水平剪切声板波的液体黏度传感研究

黏度是液体的特征参数之一,在很多应用场合,需要对液体黏度进行测量。以黏性液体为研究对象,通过在液体的弹性张量中加上虚部引入液体黏度,并根据层状介质中声波的传播特性建立了负载黏性液体的水平剪切声板波理论模型。以压电陶瓷PZT-5H为基片材料,通过数值计算和实验分析,表明了水平剪切声板波在一定程度上用于液体黏度传感的有效性,为声板波液体黏度传感器的进一步研究提供了理论指导和应用依据。     

径向激励下辐板型式对车轮振动声辐射影响仿真和试验研究

在半消声室内通过试验手段开展不同车轮辐板型式对车轮声辐射影响的试验研究,同时建立车轮有限元模型,基于Lanzos算法对其进行模态分析,结合仿真计算的模态振型和试验结果,对比分析3种辐板型式地铁车轮振动声辐射特性,获得精确的指向性测试结果并近似给出相应的经验公式。结果表明,通过仿真计算和试验得到的固有频率相差很小,通过有限元计算对车轮进行模态分析能够保证足够的精确度。径向激励下,车轮辐板型式改变,其固有频率、模态振型以及指向性均发生改变;斜曲型辐板和双S型辐板车轮的振动声辐射水平相当,双S型辐板车轮的声辐射水平比斜曲型辐板车轮的略大,而直型辐板车轮的振动声辐射水平最低,其总辐射声能量级比斜曲型辐板车轮和双S型辐板车轮分别小5.2 dB和6.5 dB。相关试验结果可为城市轨道交通低噪声车轮的设计和选型提供参考,也可以验证其他文献中数值仿真计算的正确性。     

Lamb波在搭接板中传播规律的数值仿真研究

对储罐底板的搭接结构进行建模仿真,利用加载波结构的原理在板中激励出单一的Lamb 波模态,得到了各模态在搭接板中的传播规律与信号特征;利用能量系数对不同频率激励情况下的各模态信号进行了分析,得到了A0模态和S0模态能量分布和损失的规律,对比了各自穿透焊缝的特性,同时,研究了搭接长度对信号的影响。研究表明,低频Lamb波...     

基于水平剪切波声弹特性的矩形管轴向应力检测方法与试验研究

矩形管作为一种非典型波导结构,导波在其中的传播特性较为复杂,不便于利用其特有的模态进行检测。为实现矩形管结构应力的在役检测,基于特征频率法计算了水平剪切波SH_0模态的声弹特性,搭建了矩形管轴向应力评估检测系统。针对试验加载条件,利用有限元法分析受轴向拉伸矩形管的应力分布情况,以合理布置SH_0模态EMAT传感器,并对矩形管在承受不同拉应力条件下的声弹常数进行了试验研究。试验结果表明:矩形管中SH_0模态的试验声弹常数与理论计算结果的比值为0.592 6,其声弹效应受材料织构效应影响较弱,通过应力评估误差结果可发现,SH_0模态在低应力区域误差较大,当应力低于100 MPa时,应力偏差普遍在20 MPa以上;而在高应力区域偏差可稳定在10 MPa左右,结果表明基于SH_0模态声弹效应可以预估矩形管结构应力是否超载。     

考虑边界条件的弹性长方体封闭结构腔辐射声场分析

在弹性板边界施加假想的弹簧系统模拟板的不同边界条件,利用汉密尔顿函数和瑞利-李兹方法,建立由2块四边弹性支承的弹性板及4块刚性板构成的封闭矩形腔外的辐射声场模型,推导腔体外辐射声场的解析解.该模型考虑两弹性板之间以及弹性板与腔体内声场之间的耦合.算例表明,低频段时两弹性板之间为弱耦合,辐射声场主要由受到外激励的结构所决定;支承板的线弹簧的刚度变化对辐射声场的影响较旋转弹簧大.同时,运用有限元法计算腔体内的声模态和弹性板的振动模态及其耦合系数,结合边界元法计算出腔体外的声压响应,并将此数值仿真结果与前面导出的解析结果进行比较,理论推导的正确性得到验证.     

