航天器振动试验控制技术进展

航天器对恶劣动力学环境的适应能力直接关系到整个航天飞行任务的成败,振动试验控制技术是动力学环境试验的关键环节.本文分析了近年来国内外航天器振动试验设备和振动控制算法的研发动态、基本原理和关键技术达到的水平.提出了跟踪研究的基本思路,途径及建议.     

弹性预紧约束非线性对结构振动的影响

针对大型空间可展开结构中存在的关节非线性间隙约束问题,研究弹性预紧约束非线性对结构动态特性的影响.首先,基于轴向拉伸力学模型,构造了轴向拉伸关节三维梁单元.其次,使用Kelvin-Voigt接触及Coulomb摩擦模型,建立了粘弹性预紧约束下整体结构非线性动力学方程,继而分析了不同预紧约束下关节对结构非线性振动的影响.结果表明,在关节非线性约束下,结构振动传递特性的高频响应增加,低阶振动能量传递到高阶振动上.     

基于保结构方法的航天器中微电子器件布局优化

航天器中的精密微电子器件布局影响着航天器局部振动特性,反过来,航天器的局部振动影响着精密微电子器件稳定性和精度.基于此,本文对航天器中微电子器件的布局进行了优化,以降低结构局部振动对微电子器件的影响.在每一步优化迭代过程中,微电子器件固定在一薄板上,薄板通过螺钉固接在航天器结构本体上,使用关注系统局部几何性质的保结构分析方法分析该薄板结构的局部振动特性.本文的优化方法和优化结果为航天器中精密微电子器件的布局设计提供参考.     

不同位置四点支承矩形薄板的自由振动特性

研究不同位置四点支承条件下矩形薄板的自由振动特性.首先,在板结构模型的不同位置上引入横向约束弹簧,并设定人工弹簧的刚度值以模拟出四点支承的边界条件.然后,基于二维改进傅里叶级数表示结构的位移容许函数,其中改进部分的正弦附加项可解决以往位移函数在边界上可能存在的求导不连续问题.建立矩形板系统能量对应的泛函,令其取驻值建立线性方程组.最后,求解矩阵特征值问题得到点支承矩形板自由振动频率等参数,给出不同位置四点支承条件下矩形薄板的振动特性.所应用二维改进傅里叶级数法中,位移函数基于改进傅里叶级数展开时的附加项能够提高结果的精度和收敛速度.研究结果为不同位置点支承矩形板的自由振动问题提供一定的参考.     

过载振动复合环境下平台惯导系统仿真分析

分析了过载振动复合环境下平台系统的工作原理和误差情况,提出一种反映惯性仪器结构振动特性的误差模型.设计了基于Simulink的复合环境下惯性测量误差的仿真流程.对过载振动复合环境下惯性测量误差进行仿真,得到复合环境下惯性测量误差的规律.研究表明,惯性仪器在过载振动复合环境下,因为结构变化而产生了较大的工作误差,这些误差的表现形式相当复杂,在单一环境实验中是体现不出来的.     

鼠笼局部断裂的刚度特性及其转子动力学特性分析

本文针对带有局部断裂的鼠笼刚度特性以及其支承的转子系统动力学特性开展研究.首先基于力学分析推导了鼠笼局部断裂刚度理论计算公式.其次,基于带有局部断裂的鼠笼有限元模型进行其刚度计算,并采用最小二乘法对有限元刚度计算结果进行分析,提出了鼠笼局部断裂后的拟合经验刚度公式,通过对比分析得出局部断裂对鼠笼刚度特性的影响.最后,建立带有鼠笼局部断裂的两支点弹性支承转子系统的动力学模型,并仿真获得了带有鼠笼局部断裂转子系统的固有特性和振动响应的变化规律.结果表明:鼠笼局部断裂导致其刚度下降以及支承刚度不对称,引起转子系统临界转速下降,且水平、垂直振动有差异,轴心轨迹呈椭圆形.     

