不同边界条件下高速旋转带篦齿薄壁短圆柱壳的行波共振特性研究

基于传递矩阵法研究了不同边界条件下高速旋转带周向篦齿薄壁短圆柱壳构件的行波共振特性。基于Love壳体理论,考虑离心力、科氏力和惯性力的影响,建立了旋转态薄壁圆柱壳的振动微分方程;引入传递矩阵法,通过壳体子段间的状态向量推导得到了整体结构的传递矩阵关系式;在简支-简支、固支-固支、固支-简支、固支-自由和简支-自由五种边界条件下,通过高精度的精细积分法进行求解,得到了构件的行波共振特性。算例结果表明,在固支-自由边界条件下第1阶模态振动发生在(1,3)阶,而在其它边界条件下第1阶模态振动发生在(1,4)阶,而且边界条件不同时前六阶模态分布规律也不同,但均以周向模态的振动为主;在3×104 r/min转速范围内,随着转速的逐渐增加,由于科氏力作用引起后行波频率大于前行波频率;同时,不同的边界条件对共振特性的影响不同,在工作转速附近行波频率线与激振频率线K=1或K=2相交,出现了共振裕度小于10%的共振转速点,共振裕度数值越小越容易引起对应阶次的共振,应采取措施避免共振现象的发生。     

高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性研究

基于传递矩阵法研究了不同边界条件下高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性。首先,基于Love 壳体理论,考虑离心力、科氏力和惯性力的影响,建立了旋转态薄壁圆柱壳的振动微分方程;然后,引入传递矩阵方法,根据壳体子段间的状态向量表达式,推导了结构的整体传递矩阵;最后,通过高精度的精细积分法进行求解,得到了两端简支、两端固支和固支-自由边界条件下的共振特性。算例结果表明,传递矩阵方法适合于求解高速旋转薄壁圆柱壳的行波共振特性,在三种边界条件下以周向模态的振动为主;在工作转速和1倍频激振力作用下,共振裕度小于10%的共振转速点仅有一个,而在其它倍频激振下的共振转速点不在安全裕值范围内。     

篦齿对悬臂薄壁圆柱壳模态特性的影响研究

采用传递矩阵方法研究外壁带有周向篦齿(即密封齿)薄壁圆柱壳的模态振动特性。在悬臂边界条件下,首先基于Love壳体理论建立带篦齿薄壁圆柱壳的动力学方程,通过传递矩阵法和高精度的精细积分法对其模态特性进行分析,求得各阶模态对应的固有频率和三维模态振型,并通过有限元法对分析结果进行比较,最后讨论篦齿布置形式、篦齿高度和篦齿道数对悬臂薄壁圆柱壳振动特性的影响。结果表明,传递矩阵法适合于求解带篦齿悬臂薄壁圆柱壳的模态振动特性,篦齿结构的布置形式、高度和道数均对薄壁圆柱壳构件的振动特性有较大影响。     

模态数量对薄壁短圆柱壳振动响应分析的影响

采用振型叠加法研究薄壁短圆柱壳受谐波激励的振动响应分析时模态截断数量的影响,且考虑简支-简支、固支-固支和固支-自由三种约束条件。首先基于Love壳体理论建立薄壁短圆柱壳的动力学模型。然后,给出采用振型叠加法进行薄壁短圆柱壳受径向谐波激励时的振动响应求解方法。在三种不同约束条件下,计算采用不同模态截断数量时的稳态响应的振动幅值,对比其一致性,并与实测结果进行比较。结果表明,在这三种约束条件下计算受谐波激励薄壁短圆柱壳的振动响应,需要截取前8阶模态函数用于表征位移模式;模态数据超过8阶对响应计算的精度没有明显改善,实测振动响应结果与解析结果基本吻合。     

