热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

强噪声作用下复合材料壁板气动弹性摩擦非线性振动

基于von Karman非线性应变、Reddy三阶剪切锯齿理论和准稳态一阶活塞理论建立了强噪声载荷作用下含摩擦边界复合材料壁板的气动弹性非线性动力学有限元数值计算模型,采用高斯限带白噪声和宏观黏滑摩擦模型分别来描述噪声载荷和层合壁板边界的非光滑摩擦力特性,应用时域直接积分Newmark-β方法结合Newton-Raphson迭代法求解了声载荷和气动载荷联合作用下壁板的非线性振动响应,研究了声载荷和摩擦边界对壁板颤振特性的影响。结果表明,摩擦边界上的滑移运动可耗散层合壁板的振动能量,对壁板的振动响应产生抑制作用;在强噪声和气动载荷作用下,壁板的振动会呈现出由气动载荷主导下的极限环振动和强噪声载荷主导下近似服从正态分布的随机振动。     

基于统计能量理论的飞行器壁板高频声振疲劳寿命预报及参数设计

为研究高速飞行器受高频脉动噪声载荷激励下的结构声疲劳问题,讨论了基于应力谱的频域疲劳损伤计算方法。该文提出了一种基于统计能量理论（SEA）的结构高频随机振动疲劳寿命计算方法。在该方法中,首先采用SEA计算子系统的均方应力,然后引入模态间隔的Rayleigh和Poisson分布假设,生成飞行器壁板的随机模态空间并构建危险点的应力谱曲线,进而结合频域疲劳寿命分析方法,采用Monte Carlo模拟求解壁板的疲劳寿命。验证分析表明,基于SEA和Monte Carlo模拟的结构高频声振疲劳寿命分析方法计算精度高,是高速飞行器强度设计的一种可靠方法。在此基础上,考察了壁板厚度和结构阻尼参数对壁板声振疲劳寿命的影响,计算结果表明,当输入声压谱一定时,存在局部最优解,采用该局部最优解作为壁板的设计参数可明显降低结构质量。     

振动模态与声模态的耦合特性分析

本文考察具有弹性壁面的矩形封闭空间中壁板振动模态与空间声模态的耦合特性。采用有限带宽声功率流法研究了壁板的声辐射功率中声-振耦合所作的贡献,给出了内模态耦合系数的计算公式和模态耦合因子的计算公式。研究表明:壁板结构的辐射声功率不仅与外场声场声压、壁板本身的固有特性有关,而且与壁板和内声空间的耦合特性密切相关。     

随机声载荷作用下的复杂薄壁结构Von Mises应力概率分布研究

随机声载荷作用下的某些复杂薄壁结构的振动疲劳属于多轴疲劳,Von Mises 应力准则是多轴疲劳损伤分析的一条有效途径。本文通过对有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构Von Mises应力概率分布研究,分析提出Von Mises应力服从双参数Weibull分布或Lognormal分布,并且给出了估算这两种概率分布参数的方法,进而得到了Von Mises应力峰值概率密度函数,从而为结构的疲劳损伤寿命估算提供依据。在工程应用中采用耦合的有限元和边界元方法计算了某型航空发动机燃烧室火焰筒薄壁结构在随机声载荷作用下的振动应力响应功率谱密度,着重分析了Von Mises应力响应的概率分布特征,并对分析结果采用Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验进行了比较验证。     

复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲与后屈曲性能

针对2种边界条件和3种板元宽度情况,采用几种屈曲方法对轴压载荷作用下的复合材料帽形加筋壁板进行了计算,得到了不同情况下的屈曲载荷,通过对复合材料加筋壁板几种计算方法的计算结果与试验结果的对比,得到一种更简单有效计算复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲载荷的方法;依据帽形加筋壁板的结构特点和试验后的破坏模式,提出一种估算复合材料帽形加筋壁板轴压破坏载荷的方法,用该方法在几个项目上的计算结果与试验结果进行比较,发现两者较吻合,验证了复合材料帽形加筋壁板轴压承载能力估算方法的合理性,为结构设计人员在初始设计阶段对复合材料帽形加筋壁板轴压强度评估提供了一种简洁的途径。     

