热声载荷作用下薄壁壳结构非线性响应及疲劳寿命估算

高超飞行器表面薄壁结构在热声载荷下发生复杂非线性响应,结构内部快速变化的应力对结构疲劳寿命有显著影响。在原有平板结构计算结果基础上,利用有限元法对薄壳结构在热声载荷下的大挠度非线性随机响应进行了分析,得到了薄壁壳在均匀温度下的非线性响应,结合线性损伤理论和雨流循环计算法对薄壁壳结构疲劳寿命进行了估算。结果表明,薄壁壳在热声载荷下的非线性响应呈现明显的稳定-失稳-稳定过程,结构寿命在失稳状态下受到严重影响;非线性响应的应力幅值和均值共同表征结构的疲劳损伤特性。     

热结构在随机压力载荷作用下跳变响应计算与分析

先进的航空航天器结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷,这些载荷会导致结构以非线性方式响应.研究了随机压力载荷作用下高温薄壁结构动态响应计算方法,并构建了计算模型.首先讨论了温度对结构刚度的影响,分析表明屈曲前结构刚度随温度升高而降低,屈曲后结构刚度随温度升高而升高.在此基础上着...     

热声载荷下复合材料薄壁结构的随机疲劳寿命估算

复合材料薄壁结构承受着高温强噪声载荷,高温环境能够改变材料的性能,而强噪声能使薄壁结构发生大挠度非线性响应。热声载荷达到一定值后,结构的动态响应会出现屈曲甚至跳变响应。热声载荷下复合材料薄壁板非线性响应理论分析方法,采用时域蒙特卡洛法求解非线性运动方程,并根据应力峰值分布,采用线性损伤累积理论和S-N曲线估算结构的疲劳寿命。以碳/碳复合材料矩形板为例,计算了高温强噪声载荷作用下对薄壁板的动态响应和疲劳寿命。     

加筋板在热声载荷作用下的非线性动态响应分析

先进航空航天飞行器为减轻重量而大量采用薄壁结构,随着飞行速度的提高,其面临着的日益严峻的高温强噪声工作环境,会使得薄壁结构在复杂的应力应变状态下产生大挠度非线性响应,严重影响了飞行器的工作可靠性。给出了热声载荷作用下薄板结构的大挠度运动方程,分析了发生热屈曲的临界温度,并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动态响应,比较了两种结构在相同热声载荷环境下的非线性动态响应特征。     

基于改进雨流法的复合材料薄壁结构随机声疲劳寿命估算

复合材料薄壁结构在强噪声载荷下发生大幅值非线性响应,结构内部产生的复杂应力严重降低了结构的疲劳寿命。用有限元方法预测复合材料薄壁板在噪声载荷下的非线性随机响应,通过层合板理论和冯卡门大挠度方程建立运动方程。在结构热声激振非线性响应分析基础上,采用改进的雨流循环计数法对应力响应时间历程进行疲劳循环计数,结合线性损伤累积理论和S-N曲线估算板的声疲劳寿命。以石墨环氧材料为例,计算得到了有限带宽高斯白噪声作用下的非线性响应和疲劳寿命。结果表明,固支板的寿命比简支板的寿命短。     

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。     

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。     

复杂场涡轮叶盘振动特性可靠性分析

为了研究复杂场多因素对航空发动机涡轮叶盘振动特性及可靠性的影响,考虑温度载荷、离心载荷和气动载荷的共同作用,基于振动理论和有限元技术建立了模态分析数学模型,进行了流-热-固耦合振动特性分析和共振分析,最后采用双重极值响应面法对振动变形及应力进行了可靠性分析。结果表明:考虑多因素耦合作用与不虑考多因素耦合作用,叶盘的固有频率最大相差32. 9%,可靠性概率最大相差3. 46%。     

带弹性附件的航天器的动力学与变结构控制

为了研究一类挠性航天器的动力学特性、姿态的稳定控制以及弹性附件振动的有效抑制问题，首先用拟坐标下的拉格朗日方法建立了中心刚体上铰接有给定数目弹性附件的航天器的准确动力学方程，然后在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上用变结构控制方法设计了系统的反馈控制律，使星体姿态和弹性附件的振动同时得到了有效控制。研究结果表明，这样一类系统的动力学方程为系数时变的非线性微分方程，弹性附件的低阶模态对主体的姿态运动起主要影响作用。基于非线性和低阶模态模型基础上的变结构控制律对这样一类系统具有良好的性能。     