基于改进传递矩阵法的环肋圆柱壳固有振动分析

为了简化传统传递矩阵法中状态向量一阶微分方程复杂推导和得到不同边界条件下环肋圆柱壳的振动特性,基于Flügge壳体理论,通过采用改进传递矩阵法改进状态向量的选取,直接快速地从振动方程推导出圆柱壳结构场传递矩阵,并对场传递矩阵使用精细积分求解。根据环肋和壳体连接处变形连续条件导出环肋处点传递矩。最后通过自由、简支、固支三种不同边界条件下环肋圆柱壳固有频率计算结果与有限元计算结果进行对比,验证了改进传递矩阵法进行环肋圆柱壳振动分析有效性和适用性。     

转动薄壁圆柱壳行波振动响应分析

考虑由转动引起的科氏力、离心惯性力及环向初应力影响,利用Hamilton原理,建立了基于Sanders壳体理论的转动薄壁圆柱壳振动微分方程。选取满足相应边界条件的轴向梁函数近似地表达各类边界条件下圆柱壳的轴向振型分布。在此基础上,提出了一种适用于求解各种边界约束的转动薄壁圆柱壳行波振动响应的方法。基于此方法,分别针对静坐标系下横向简谐力和恒力作用下的两端固支转动薄壁圆柱壳的行波振动响应进行了求解,并对结果进行了相应分析。     

薄壁圆柱壳构件受迫振动的响应特征研究

针对固支-自由约束条件下受径向谐波激励或径向冲击激励的薄壁圆柱壳构件,开展其受迫振动下的响应特征分析。首先基于Love壳体理论建立了薄壁圆柱壳构件的动力学模型,然后,根据固支-自由约束条件特点,采用轴向梁函数和周向三角函数组合的振型函数以及振型叠加法,获得了考虑粘性阻尼的薄壁圆柱壳模态坐标振动方程,进而求解受径向谐波激励或冲击激励的振动响应。通过一个具体算例,进行了不同位置上的响应幅度与相位的变化分析,并对比了模态阻尼比和激励力幅值对响应幅值的影响。     

叠层复合材料圆柱壳的细-宏观阻尼特性预测

研究了叠层复合材料圆柱壳的细-宏观阻尼特性。基于Reissner-Naghdi薄壳理论,给出了圆柱壳的振动微分方程,在分量变量的过程中,采用Haar小波级数表示轴向振型,Fourier级数表示环向振型,通过边界条件求解积分过程中出现的未知系数,进而得到用于分析圆柱壳自由振动特性的特征方程;基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型,分别获得单层复合材料的等效阻尼特性和等效弹性特性,利用复模量法对复合材料圆柱壳的阻尼特性进行预测。通过与其他文献中阻尼预测的结果进行对比,验证了该研究所采用方法的有效性;进一步针对四种典型的边界条件,即固支-固支(C-C)、固支-简支(C-S)、简支-简支(S-S)、固支-自由(C-F)等边界,从细-宏观层面分析了纤维含量、环向波数、铺层方式和几何参数等因素对复合材料圆柱壳阻尼特性的影响规律。     

基于波动法的复合材料圆柱壳阻尼特性分析

研究复合材料圆柱壳的阻尼特性。基于Love’s一阶壳理论建立复合材料圆柱壳的振动方程,运用波动法进行求解并进一步建立圆柱壳结构阻尼的分析模型。研究表明,采用所建立的解析模型和计算方法所获得的复合材料圆柱壳模态阻尼和固有频率数值解,与已有的有限元结果基本一致。针对简支(SS-SS),悬臂(C-F)和固支(C-C)三种边界条件,对[0/θ2/90]和[±θ]2铺层复合材料圆柱壳的阻尼特性进行分析,揭示了铺层角度,几何参数和边界条件对阻尼特性的影响。     

基于Galerkin法的旋转薄壁圆柱壳非线性行波振动的数值分析

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼和几何非线性的情况下,基于Galerkin方法,对旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的非线性行波振动进行了数值分析.在研究过程中,首先,考虑阻尼并引入几何非线性项,建立薄壁圆柱壳的非线性波动方程,然后,采用Galerkin方法对波动方程进行转换,选取不同的模态组合,得到相应模态坐标下的非线性微分方程,最后用Runge-Kutta法进行数值计算并对圆柱壳的非线性波动振动特性进行了分析.结果表明,几何非线性使圆柱壳呈现明显的硬特性,其硬特性随激振力幅值的增大而得到加强,共振区存在多值性,多模态分析表明,轴向二阶模态对主模态影响较大,计算时宜采用两个轴向模态.     