弹性边界对高速列车车窗声辐射特性的影响研究

为研究高速列车车窗在点激励下的声辐射特性,基于Hamilton原理和声学Rayleigh积分建立了弹性边界条件下车窗的有限元-边界元耦合模型,模型中将弹性边界简化为沿车窗四周连续分布的平动弹簧和转动弹簧.利用矩形板在经典边界条件下的模态分析结果、无限大板的声辐射验证了模型的正确性.基于验证后的模型,分析了边界支撑刚度对车窗声辐射的影响,研究了车窗声辐射随边界阻尼的变化规律.研究结果表明,边界平动刚度对车窗声辐射的影响较转动刚度显著;当平动刚度小于1×103 N/m时,车窗的声辐射与无限大板的结果相似;当平动刚度在1×103～1×106 N/m间变化时,声辐射出现明显峰值,且随刚度迅速变化,这些峰值由车窗的模态引起;当平动刚度大于1×106 N/m时,车窗的声辐射随刚度趋于稳定;提高边界阻尼有助于降低车窗在辐射峰值附近的声辐射水平,但作用有限,其中,由复平动刚度产生的边界阻尼比复转动刚度产生的边界阻尼对车窗声辐射的影响大.     

液体载荷对声发射波传播特性的影响分析

固体结构在承受液体载荷作用时,声发射波的模态、频散特性和传播特性等均会受到一定的影响.本文对液体载荷作用下,声发射波在固体结构中的传播和衰减特性进行了理论分析和实验研究,并对几种不同模态的声发射波在液体管道中的传播和衰减特性进行了实验测量.研究表明:在对非液体载荷作用下的结构缺陷进行定位计算时,可采用固体中传播的纵波波速作为计算依据;而对于承受液体载荷的结构,则应采用液体中传播的纵波波速进行计算缺陷的位置.     

基于声-超声检测的薄钢板多焊点结构完整性评价技术

将声-超声检测方法用于汽车专用薄钢板多焊点点焊接头漏焊或脱落的快速检测中。采用波形和模态分析方法研究声-超声检测波在多焊点点焊结构中的传播机理,以此为基础提出相应的声-超声检测特征值评价点焊结构的完整性。试验中通过直探头激发和接收声-超声检测信号,通过对比钢板中声-超声检测信号的时频分布与理论频散曲线可确定结构中声-超声检测信号的模态组成,主要能量模态为A0模态Lamb波。研究显示A0模态兰姆波通过焊核在点焊结构中传播,发生相互叠加并在时频域上形成波包能量序列。该波包能量序列在时频域上的分布与焊核位置具有对应关系,通过时频分布中各波包的能量起伏能够直观判断焊核漏焊、脱落及其问题焊核的位置。此外还提出能够评价多焊点接头完整性的特征参数,对于提高检测效率、降低检测成本具有重要意义。     

基于Lamb波频散特性的垢层厚度的检测方法

对于工业用锅炉附着污垢厚度的检测问题,提出一种基于Lamb波在双层介质中传播的频散特点对污垢厚度检测的方法。首先建立Lamb波的波动模型以及"铝板—污垢层"模型,利用数学手段求解Lamb波在双层介质中传播的特征方程,从而得出Lamb波传播的频散规律曲线,接着激发Lamb波A0模态下的超声波,并采集其传播特性,基于上述条件,最后利用电磁超声换能器激发A0状态下的超声波对垢层厚度进行检测。通过理论分析及对仿真结果观察发现,低频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而减小,高频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而增加,最后通过实验结果表明,可利用A0模态Lamb波频散特性变化的方法对锅炉垢层厚度进行检测。     