动力学环境下液浮摆式加速度计建模与仿真

该文采用有限元法对液浮摆式加速度计在过载振动复合环境中的动力学特性进行研究,提出一种反映动力学环境下液浮摆式加速度计结构振动特性的误差模型.设计了基于Simulink的复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的仿真框图.并对过载振动复合环境下液浮摆式加速度计测量误差进行仿真,得到复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的规律.研究表明,液浮摆式加速度计在过载振动复合环境下,因为结构变化而产生了较大的工作误差,这些误差的表现形式相当复杂,在单一环境实验中是无法体现的.     

振动环境工程仿真系统框架结构研究

在航空航天和机械等领域中的大型复杂结构的地面振动环境工程试验是检验产品或结构对振动环境的适应性以及评估动态性能的重要方法.在对振动环境试验和振动环境试验的数值仿真分析的研究基础上,提出了一个基于分布式异构网络的虚拟振动环境工程试验的仿真框架结构及实现该框架结构的关键技术.     

SiC高温高量程MEMS加速度传感器的仿真与分析

加速度传感器材料的特性对传感器的性能影响很大,SiC作为新一代半导体材料具有优良的力学温度特性,适用于高温、高过载加速度传感器.基于SiC提出了一种可用于高温、高过载环境的加速度传感器设计方案.根据悬臂梁的相关力学理论知识,对传感器结构、尺寸进行了设计,并利用ANSYS有限元仿真软件对SiC材料传感器敏感结构进行模态分析、静力学分析、热分析.仿真结果表明,6H-SiC材料表现出了比Si材料更优异的抗高温、抗过载特性,为应用于高量程、高温环境下的加速度传感器研究提供了可靠的理论基础.     

横轴式硬岩掘进机振动信号测试及分析

改善掘进机的振动特性一直是掘进机研究的重点,尤其是硬岩掘进机.根据掘进机实际工况,对EBH300(A)型硬岩掘进机进行了井下振动实测,研究了整机振动强度分布并对振动频率结构进行了分析.由于回转台在掘进机结构中起着举足轻重的作用,因此重点分析了回转台处的振动特性.结论对于了解和研究掘进机的振动特性提供了实测数据的支持.     

基于声子晶体的层叠式方柱型减振结构设计

基于声子晶体特性提出一种层叠式方柱型声子晶体单胞结构,通过冲击响应谱分析和随机振动分析考察其周期性结构减振特性,并与相应非周期结构对比.计算结果表明该声子晶体周期性结构对于冲击载荷和随机振动载荷均有较好的减振特性.在三组分材料参数中影响单胞带隙特性的主要因素是外层材料密度和中间层材料弹性模量.声子晶体结构的减振效果随周期数的增加而愈加明显.组分材料力学性能参数和周期型结构周期数是声子晶体结构减振设计的主要因素.     

周期性冲击载荷作用下井字梁楼盖竖向振动的控制

针对周期性冲击载荷作用下井字梁楼盖异常振动问题,对某工业厂房井字梁楼盖进行现场动力特性测试,采用Abaqus软件建立局部楼盖有限元模型,研究周期性冲击载荷作用下井字梁楼盖的动力特性,并提出设置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)、增设隔振支座等2种减振方案.结果 表明:4种不同TMD布置方式的减振效果不同,在设备4个支座处布置TMD的减振效果最佳;增设隔振支座后,采用有限元法得到各测点减振率为83.91％ ～88.80％.2种方案均能有效降低楼盖的竖向振动,可为结构振动控制提供参考.     

Hilbert-小波变换的齿轮箱故障诊断*

采用希尔伯特—小波变换对振动加速度传感器获取的齿轮箱振动响应信号进行特性分析。利用小波变换分解获得振动响应信号的各层高频信号小波系数和低频信号小波系数,对小波系数进行重构获得具有不同特征时间尺度的各高频信号和低频信号;再对分解的信号进行希尔伯特变换获得时频信息谱以提取系统的统计特征信息,实现监测齿轮运转工作状态,及时发现齿轮的早期故障,提高机械运行的安全性。仿真研究结果表明,小波变换分解和希尔伯特边际谱方法在故障信息诊断方面是可行和有效的,提高了故障检测的可靠性。     