几何参数对旋转薄壁圆柱壳振动特性的影响

摘 要: 本文基于Love壳体理论对旋转薄壁圆柱壳的自由振动特性进行分析,讨论几何参数对圆柱壳振动特性的影响。针对五种边界条件,分别分析厚度与半径之比、半径与长度之比对旋转薄壁圆柱壳固有频率特性的影响;探讨半径与长度之比对系统振型比的影响。分析结果表明：圆柱壳固有频率随着厚度与半径之比的增加而单调增加,增加幅度较小。半径与长度之比对圆柱壳固有频率与振型比的影响显著,且随其增大固有频率及振型比均不单调变化。由此可知,细长圆柱壳的振动特性与短粗圆柱壳的振动特性差异显著,研究结果为圆柱壳的动力学分析提供理论依据。     

基于激光旋转扫描的约束态薄壁圆柱壳模态振型测试新方法

针对传统采用实验模态分析理论辨识模态振型测试效率低的问题,提出基于单点激光旋转扫描的测试约束态圆柱壳模态振型新方法。在明确基本测试原理基础上组建激光旋转扫描测试圆柱壳模态振型实验系统,提出基于激光旋转扫描测试约束态模态振型试验流程,并对判定圆柱壳共振及由响应数据获得圆柱壳模态振型等关键技术进行详述。通过实例验证结果表明,该方法可快速准确获得薄壁圆柱壳的模态振型、极大提高空间测试分辨率、高效测试圆柱壳结构各点振动响应,具有一定工程应用价值。     

边界条件对旋转薄壁圆柱壳结构自由振动行波特性的影响分析

建立了弹性约束边界下旋转薄壁圆柱壳结构自由振动行波特性分析模型,通过在边界引入四种约束弹簧,任意边界条件可以通过设置刚度系数而统一得到。基于Sanders薄壳理论对旋转薄壁圆柱壳自由振动的振动能量表达式进行了推导,三个方向的振动位移场通过一种改进傅立叶级数进行展开,带入能量表达式并利用RayleighRitz法进行变换推导,得到旋转薄壁圆柱壳自由振动的系统特征方程。利用MATLAB编程计算,得到行波振动固有频率,通过与现有文献中其他方法比较,验证了本文方法的正确性,随后采用不同几何参数、不同边界条件、不同约束弹簧刚度的算例对振动特性的影响进行分析,揭示了转速、长径比、厚径比等几何条件以及边界约束弹簧刚度对旋转薄壁圆柱壳自由振动行波特性的影响规律。     

基于Donnell-Mushtari理论的弹性基础薄壁圆柱壳的稳态响应研究

基于经典的Donnell-Mushtari柱壳理论,针对弹性基础上有径向预压力作用的薄壁圆柱壳的自由振动频率给出了相应的精确解,采用该方法计算得到的结果与有关文献中的数据一致,误差较小。基于该方法得到薄壁圆柱壳的自由振动频率及其对应模态振型后,进一步推导得到了弹性基础上薄壁圆柱壳的强迫振动稳态响应的计算公式。并在此基础上考察了所取基础模态数量及阻尼系数大小对于薄壁圆柱壳稳态响应的影响。算例所得计算结果及结论可为工程应用提供一定参考。     

不同边界条件下转动锥壳的参激失稳特性分析

采用Haar小波方法结合Floquet指数法对不同边界条件下转动锥壳的参激振动稳定性进行了分析。基于Love一阶近似壳体理论,给出了周期性载荷作用下转动锥壳的动力学控制微分方程,采用Haar小波离散方法将其转化为具有周期性时变系数的Mathieu-Hill型常微分方程组。考虑到Bolotin法不能应用于陀螺系统的参激失稳特性分析,以及多尺度法受限于小参数情形的事实,该研究采用了对参激系统普遍适用的Floquet指数法对转动锥壳的参激振动稳定性进行分析。通过与其他文献结果的对比,验证了所采用模型及稳定性分析方法的正确性。在此基础上,讨论了固支-固支、简支-简支、固支-简支和简支-固支等几种不同边界条件下转速和半顶角对转动锥壳不稳定区的影响。     