静电致动硅膜板的宏模型建立方法

器件宏模型技术是MEMS系统设计和系统级仿真的关键技术。为了建立静电致动硅膜板的宏模型,在模态有限元分析的基础上,利用多维非线性函数拟合方法,将由数值计算得到的板的动能、弹性能和电容写成以模态广义坐标表示的解析式。导出双模态坐标下的静电微板的动力学特性方程,即宏模型。利用该宏模型研究了器件的静态、动态特性,并与有限元计算结果比较。表明,用模态坐标表达的动态宏模型能够考虑残余应力、大变形、静电力等非线性因素的影响,大大地减少了计算费用,而且具有足够的仿真精度。     

一种新型的自由界面模态综合法及其应用

将键合图用于动态子结构分析和研究,提出了一种新的求解自由界面模态综合法的基本原理,推导出两个子结构自由界面模态综合法的计算方法,获得其相应的特征谱矩阵和振型矩阵。文中给出的算例表明,基于键合图方法的自由界面模态综合法方便有效,结果准确,并确保了整体结构分割前后的键合图模型统一。     

Vibro-acoustic analysis of free piston engine structure using finite element and boundary element methods

This paper presents the results of vibro-acoustic modeling and simulation using the finite element and the boundary element methods for the free piston engine structure. A model of the engine was constructed through the use of finite element software to perform a normal mode analysis of the engine structure. The objective was to determine the mode shapes and the natural frequency that contribute to engine structure vibration. Theoretical development of the engine balance motion and frequency response was also conducted. From the simulation and finite element analysis, the force response pattern of the engine vibration was determined and then compared with its natural frequency. The vibration data were used as the input data for noise analysis using the boundary element method. The integration of the finite element and the boundary element determined the noise-frequency data of the engine structure toward the occurrence of engine noise. The information can be used by designers to analyze engine specifications and structure, especially at the preliminary design stage.     

椭球封头圆柱形爆炸容器振动特性研究

对椭球封头圆柱形爆炸容器在中心点爆炸状态下的 19次有效炮实验给予了介绍并对实验结果的壳体振动特性进行了分析。理论和实验分析表明 ,在封闭容器内爆炸冲击载荷具有明显的脉冲激励特征 ;容器壳体的振动频谱主要受前 10阶固有频率的影响 ;随着冲击载荷的增加 ,其壳体的主振频率将趋于相应壳体的呼吸频率 ,其应变增长具有减少的趋势 ;联接螺栓的振动模态主要受相应圆柱壳体和封头轴向振动模态的影响 ,并出现了在时域上其振动模态在圆柱壳振动模态和封头轴向振动模态间跳变的现象。     

The influence of wheel/rail gap and rotating mechanism on dynamic performance of APM

The dynamics equations of Automatic passenger mover (APM) vehicle with the middle-guiding single-axle tire running gears were derived using linearized tire model, in which side force and rolling contact effect on running tire are taken account. A simulation model of APM vehicle based on Simulink environment was built using object-oriented programming technique, and the effects of contact statues between guiding tires and rail and different rotation modes on of curving performance and ride quality were studied. The simulation has shown that the preload force on guiding tires don’t improve curving performance but significantly worsen lateral ride quality, whereas the gap between guiding tires and rail will increase the running tires side force and guiding tires radial force on curve. The gap between guide tires and rail should be controlled between 0 and 5 mm on compromising the curving performance and ride quality of APM vehicle. The cornering force of the rotating mechanism above the springs mode is greater than that of the below mode, and decreases with the increase of the curve radius, which is unfavorable to the curve passing.     

Analysis of the Pump-turbine S Characteristics Using the Detached Eddy Simulation Method

Current research on pump-turbine units is focused on the unstable operation at off-design conditions, with the characteristic curves in generating mode being S-shaped. Unlike in the traditional water turbines, pump-turbine operation along the S-shaped curve can lead to difficulties during load rejection with unusual increases in the water pressure, which leads to machine vibrations. This paper describes both model tests and numerical simulations. A reduced scale model of a low specific speed pump-turbine was used for the performance tests, with comparisons to computational fluid dynamics(CFD) results. Predictions using the detached eddy simulation(DES) turbulence model, which is a combined Reynolds averaged Naviers-Stokes(RANS) and large eddy simulation(LES) model, are compared with the two-equation turbulence mode results. The external characteristics as well as the internal flow are for various guide vane openings to understand the unsteady flow along the so called S characteristics of a pump-turbine. Comparison of the experimental data with the CFD results for various conditions and times shows that DES model gives better agreement with experimental data than the two-equation turbulence model. For low flow conditions, the centrifugal forces and the large incident angle create large vortices between the guide vanes and the runner inlet in the runner passage, which is the main factor leading to the S-shaped characteristics. The turbulence model used here gives more accurate simulations of the internal flow characteristics of the pump-turbine and a more detailed force analysis which shows the mechanisms controlling of the S characteristics.     