带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应

随着先进飞行器性能的提高,它们面临着日益严峻的热、噪声、机械载荷等,在这些复杂载荷的作用下,会引发非线性振动特性。特别是高超飞行器的气动加热引起的高温直接影响材料的选择并且显著地改变结构的设计实践,所形成的热梯度与内部热膨胀也会使结构产生热屈曲现象。考虑到热声载荷的影响,针对带有温度梯度的热载荷与随机声载荷作用下四边简支板振动特性进行了研究。通过各向同性矩形薄壁结构在热声载荷作用下的大挠度非线性控制方程,导出了四边简支板的模态频率以及温度梯度作用下的热屈曲温度差。采用有限元数值计算方法计算了热声载荷作用下简支板热屈曲前后的动态应力响应,并对应力的概率密度、功率谱密度、有效值进行了详细的统计分析。     

C/SiC材料疲劳试验加载频率的数值研究

材料S-N曲线和结构动应力响应是声疲劳寿命评估的两个要素,而热结构材料C/SiC的S-N曲线具有强的频率依赖性。为得到典型C/SiC材料热结构声疲劳寿命评估可用的S-N曲线,分析了随机信号的水平穿越问题,导出随机信号的正斜率穿越率计算公式。论证了随机信号的正斜率零穿越率表征了信号的统计平均频率,且可直接由功率谱密度函数计算得到。对一C/SiC加筋壁板在声压载荷下的随机动响应进行数值仿真,在声载荷下壁板3个典型部位动应力响应的平均频率的最大值为532Hz,数值算例验证了正斜率零穿越率与随机信号在单位时间内的循环次数近似相等。因此在对该结构寿命评估前,测定材料S-N曲线应使试验加载频率尽可能接近532Hz。     

一种基于三轴与单轴随机振动最大应力等效的载荷裁剪方法

为了避免三轴振动试验对产品造成过试验问题,现以单轴振动试验标准为基准,进行基于三轴振动与单轴依次振动最大响应应力等效的三轴载荷谱裁剪。首先对线性系统在随机振动下激励与响应均方根值的关系进行推导,将单轴振动时的最大等效应力与三轴振动时的最大等效应力的比值n作为三轴振动载荷谱均方根值的裁剪系数,裁剪保持载荷谱扫频范围、拐点频率值以及载荷谱斜线段的斜率N不变,根据梯形谱均方根值计算公式反推出梯形载荷谱直线段谱值,进而得到满足三轴与单轴随机振动最大应力等效的三轴载荷谱。通过对某典型舱段结构进行三轴载荷谱的裁剪,并将载荷谱裁剪后的三轴振动应力响应与载荷谱裁剪前的单轴振动应力响应进行对比,验证了方法的有效性与准确性。     

An interval random perturbation method for structural‐acoustic system with hybrid uncertain parameters

An interval random model is introduced for the response analysis of structural‐acoustic systems that lack sufficient information to construct the precise probability distributions of uncertain parameters. In the interval random model, the uncertain parameters are treated as random variables, whereas some distribution parameters of random variables with limited information are expressed as interval variables instead of precise values. On the basis of the interval random model, the interval random structural‐acoustic finite element equation is constructed, and an interval random perturbation method for solving this interval random equation is proposed. In the proposed method, the interval random matrix and vector are expanded by the first‐order Taylor series, and the response vector of the structural‐acoustic system is calculated by the matrix perturbation method. According to the linear monotonicity of the response vector, the lower and upper bounds of the response vector are calculated by the vertex method. On the basis of the lower and upper bounds, the intervals of expectation and standard variance of the response vector are obtained by the random interval moment method. The numerical results on a shell structural‐acoustic model and an automobile passenger compartment with flexible front panel demonstrate the effectiveness and efficiency of the proposed method. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

随机激励作用下硬涂层薄板振动有限元分析及减振预估

硬涂层减振是一项新兴的阻尼减振技术,硬涂层复合结构在随机激励载荷作用下的振动特性建模与分析方法还未开展研究。将有限元建模方法和虚拟激励法(pseudo excitation method, PEM)相结合,实现了随机激励作用下硬涂层悬臂薄板结构振动建模及减振性能预估。首先,基于等效单层法创建了双面涂敷硬涂层的薄板结构振动特性有限元模型,得到了基础激励作用下包含涂层材料阻尼和剩余等效黏性阻尼的复合板结构的运动方程。接着,利用虚拟激励法,将平稳随机激励载荷谱转化为简谐激励,得到了硬涂层薄板结构在随机激励作用下的响应功率谱密度的求解方法。最后,以双面涂敷NiCrAl硬涂层材料的45#钢悬臂板为实例进行研究,利用所研发的方法计算了涂层板结构的固有频率及随机基础激励作用下的振动响应,并与试验数据进行对比校验。进一步,分析了涂层厚度、储能模量和损耗因子对悬臂板振动特性的影响。结果表明,适当增加上述涂层参数量值可有效提高硬涂层的减振效果。     