旋翼试验台传动系统振动分析与实验

利用传递矩阵方法分析直升机旋翼试验台传动系统振动特性。获得传动系统扭转振动模态及各阶模态振型、传动系统横向振动各阶固有频率及横向振动与试验台支撑刚度关系。实验测量旋翼试验台三向振动,旋翼转速经试验台共振区达960 r/min并稳定运行2~3 s后试验台振动发散,该回转频率对应横向振动一阶固有频率。经分析知振动发散与试验台主轴支撑刚度有关,并给出解决此类故障两种方法。     

磁场中旋转圆环板的气磁弹性动力稳定性

研究磁场作用下导电旋转圆形环板受气动载荷的磁弹性行波动力学特性问题。应用哈密顿原理推导出磁场作用下旋转运动圆板的磁弹性振动控制方程,给出电磁力和气动载荷的表达式。根据边界条件设定行波特性振型函数,应用伽辽金积分推得行波动力学特征方程。通过算例,得到磁场中旋转运动圆环板在不同空气动力载荷作用下的前、后行波振动频率变化曲线和不同阶模态下的临界转速值,分析了气磁弹性条件对不同阶模态振动频率和阻尼的影响,分别讨论了基于振动频率和阻尼的临界转速变化规律及动力失稳特性。结果表明,磁场、空气动力载荷、转速等参数对旋转圆板的行波振动有显著影响。     

热环境下纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳的强迫振动响应

研究了热环境下纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳强迫振动响应的理论求解方法。考虑了基础激励载荷的影响,并依托板壳理论、复弹性模量等方法,在确立了受热后材料与结构的本构关系、物理方程及能量方程基础上,建立了该类型纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳在热环境下的理论模型。利用双向梁函数法表示振型函数,在引入比例阻尼的基础上,通过Ritz法和振型叠加法成功求解获得了频域振动响应。以TC300碳纤维/环氧树脂复合薄壁圆柱壳为研究对象,测试获得前3阶振动响应曲线。研究发现,相对于测试获得的前3阶共振响应结果,理论计算获得的共振响应误差最大不超过14.8%,验证了所提出的分析方法的正确性和有效性。      

考虑应变依赖性的硬涂层圆柱壳振动特性有限元分析

硬涂层材料的应变依赖性使分析硬涂层圆柱壳的振动特性成为一项具有挑战性的研究任务。通过自编有限元程序来解决考虑应变依赖性的硬涂层圆柱壳振动特性计算问题;在用多项式表征硬涂层材料应变依赖性的前提下,研发出一种4节点36自由度的复合单元来描述硬涂层圆柱壳结构,并确定了该单元的质量、刚度矩阵以及基础激励作用下的单元所受的载荷向量;在确定等效应变的基础上,提出了利用Newton-Raphson法求解硬涂层圆柱壳非线性振动响应及共振频率的计算流程;以Ni Co Cr Al Y+YSZ硬涂层圆柱壳为对象进行了实例研究,对其线性和非线性振动特性进行求解,其中将线性计算结果与ANSYS求解结果进行了比对以初步说明研发程序的合理性。硬涂层圆柱壳的非线性计算结果显示:随着激励幅度的增加,硬涂层圆柱壳显示软式非线性特点。     

基于精细传递矩阵法的变厚度圆柱壳自由振动分析

结合精细积分和传递矩阵方法,对变厚度圆柱壳的自由振动进行计算分析。该方法基于圆柱壳的基本微分方程,推导得到关于位移内力向量的一阶齐次偏微分方程,采用精细积分求得场传递矩阵,将其进行组装得到总传递方程,根据边界条件求解总传递方程中系数矩阵的行列式,计算得到变厚度圆柱壳的固有频率。将计算结果与有限元结果进行对比,验证方法的准确性及有效性。同时探究了边界条件、厚度变化形式、厚度变化系数及长径比对自由振动的影响规律。