考虑耦合变形的无轴承旋翼气弹稳定性分析

无轴承旋翼存在强烈的非线性扭转-弯曲耦合变形。推导了桨叶的非线性应变-位移关系,应用Hamilton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,气动力模型采用二维准定常片条理论,考虑了耦合变形对桨叶轴向弹性位移的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,分析了悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性。数值结果表明:考虑耦合变形对轴向弹性位移的影响可以提高悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性分析的精度。     

直升机悬停状态下的振动计算

为降低直升机的共振危害,需要一种对直升机在空中悬停时振动特性快速计算方法.旋翼在离心力作用下,固有频率受应力刚化效应影响发生变化,同时存在旋翼桨叶/桨叶和旋翼/机身的耦合影响,动力学分析十分复杂,另一方面为提高计算效率,运动方程的低阶次、程式化成为迫切的需求.多体系统传递矩阵法(Transfer matrix method for multibody systems, MSTMM)同时解决了这两个问题.为准确快速计算悬停直升机固有频率,本研究基于MSTMM建立一种柔性四片旋翼与直升机机身耦合的动力学模型,推导出系统的动力学拓扑模型、总传递方程和特征方程.重点推导了空间旋转梁和旋转轴的传递矩阵,最终快速计算得出悬停直升机系统固有频率.研究表明:空间旋转梁MSTMM计算结果和ANSYS Workbench仿真结果对比,误差不超过2%,旋转轴MSTMM计算结果与参考文献结果基本一致;机尾固定的约束条件下,计算出36.651 9 rad/s转速下旋翼/机身耦合系统的前13阶固有频率,与ANSYS Workbench仿真结果一致,改为悬停无约束条件,计算得出悬停直升机系统前8阶固有频率,计算速度相较仿真速度提升了7.1倍,为直升机动力学分析提供一种新思路.     

无轴承旋翼／减摆器的气动弹性力学研究

将无轴承旋翼的主桨叶、柔性梁和套管3个部分各自离散成若干梁单元,并将桨叶运动的物理坐标转换为挥舞、摆振、扭转方向的模态坐标,根据Hamilton原理建立旋翼气弹分析的动力学模型．采用Newton-Raphson迭代方法,用时间有限元法进行旋翼稳态响应的数值求解,并根据时域非线性黏弹减摆器模型,在直升机定常前飞条件下配平计算旋翼／黏弹减摆器耦合系统非线性气弹周期响应,然后基于Floquet理论进行稳定性分析,并讨论了桨叶载荷系数对旋翼稳定性的影响．结果表明：该减摆器模型能充分提高摆振阻尼,从而改善无轴承旋翼的稳定性．     

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,...     

复杂三维外形旋翼气弹稳定性分析

针对带有后掠、下反构型的复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题进行分析。基于中等变形梁理论以及Hamilton原理，在桨叶运动学描述中引入节点转换矩阵在有限元总体阵组集中引入变形相容原则，建立面向复杂三维外形旋翼的结构动力学模型，并在算例验证的基础上针对复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题展开参数影响分析。研究表明：桨尖后掠引起挥舞-扭转结构负耦合效应，造成一阶扭转模态频率和模态阻尼比降低，一阶扭转模态阻尼最大降低90%;桨尖下反引起摆振-扭转结构正耦合效应，造成二阶摆振模态频率降低，一阶扭转模态阻尼比最大降低62%,采用后掠带下反设计会大大降低扭转稳定性。     

作大范围运动弹性结构振动频率及模态的摄动解

根据参数摄动理论，建立了作大范围运动弹性结构特征频率与模态的摄动理论，推导了作大范围运动弹性结构的特征频率与模态的1阶、2阶摄动方程．以作大范围运动弹性梁为例，求解了作大范围转动弹性梁振动频率与模态的1阶、2阶摄动近似解，并与结构动力学意义下的频率与模态进行了比较．该方法解决了在柔性多体系统中大范围运动对柔性体变形运动的振动频率与模态的影响这类刚-柔耦合问题，同时为任意柔性多体系统刚-柔耦合动力学程式化建模提供了高效、精确的离散方法．     