热-力联合作用下金属薄板的变形机理研究

本文研究了恒力和激光加热作用下金属薄板的变形规律,用以解释充内压薄柱壳结构在激光辐照下的变形和破坏机理。以4340钢材料为研究对象,其本构方程选用热粘塑性本构模型(Johnson-Cook模型)根据计算结果,选取某一应变率为临界值(本文中临界应变率取为1s-1)考察了激光功率密度、外载荷、激光作用时间等对一维杆变形规律的影响。     

Thermo-acoustic random response of temperature-dependent functionally graded material panels

A nonlinear finite element model is provided for the nonlinear random response of functionally graded material panels subject to combined thermal and random acoustic loads. Material properties are assumed to be temperature-dependent, and graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations are derived using the first-order shear-deformable plate theory with von Karman geometric nonlinearity and the principle of virtual work. The thermal load is assumed to be steady state constant temperature distribution, and the acoustic excitation is considered to be a stationary white-Gaussian random pressure with zero mean and uniform magnitude over the plate surface. The governing equations are transformed to modal coordinates to reduce the computational efforts. Newton–Raphson iteration method is employed to obtain the dynamic response at each time step of the Newmark implicit scheme for numerical integration. Finally, numerical results are provided to study the effects of volume fraction exponent, temperature rise, and the sound pressure level on the panel response.     

复杂封闭空间有源消声系统的建模新方法

针对具有两个弹性板的复杂封闭空间的有源消声系统。提出了一种新的建模方法。计算机仿真与实验结果验证了这一方法的正确性。该方法拓宽了利用结构声辐射进行有源消声的范围，可适用于任意形状的封闭空间。     

Acoustoelectric detection of ultrasound power with composite piezoelectric and semiconductor devices

The acoustoelectric interaction between an ultrasound wave propagating in a thin piezoelectric plate and an adjacent semiconductor results in a current that is proportional to the ultrasound intensity. These devices, inherently insensitive to the phase of the acoustic wavefront, can be used for large-area total power meters as well as spot intensity meters. They have broadband response and are capable of following the envelope of typical diagnostic imaging pulses. A previously derived model describing the interaction is reviewed. Experimental results obtained with several detectors are presented, including sensitivity and frequency response.     

多点输入下大跨空间索结构的虚拟激励法

采用虚拟激励法分析大跨空间索结构的随机地震响应，从结构节点位移响应方差和加速度功率谱两个方面考查了一致输入与非一致输入下结构响应的差异，得出了一些重要结论。同时，计算还表明虚拟激励法是一种高效且精确的方法，对于分析振型密集的大跨空间索结构在多点输入下的地震响应是很适合的。     

内燃机噪声优化对车内声学的影响研究

提出了内燃机结构辐射噪声的仿真与优化方法,评价了内燃机噪声优化前后车内噪声的变化。建立了内燃机和前围板的有限元模型,通过模态分析验证了模型的精度。采用柔性多体动力学方法计算了内燃机的振动响应,并结合边界元算法得到了结构辐射噪声。完成了机体的结构优化,通过提升刚度使整体模态频率与激励峰值频率分离,从而降低机体结构响应,减小辐射噪声。搭建了内燃机与前围板的声学耦合模型,计算得到经机体结构优化前后的内燃机辐射噪声通过前围板后进入车内的声功率。结果显示,机体的优化方案大幅降低了其辐射噪声,从而减小了整机的辐射噪声。研究内燃机噪声与车内噪声的传递路径后,发现车内噪声有了明显的下降,从而证实了优化设计的可行性和有效性。     

某SRV车内噪声的分析与控制

针对某SRV车,建立可靠的白车身有限元模型、声腔边界元模型和有限元边界元耦合模型;在计算出场点声压频率响应的基础上,对峰值频率处进行面板贡献量分析,找出产生峰值声压的主要来源;基于模态修改法优化主要振动区域腹部节点的速度来降低车内噪声。