建立了分布式计算系统加速模拟过程。通过算例分析计算了Nicalon/CAS-Ⅱ杆在轴向简谐载荷下的动力学响应。结果表明CMC在拉伸和压缩载荷下的应力应变响应都表现出明显的非线性特征。这导致CMC杆在简谐载荷作用下的动力学响应与弹性杆不同:(1)CMC杆的位移响应不再关于u=0对称;(2)由于非线性阻尼的作用,当外载荷频率达到一阶固有频率时,如果外载荷的幅值不是太大,CMC杆的位移响应被限制在一定的范围内,而不产生发散;(3)减小基体裂纹间距会增加杆的位移响应幅值。     

叶顶间隙对非定常激振力及下游静子振动影响

压气机叶片叶顶间隙会产生泄漏流,对非定常流动及下游静子会产生一定影响。为研究不同叶顶间隙下非定常气流激振力以及静子叶片振动响应,对不同叶顶间隙下单级压气机的非定常流动进行计算。随后分析非定常结果的流动特性。再利用快速傅里叶变换对静子表面的非定常激振力进行频谱分析,并将按不同频率分阶的载荷加载到静叶上以求解振动响应。非定常结果表明随叶顶间隙增大,效率和压比与之呈线性递减关系,叶片表面时间平均的压力也随之降低。而激振力的频域结果表明,激振力主要频率与叶片通过频率接近,且一阶激振力效应最大。振动响应结果显示随叶顶间隙增加,振动幅值有所降低,但在20%~40%叶高处有非线性现象,位移波谷有轻微下降。且前三阶响应结果接近静叶第3阶,第8阶和第17阶模态振型,频率相差为10%左右。     

复合材料飞机动力学建模研究

在进行复合材料飞机气动弹性、动响应等分析时,需要进行飞机结构动力学建模.为此,基于经典层合板理论进行了复合材料刚度的等效计算,结合结构力学闭剖面理论分析了飞机剖面的弯曲、扭转刚度特性,并根据刚度分布建立了全复合材料飞机的动力学单梁模型.与地面共振试验结果的对比表明,复合材料飞机动力学单梁模型是有效的,且相对板壳模型更接近试验结果.建模方法对复合材料飞机结构设计具有指导意义.     

通信卫星用先进复合材料天线反射器的分析和实验评价

本文详细介绍了有限元动力学分析法(FEM),用本法来模拟通信卫星复杂的先进复合材材天线反射器的设计,并利用频率、模态形状和动态响应来评价动力学特性。天线反射器对正弦波和燥声引起的响应用与变形、载荷和应力相关的模型来描述。最后的评价包括由所进行的试验中提炼出来的阻尼特性和根据应力分析进行的设计,简要介绍了动力学实验和用实验结果对分析结果进行的校正。     

叶片在变转速状态下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力作用下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了不同展弦比的叶片在离心力作用下,其“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,在叶片的动频曲线相交点处,相同厚度、相同长度的叶片,展弦比较大的叶片的动频曲线交点对应的转速和频率较大;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

鸟撞击的载荷因素对叶片响应的影响

本文以矩形悬臂板模拟真实叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。通过计算多个算例进行分组比较,分析了鸟撞载荷的冲量传递,加载持续时间,加载位置,载荷的空间分布等不同载荷因素对叶片响应的影响。为鸟撞击载荷过程的合理简化提供了依据。      

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题,开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比,表明两者结果存在一致性,进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上,针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算,获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析,总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图,清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化,并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律,并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

弹性机翼的动力学建模与冲击动响应分析

运用"准模态"方法对某弹性机翼进行动力学建模,通过模态分析对动力学有限元模型进行修正,对修正后的模型进行固有模态分析,运用模态瞬态响应的分析方法对急操纵襟翼产生的冲击载荷进行冲击响应特性分析.     

齿轮传动系统动态特性分析

针对圆柱直齿轮副的模态和动态响应问题,利用有限元软件进行分析。首先在UG中建立圆柱齿轮副的三维实体模型,并导入有限元软件patran中,建立起有限元模型。然后通过模态分析得出前20阶固有频率及相应主振型,模态结果表明了从动轮固有频率较低,较易产生共振;在模态分析的基础上,对齿轮副进行了动力学瞬态响应分析,结果显示结构在工作冲击载荷作用下不易发生破坏。     

旋转叶片在热激励下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力场和温度场效应下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了在离心力作用和不同工作温度下,叶片的“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了T=25℃时,在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,工作温度越高,动频交叉点处对应的旋转速度越高;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

裂纹叶片频率转向和振型转换特性研究

基于有限元法对裂纹悬臂平板叶片的频率转向和振型转换特性进行了线性和非线性研究。首先使用张开型裂纹模型通过线性模态分析研究了裂纹长度变化引起的频率转向和振型转换问题,使用模态置信因子定量分析了频率转向区内振型的渐变过程。而后考虑裂纹闭合效应,建立了裂纹平板的双线性模型,使用张开型和闭合型模型线性分析结果计算得到双线性频率,其中张开型和闭合型裂纹振型通过模态相关性分析进行匹配。计算了裂纹叶片双线性频率,分析了非线性频率转向特性与线性分析结果的差异。最后使用接触有限元模型瞬态响应扫频计算得到非线性共振频率,对张开型模型和双线性模型在典型弯曲、扭转和面内弯曲模态的共振频率进行了验证。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