支承刚度对输流管道振动特性的影响分析

为研究实际支承条件下管路系统的振动特性,文中采用一端固支一端具有弹性约束梁的前两阶振型来近似相同边界条件下输流管道的前两阶振型．通过拉格朗日方程推导出了带有弹性约束管道系统的控制方程,利用模态法对其进行求解,分析了支承刚度对梁前两阶振动特征值的影响,并分析了支承刚度对管道固有频率、跨中最大振动位移和动静失稳临界流速的的影响．研究结果表明：支承刚度在0～1000N／m范围内对固有频率影响不大,当支承刚度大于1000N／m对固有频率有明显影响;随着支承刚度的增大,管道系统的首次失稳形式由动态失稳变为静态失稳．     

直升机桨叶耦合振动的研究与数值分析

文章利用有限元法推导了直升机桨叶的耦合振动的频率方程，提出了有效的计算方法－直接迭代法，从而计算了桨叶第一至第四阶固有频率。     

空间两连杆柔性构件弯扭耦合振动主动控制

为了研究空间柔性结构的耦合振动，提出一种由柔性杆和柔性梁组成的两连杆柔性构件系统，对此柔性构件系统的弯扭耦合振动进行了研究，运用拉格朗日方程和假设模态法推导了此柔性系统的动力学方程．在柔性杆根部粘贴一只压电扭转驱动器抑制柔性杆的扭转振动，在柔性梁根部粘贴一只压电剪切驱动器抑制柔性梁的弯曲振动．采用一种基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略进行了实验仿真研究．结果表明, 施控后的系统是稳定的，弯扭的各阶模态均能得到有效抑制，柔性梁末端的位移振动能得到显著衰减．     

二维微动平台柔性机构动力学建模与分析

提出一种基于并联柔性机构的两自由度平动解耦并联微动平台.平台采用复合双平行四杆柔性机构模块，采用结构对称约束消除轴间耦合和寄生位移的产生，实现X,Y方向的平动.采用刚度矩阵法对该并联柔性机构进行理论分析，根据观察法建立微动工作台的整体刚度矩阵，得到系统的运动微分方程，推导出系统各阶固有频率.采用有限元分析法对微动工作台进行模态分析，得到微动工作台的固有频率和振型.经过理论分析、有限元计算和试验测试，并对结果进行对比，结果的一致性说明理论分析的正确性和刚度矩阵分析的有效性.     

级间耦合刚度对行星传动系统灵敏度的影响分析

考虑行星传动中内齿圈的弹性变形及其切向和径向刚度约束的弹性基,通过级间耦合的方法建立了某混合动力系统中两级行星齿轮机构在弹性支承下的刚柔耦合混合动力学模型,基于所建模型,采用有限差分法并结合模态能量研究了四行星轮传动系统的固有频率对级间耦合刚度的灵敏度,研究结果表明:Ⅰ/Ⅱ级耦合扭转振动模式的固有频率随着第Ⅰ级内齿圈与第Ⅱ级行星架间耦合刚度、第Ⅰ级太阳轮与第Ⅱ级太阳轮间耦合刚度变化而变化,且固有频率的灵敏度程度随级间耦合刚度的增大而减小,其他各振动模式的固有频率均保持不变;模态能量分析验证了上述结论.     