开孔蜂窝夹芯结构的声振耦合疲劳寿命分析

为研究蜂窝夹芯结构上面板开孔直径大小对结构的声疲劳寿命的影响,采用了声振耦合的分析方法. 首先对结构进行有限元分析,得到结构的低阶模态以及其对应的频率;随后对声场进行边界元单元划分,建立声场-结构的耦合动力学模型;为降低计算量,对于输入的噪声载荷进行主成分分析,提取各阶主成分作为输入条件,通过数值分析得到结构在各频率、各主成分下的动力学响应;通过基于模态叠加法的随机声场后处理得到结构危险点的功率谱密度函数;最后结合P-M线性累计损伤理论、概率密度函数等作为功率谱密度法的输入条件计算结构的声疲劳寿命.结果表明,虽然结构表面开孔,会使结构刚度降低、孔边应力集中,但开孔直径较小时,每一个蜂窝单胞都是一个天然的赫姆霍兹共鸣器,声波在开孔结构中传播时受到空气粘滞性的影响,传播过程中将产生热损耗,能够吸收部分声能,降低噪声,因此对结构的声疲劳寿命具有积极作用.     

旋转薄壁圆柱壳非线性波动振动分析

基于Donnell’s简化壳理论,考虑阻尼和几何非线性,建立旋转薄壁圆柱壳在法向激振力作用下的波动振动方程,并利用Galerkin方法将波动振动方程转换到模态坐标上,其中考虑到一端自由一端固支的边界条件,节径数和轴向半波数分别取为6和1,得到2个相互耦合的非线性微分方程,用数值方法研究了各模态变量的时间响应和非线性幅频特性,并讨论了振动响应的稳定性和激振力对系统非线性的影响.     

基于力状态映射法的航天器非线性铰链参数辨识

为了解决航天器伸展机构中复杂非线性铰链的建模问题,采用力状态映射法辨识了具有复杂非线性动力学特点的航天器太阳翼根部铰链和板间铰链结构中的多种线性和非线性动力学参数,得到了描述铰链非线性动力学模型的微分方程。为了提供辨识所需的试验数据,根据实际铰链的受力特点,建立了航天器复杂非线性铰链的振动响应试验测试系统,并通过振动试验获得了真实航天器太阳翼根部铰链和板间铰链在不同频率及激振力下的力矩与弯曲角之间的关系。本文的参数辨识结果反映了真实铰链的非线性刚度、摩擦及阻尼特性。利用此辨识参数建立的动力学模型能够描述铰链结构中的多种线性和非线性动力学特点,并可进一步应用于航天器整体系统建模及控制中。     

水下通气空泡航行体结构模态及冲击响应研究

将航行体水下通气空泡简化为空气弹簧,并基于结构水下附加质量与空气弹簧作用原理,推导了水下通气空泡航行体在局部通气空泡包裹下的流固耦合振动方程.基于该振动方程,对通气空泡航行体在不同空泡长度包裹下的模态频率以及冲击载荷作用下的结构响应进行了分析,并将结果与将通气空泡简化为真空情况的计算结果进行对比.研究结果表明,结构的模态频率随通气空泡长度的增大而波动增大;通气空泡刚度对结构模态频率的影响随模态阶数的增大而减小;在冲击载荷作用下,通气空泡长度越大,响应幅值越小、响应频率越高.     

燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构声疲劳问题,建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型。采用耦合的边界元和有限元方法对该结构进行声激励载荷作用下的响应进行计算,获得该结构在不同声压级下的振动位移和应力响应结果,对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和抗声疲劳结构设计具有一定参考价值。     

屋顶振源室内低频耦合响应场有限元研究

利用有限元方法计算了低频激发力作用下屋顶振源在室内产生振动耦合响应场的空间分布及其频率响应特征;指出了薄壁矩形封闭空间与刚性壁空间的模态频率存在一定偏差,并且在模态频率较高时偏差比较大,在激发力频率接近房间结构的共振频率或腔内声模态频率时,室内耦合声场将获得较大声压级,特别是当结构共振频率与腔内模态频率发生重叠时,以该频率激发结构会使室内耦合响应场的声压级得到极大加强,因此,在设计建筑物时应当避免共振频率与模态频率的重叠,通过分别计算在非特征(共振或模态)频率(80Hz)与特征(共振和模态重叠)频率(116Hz)激发力作用下的各壁声压级及其结构位移振幅分布,给出了各壁面在相应激发力作用下向室内辐射声能量的相对贡献,指出对室内声能量贡献起主要作用的有时不一定是屋顶,而可能是侧面墙壁。     