加筋板在热声载荷作用下随机疲劳寿命估算

薄壁结构在热声载荷作用下的应力响应对其疲劳寿命估算有着很大的影响.给出了热声载荷作用下加筋板结构的大挠度运动方程,运用有限元方法进行数值模拟,分别计算了四边简支薄壁板与加筋板在相同有限带宽高斯白噪声载荷和变化温度下的应力响应,得到了应力时间历程、应力概率密度分布和应力功率谱密度,利用改进的雨流计数法,结合线性累计损伤理论,采用Smith-Watson-Topper（SWT）平均应力模型估算了两种结构在热声载荷作用下的疲劳寿命,并进行了比较分析.     

基于电磁干风洞的大柔性结构准模态试验研究

结构的频率是结构的重要动力学特性,对于飞行器来说,当机翼等大型结构在非定常气动力作用下发生变形时,其频率也会发生变化。本文介绍了一种地面电磁干风洞试验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,在不接触模型的情况下对模型进行静动态加载。基于这种新的试验技术,建立了一种地面电磁干风洞实验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,可有效实现对模型结构的非接触式静态和动态气动力跟随加载。利用该实验系统,研究了静动态条件下,结构质量、刚度分布对飞机内载荷的影响;结构变形对结构动力学特征的影响。结果表明,结构的弯曲变形会影响结构的弯曲和扭转频率,结构的质量和刚度分布会对结构内载荷产生较大影响。这种新的试验方法有利于研究大柔性结构的气动弹性特性,对新型飞机的设计和研制具有重要意义。     

复合材料机翼结构动力学分析

针对飞机在飞行过程中复杂的振动情况,使用ANSYS软件对复合材料机翼进行有限元建模,合理布置复合材料铺层,通过比较复合材料机翼与金属机翼模态计算结果,发现复合材料机翼的各阶频率高于金属结构,并对比不同铺层角的模态分析结果,发现铺层角不仅影响结构的模态频率,对振型也有很大的影响。考虑一定工况条件下的垂直突风载荷作用,对机翼结构进行动力学分析。结果表明,在载荷作用的时间范围内,观测点的运动参数均随时间呈简谐运动的变化规律,且其运动周期恰好等于结构一阶模态频率。     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

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。     

基于仿真分析的直升机座椅静强度研究

直升机座椅的抗坠毁性能是保护驾驶员的重要保障之一，座椅的静强度与动强度性能是衡量座椅可靠性的重要指标。本文以座椅静强度性能为出发点，以某型直升机座椅为例，根据适航要求设计了基于不同加载方向的座椅静强度测试试验。为进一步计算评估座椅的静强度性能，基于有限元分析方法，通过Abaqus对座椅的静载荷加载试验进行了模拟，分析了该座椅在不同加载条件下的变形量、Mises应力分布与材料损伤情况，通过仿真与试验结果相结合的方式验证了该型机座椅的可靠性，并为直升机座椅的性能模拟计算提供了有力的技术支撑。     

基于模态频率的V型缺口梁裂纹扩展速率模型

针对机械结构裂纹扩展预测问题,研究了基于模态频率下降率的V型缺口梁裂纹扩展速率模型。设计了V型缺口梁的疲劳裂纹扩展实验系统,完成了4个试件的模态频率和裂纹扩展实验测试。基于实验结果,讨论了影响V型缺口梁裂纹扩展行为的因素,应用Pairs模型拟合了V型缺口梁的裂纹扩展速率方程,探讨了模态频率下降率与应力强度因子的关系。结合模态频率下降率与裂纹扩展长度及循环加载次数的关系,建立了基于模态频率下降率的裂纹扩展速率模型。结果表明,V型缺口梁的裂纹扩展速率随模态频率下降率增加单调递增,裂纹尖端的应力强度因子幅值也随模态频率下降率增加单调递增,基于模型预测的裂纹扩展速率与实验结果基本吻合。所提出的基于模态频率的裂纹扩展速率模型有助于梁的裂纹扩展监测。     

基于Workbench的机轮轮毂静力强度分析方法探究

本文运用ANSYS Workbench建立了机轮轮毂、轮胎、轴的一体化模型,将载荷直接作用于轴以及轮胎上,对机轮轮毂的静强度应力分布和变形分布进行了分析。结果显示:本模型克服了已有模型所产生的胎圈座部位的应力集中问题,与试验结果相比,径向载荷产生的变形误差由之前的18.0%下降为10.5%,径侧向载荷产生的变形误差由之前的7.7%下降到3.3%。对于轮毂的强度校核以及结构优化具有实际参考价值。