轴-艇耦合系统自由振动特性建模与分析

为了探究水下航行器结构间的振动传递规律，本文基于能量变分原理，以梁-组合壳作为轴-艇耦合系统结构的简化，建立理论计算模型并对其自由振动特性进行分析。引入改进傅里叶级数构造梁结构及组合壳结构的位移函数，得到各自结构的动能和应变能；分别利用耦合弹簧组和边界弹簧组将结构之间的位移连续条件和边界约束条件转换为对应的耦合弹簧势能；对系统能量泛函进行变分求解，得到耦合系统的固有频率及模态振型。通过与有限元软件的对比，验证了本文计算模型的准确性，并对不同壳体边界条件下耦合系统固有频率变化规律进行计算分析。研究结果表明：耦合系统低频段存在解耦模式，振动模态可等效于刚体结构上的多跨梁弯曲振动；壳体边界约束增强会导致耦合系统大部分固有频率随之增大并最终趋于稳定，但不会对解耦模式的固有频率产生影响。     

带倾斜薄板的梯形声场建模及其振声特性分析

针对带倾斜薄板的梯形声场声学建模问题,提出了一种基于Chebyshev-变分原理的非规则声场-结构耦合系统建模方法,建立了弹性边界约束下倾斜薄板-梯形封闭声场耦合模型。将结构位移和声场声压分别表示成多重Chebyshev级数形式,按照利兹方法分别求解结构和声场的拉格朗日泛函,得到耦合系统的特征方程并求得系统的固有频率和模态。与有限元结果的对比验证了本文方法的正确性,并就结构边界条件及声场倾斜角度对耦合系统固有频率的影响进行了分析。分析结果表明:倾斜角的存在增强了声场模态的不规则程度,倾角的增大使得耦合系统板控频率依次递减,而腔控频率的变化趋于复杂;薄板倾斜边界约束的释放使得耦合系统各阶固有频率显著减小。     

圆柱顺流向涡激振动响应及流体力特征分析

为了研究柔性圆柱顺流向涡激振动响应特性和流固耦合机理,进行了柔性圆柱涡激振动实验。根据实验中测量的结构应变,用模态分析法重构圆柱顺流向响应位移。建立有限元模型,根据位移逆向求解圆柱顺流向的流体力,并通过最小二乘法获得了脉动阻力和附加质量系数。结果表明:顺流向响应位移均方根最高可达0. 45倍的圆柱直径;在模态控制区,随响应位移的增大,脉动阻力系数减小,体现了顺流向涡激振动的自限制特性;附加质量系数在模态控制区减小,致使结构响应频率"锁定"在固有频率附近;脉动阻力系数和响应位移的轴向分布具有高度一致性;流体力和响应位移之间的相位差会对脉动阻力和附加质量系数产生重要影响。     

空间柔性操作臂的动力学/控制耦合特性研究

采用哈密顿模型,对关节处含谐波减速器的空间柔性操作臂的动力学特性进行了研究. 在考虑谐波减速器柔性效应的前提下,分析臂杆运动过程中的动态约束类型,得到了包含系统控制参量和谐波减速器刚度系数的模态频率和振型方程. 综合关节和臂杆的柔性,建立了耦合系统控制律的动力学方程. 通过仿真计算不同控制参数下系统的动力学响应,验证所建系统动力学模型的有效性.     

惯性矩二次变化变截面梁柱几何非线性分析

为研究考虑剪切变形的变截面梁杆结构几何非线性问题,应用Timoshenko梁理论,采用位移、转角独立插值的方法,获取考虑剪切影响的惯性矩二次变化变截面梁单元的形函数;从严格的虚功增量方程出发,建立同时考虑轴力、剪切、弯曲效应及其耦合项的平面变截面梁柱单元几何非线性增量平衡方程,得到惯性矩二次变化变截面梁单元大位移切线刚度阵;与经典算例进行对比,验证了本文方法的精确性与有效性．     