声表面波与声板波激发特性对比研究

通过沉积在压电基片表面的叉指换能器可在基片上激发出声波。以部分波理论为基础,引入表面有效介电常数方法来对比研究压电基片上激发的声表面波和声板波,并通过实验证明了理论分析方法的有效性。特定切向和传播方向的压电晶体只能激发出一种声表面波模式,而其声板波则具有多种模式,且各高阶模式只有当基片厚度与声波波长之比大于某一特定值时才会出现。随着基片厚度增大,声板波各高阶模式的传播速度和机电耦合系数减小,两种低阶模式的传播速度则趋近于声表面波相应值。受基片背面的电学边界条件影响,其中一种低阶模式的机电耦合系数随着基片厚度增大而趋近于声表面波相应值,另一种低阶模式的机电耦合系数则接近于零。根据上述研究结果可以确定叉指电极激发声表面波或声板波的条件及两种声波之间的关系。
     

蹄-鼓式制动器热弹性耦合有限元分析

首先探讨蹄—鼓式汽车制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性动力学问题及其分析方法,包括摩擦生热模型、多物理场中的弹性体有限元模型、接触问题模型的建立方法以及相应的数值分析方法。然后,利用有限元分析软件ADI-NA建立一种新型蹄—鼓式制动器热弹性耦合动力学分析的三维有限元模型,确定对模型求解的位移边界条件和热边界条件,设定材料物性参数、加载过程及模拟工况,探讨进行制动器热弹性耦合有限元分析的过程,通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场、应力场、变形场等重要信息。     

薄板结构动力学特性建模解析

运用边界元法研究薄板结构的动力学特性。从薄板自由振动的微分方程式出发,由相应的静态基本解建立薄板自由振动的边界控制方程,并依据边界上的约束条件,推导出薄板结构在边界和域内的动力学方程。为了避免求域内项的积分,将上述两个方程进行联立求解,快速、准确地得到薄板结构的频率方程表达式。数值计算和实验结果表明,该文方法具有良好的解析计算精度和较高的计算效率。     

基于设计情形的叶片模态分析

针对某三叶片风扇,建立了叶片的有限元模型。通过对该模型进行模态分析,得到了叶片的固有频率和相应的模态振型,并分析了各阶振型下叶片的振动情况。通过不同的设计情形算例,分析了叶片材料弹性模量、泊松比、质量密度对叶片固有频率的影响。考虑叶片旋转工作状态下离心力会产生预应力的影响,通过加载旋转力矩,求解了多组设计情形的预应力下叶片的固有频率,计算结果表明,叶片的旋转状态会对叶片的振动特性产生影响,离心预应力会使叶片固有频率变大。     

管轴压精密成形过程有限元模拟研究

含有无模约束自由变形的管轴压精密成形易于实现零件精确、高效、低耗和灵活的制造而成为一种有发展前途的先进精密成形工艺。但含有无模约束自由变形的成形过程变形机理复杂,影响参数多,难以用解析的方法进行准确描述。因此,有必要开展管轴压精密成形过程的有限元模拟研究。在分析了无模约束自由变形模式的基础上,对有限无模拟的关键技术问题进行了处理,建立了该过程的刚塑性有限元分析模型,进而开发了有限元数值模拟系统,试验研究表明所开发的分析软件是可靠实用的。该系统为系统深入地研究管轴压精密成形过程中无模约束自由变形机理和成形规律提供了有效的手段。