The design and development of suspended handles for reducing hand-arm vibration in petrol driven grass trimmer

The portable petrol driven grass trimmer is identified as a type of machine whose operator can be subjected to large magnitude of hand-arm vibration. These vibrations can cause complex vascular, neurological and musculoskeletal disorder, collectively named as hand-arm vibration syndrome. The vibration total level on the handle of grass trimmer of 11.30 m/s² was measured, and it has reached the exposure limit value of 5.0 m/s² for daily vibration exposure A(8). New suspended handles were designed to reduce the vibration level. Three different prototype handles with rubber mounts were designed. Handles were made of different materials, and the distance of rubber mounts were varied. From the study, it was observed that not all the handles with rubber mounts were effective in reducing hand-arm vibration. The reduction of vibration depended on the handle material and distance installed between rubber mount and vibration transmissibility of handle-isolation system. Subjective ratings of perception of vibration were measured, and the results indicated that operators were not fully aware of the level of vibration. A prototype handle that is made of heavier material results in the lowest hand-arm vibration of 2.69 m/s². The new handle has significantly reduced the vibration total value by 76% compare with the existing commercial handle.

Relevance to industry

Large numbers of workers are employed to perform grass trimming job in many developing countries. This paper presents the effect of handle types (commercial and prototype) on the commonly used grass trimmer.     

空间飞行器阻尼减振设计与应用

在空间飞行器结构设计中,为改善仪器设备的振动环境,基于结构模态特性和动力学响应的关系,以某型号空间飞行器为例开展阻尼减振设计.通过仿真分析及地面试验,对减振设计的有效性进行验证.结果表明：在结构模态中的最大应变部位周围附加阻尼层可有效降低结构振动.结构测点在共振峰附近的放大倍数显著降低,最大降低幅度超过90%;结构测点的随机振动响应量级降至设备耐受能力范围之内,阻尼减振设计达到预期目的.     

高速列车复合材料地板振动性能分析

为分析不同复合材料高速列车地板减振性能的差异,对其进行力学性能测试,分别采用多层叠混合模型及单层模型计算复合结构材料的等效参数并验证.建立包含内装地板的高速列车车体有限元模型;基于实车线路测试结果,以车体底架振动加速度信号作为地板瞬态响应激励,计算复合地板材料结构的瞬态振动响应及振动传递率,得到不同复合材料地板的振动特性.研究结果表明：桦木芯材优于桤木芯材;外层面板厚度的增加使得地板的减振性能增强,但过大会导致减振性能下降;不锈钢面板比铝合金面板地板结构固有频率低且质量较大,不利于车体轻量化设计.     

仿生隔振器设计方法研究进展

基于仿生学的思想,通过模仿生物系统的结构几何构成特性,创新优化隔振模型是当今隔振领域的热门问题.本文基于仿生灵感来源的不同,对现有的仿生隔振器进行了系统的分类,并对不同设计原理的仿生隔振器恢复力本构与隔振性能做了详细的阐述和对比,旨在通过隔振器隔振频带的横向对比厘清几何构型与可调参数的影响,以此厘清隔振器几何设计和隔振性能的关系.并且,本文展望了未来仿生隔振器的发展前景和研究方向.     

悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力,通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明,在低频工作环境下,应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT-5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。     

热致轴向窜动引发的双盘转子扭转振动分析

以航空发动机整机系统的结构特点及复杂的运行环境为研究背景,运用Lagrange方法建立双盘转子在不平衡激励和轴向窜动影响下的弯扭耦合动力学模型;针对温度非均匀分布以及热膨胀性质引起的转轴轴向窜动,导出转/静盘面接触时环带面摩擦力与摩擦力矩表达式;最后采用4阶Runge-Kutta方法对系统进行数值求解.对系统进行动力学分析的结果表明,对于非对称双盘转子结构,热膨胀所积蓄的温度内力引发的转子轴向窜动将改变转子系统的固有特性,所产生转静件盘面环带面摩擦力与力矩,是造成转轴扭转振动的关键因素之一.