双索单梁组合结构非线性动力特性

为了研究双索单梁组合体系的非线性动力响应,基于该组合体系的连续模型,建立索 梁组合结构的运动方程,在对方程进行约化处理后,结合回传射线矩阵法求解了结构平面内线性特征模态,研究组合体系中索和梁之间的相互作用,并以此为基础采用一阶模态截断的方式构造了单自由度非线性方程,用于研究结构非线性动力响应.通过变量转换,应用同伦分析法给出了结构受外部简谐荷载作用下稳态周期解的级数解形式,求解结构在一阶共振频率附近的非线性频率振幅曲线,并通过数值算例讨论了各种参数对非线性动力特性的影响.结果显示：同伦分析法与其他方法相比,在计算强非线性问题时具有较大的优势.     

Vibration and Acoustic Response of Sandwich Panels with Flexible Core Under Thermal Environments

软芯夹层板热环境下声振特性研究

韩敬永^1,2,于开平¹,宋海洋¹,李向阳¹

（1．哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

2．中国运载火箭技术研究院,北京,100076）

创新点说明：

同时考虑对称和反对称变形,建立了软芯夹层板热环境下声振特性分析模型,并揭示了温度及夹层板参数对结构振动特性及辐射声场声压级的影响规律。

研究目的：

考虑夹层板对称变形,针对软芯夹层板热环境下的振动和声辐射特性进行理论建模。

研究方法：

同时考虑对称和反对称变形利用哈密顿变分原理推导了热环境下夹层板的振动控制方程,通过自由振动分析得到了夹层板在热环境下的临界屈曲温度、固有频率和振型,利用模态叠加法和瑞利积分分别求得了夹层板受迫振动响应及辐射声场的声压级。分析了芯层泊松比、芯层厚度和温度载荷对夹层板固有频率的影响机理,研究了膨胀模态及温度载荷对夹层板振动和辐射声场声压级的影响。

结论：

研究发现固有频率随温度升高而降低,低阶弯曲模态和高阶膨胀模态固有频率对温度变化比较敏感;膨胀模态使得振动响应反共振频率向低频移动;随温度载荷升高响应共振峰频率向低频移动,且由于阻尼随温度升高而增大导致响应峰值降低。该理论模型可以为热环境下夹层板的应用提供一定的指导作用。

关键词：夹层板,对称运动,振动,声辐射,热环境

     

温度场对发动机静子系统振动特性影响

建立了某型航空发动机静子系统的模型,通过对其进行热分析获得了结构的稳态温度场,分别计算了常温下和温度场作用下静子系统的振动特性并进行对比分析。结果表明,考虑温度影响时,由于材料弹性模量随温度升高而降低,结构的固有频率减小而模态振型基本不变;结构响应的变化与激励频率有关,在某些频率下响应增加,在其它频率下响应减小。这种响应的变化在共振频率附近非常明显,因此分析静子系统的振动特性时不能忽略温度的影响。     

带有移动摆载荷柔性梁的动力学分析

工程中移动载荷作用下梁的耦合振动问题日益突出,针对移动载荷动力作用引起梁结构产生疲劳、降低强度及影响系统运行安全性问题,研究移动摆载荷作用下柔性梁的振动位移响应.基于Hamilton原理推导带有移动摆载荷柔性梁耦合动力学微分方程,利用假设模态法对移动摆载荷柔性梁耦合系统动力学方程进行离散,采用Newmark逐步积分法,...     

基于Clough-Penzien谱的粘弹性耗能结构地震响应的简明解析解法

对粘弹性耗能结构基于Clough-Penzien(C-P)谱的随机地震动响应提出新的简明解.首先,基于C-P谱的滤波方程,将复杂的地震激励精确转化成简明的白噪声激励,并重构粘弹性耗能结构的地震动方程.然后,利用复模态方法将结构的响应协方差精确统一表示为白噪声协方差的二重积分,基于白噪声协方差的特点给出了响应的协方差、功...