基于疲劳寿命的轿车后悬架扭转梁轻量化设计

以某国产轿车后悬架扭转梁的轻量化为研究目标,利用多体动力学软件建立考虑后悬架扭转梁柔性的整车刚柔耦合模型,并通过扭转梁自由模态试验和整车行驶平顺性实车道路试验验证了模型的正确性。在耐久性强化路面上进行整车动力学仿真分析,计算扭转梁模态位移时间历程,通过模态应力恢复得到扭转梁应力时间历程,并采用名义应力法进行疲劳寿命分析。基于网格变形技术建立扭转梁参数化模型并定义设计变量,以质量和疲劳寿命为优化目标,以一阶扭转模态频率和扭转刚度为约束条件,结合Kriging近似模型和多目标粒子群优化算法对扭转梁进行多目标优化设计,获取Pareto最优解集,并选取一个最优解验证扭转梁轻量化效果。结果表明,在使疲劳寿命满足设计要求的同时,优化后扭转梁质量减少20.35%,轻量化效果比较明显。     

无粘结预应力筋与简支梁耦合振动的特性

为了研究无粘结预应力梁振动特性,基于预应力筋和梁的分离式模型及其耦合振动特性,建立了预应力筋随梁耦合振动的张拉力变化时程方程和耦合振动特征方程。通过6根无粘结预应力钢筋混凝土梁电磁激振器扫频试验,测试了不同预应力条件下梁的基频。理论和试验的研究结果表明无粘结预应力对等值杆梁结构自振频率没有直接影响,但其布筋形态和预应力筋抗拉刚度影响梁自振特征值。     

复杂边界条件轴向功能梯度梁动力学分析

为分析复杂边界条件及截面属性对轴向功能梯度梁动力学特性的影响,采用Gauss-Lobatto节点与Chebyshev多项式对变截面轴向功能梯度梁变形场进行离散,利用Chebyshev谱方法和Lagrange方程推导了系统的离散控制方程,通过投影矩阵法施加经典及弹性连接边界条件,分析了材料梯度指数、截面变化率、弹性支撑边界条件、末端集中质量等因素对系统固有频率的影响.结果表明:截面变化率和材料梯度指数对固有频率的影响因边界条件不同而不同;悬臂梁的前一阶量纲一的固有频率随着截面变化率的增大而增大,其他情况下则随截面变化率的增大而减小;悬臂梁的一阶固有频率随材料梯度指数先增大后逐渐减小,而其余各阶频率均显示出增大的趋势,而两端固支梁的前两阶频率呈现减小趋势,后两阶频率则显示出增大的趋势;两端简支梁各阶固有频率皆随材料梯度指数增大而增大;随着弹性支承刚度的增大各阶固有频率均呈阶梯状增大,但当弹性支撑刚度较小时,旋转弹簧相较线性弹簧对系统固有频率影响更大;末端附加质量将使固有频率减小且对高阶固有频率的影响更大.     

基于响应面法的机床螺栓结合部刚度辨识与动力学建模

为了研究结合部刚度参数间的耦合关系对机床结合部动态性能的影响,基于响应面函数的选型建立了广义模态固有频率与结合部动刚度耦合和非耦合的函数模型。响应面函数辨识法以结合部模态固有频率这一关键动力学性能为指标,研究了结合部动态特性与结合部刚度参数的数学关系。基于结合部单、双对节点有限元建模方式,结合中心复合实验设计方案和响应面方法理论,分别对两种建模方式建立响应面函数辨识模型。以响应函数模型的响应值与实验测得值的最小二乘法为优化目标,结合非线性规划与遗传算法实现结合部刚度参数的辨识。其中通过响应面函数二次多项式的选型显现多对节点间的刚度耦合关系,揭示了参数间的耦合关系对结合部动力学的影响。为验证此理论和方法的可靠性,以一螺栓结合部为研究对象,制定有限元动力学仿真分析的实验设计方案和采集了刚度组合点,并计算每一组采样点的前11阶模态固有频率。以有限元分析的数据为基础,建立反映螺栓结合部刚度间耦合关系的2次多项式响应面函数,并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性。对比分析多刚度耦合、不耦合和单刚度的有限元模型预测精度,结果显示,多刚度耦合的有限元模型在固有频率、振型方面均具有较好预测效果,前11阶模态固有频率平均误差仅为1.6%,论证了考虑刚度间耦合关系的必要性和方法的可行性。