C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷（L-PBSZ）对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明：一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。     

高超声速飞行器复合材料翼面结构1100℃高温环境下的热模态试验

为了在热模态试验中获得难于测量的超过1 000℃的高温环境下复合材料翼面结构的振动特性参数,将高温瞬态热试验系统与振动试验系统相结合,建立了可对高超声速飞行器耐高温复合材料翼面结构进行1 100℃高温环境下热模态研究的热/振联合试验系统。通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将复合材料翼面结构上的振动信号传递至非高温区域,使用常温加速度传感器对高温环境下高超声速飞行器翼面结构上的振动信号进行数据识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理,实现了在1 100℃热/振复合环境下对复合材料翼面结构的模态频率、模态振型等关键振动特性参数的试验测试。研究结果为高超声速飞行器复合材料翼面结构在高温环境下的动特性分析及安全可靠性设计提供了重要依据。     

气隙静态偏心与定子短路复合故障对发电机定子振动特性的影响

分析了汽轮发电机在正常运行、气隙静态偏心故障、定子匝间短路故障、气隙静态偏心与定子匝间短路复合故障下的定子径向振动特性,以及各故障参数发展对定子振动特性的影响。首先对各情况下的气隙磁密进行了推导,得到引发定子振动的单位面积磁拉力表达式。然后分析了复合故障下定子径向振动特性及其与对应故障参数的变化关系。最后实测了SDF-9型故障模拟发电机的定子振动数据,结果与理论分析基本吻合。研究表明,正常情况和气隙静态偏心故障下发电机定子只有二倍频振动,但静偏心对应的二倍频振动幅值较正常情况要大;定子短路故障与复合故障下发电机定子都将产生二倍频、四倍频与六倍频径向振动,但复合故障所对应的振动幅值较大;复合故障下随着定子短路或气隙静态偏心程度的加剧,定子径向变形趋势及二倍频、四倍频与六倍频振动幅值均将增大;随着电机励磁电流的增大,定子径向变形趋势及二倍频、四倍频振动将增大,而六倍频振动则基本不变。     

连接件松动的非同步振动响应特征分析与验证EI北大核心CSCD

针对普遍存在的航空发动机连接件松动故障现象,建立了单自由度集总质量模型,引入松动故障模型,利用数值积分方法求得系统响应,分析了非同步响应特征;利用对含松动间隙的连接件进行松动实验,发现了其加速度响应经过自相关降噪后,时域波形表现为明显的冲击特征,波形上下不对称,呈现"截头状"波形;频谱上表现为伪临界亚谐共振以及伪临界超谐共振;此特征与仿真结果一致,可以作为判定松动故障的典型特征。通过仿真发现,导致连接件出现该松动特征的原因在于:1)松动故障引起的刚度的变化;2)当刚度变化的周期等于振动周期时,将产生倍频现象,在特定频率下,将激发系统的临界频率;当刚度变化的周期等于n倍振动周期时,则将产生1/n分频及其倍频,在特定频率下,将激发系统的临界频率。     

连接件松动的非同步振动响应特征分析与验证

针对普遍存在的航空发动机连接件松动故障现象,建立了单自由度集总质量模型,引入松动故障模型,利用数值积分方法求得系统响应,分析了非同步响应特征;利用对含松动间隙的连接件进行松动实验,发现了其加速度响应经过自相关降噪后,时域波形表现为明显的冲击特征,波形上下不对称,呈现"截头状"波形;频谱上表现为伪临界亚谐共振以及伪临界超谐共振;此特征与仿真结果一致,可以作为判定松动故障的典型特征。通过仿真发现,导致连接件出现该松动特征的原因在于:1)松动故障引起的刚度的变化;2)当刚度变化的周期等于振动周期时,将产生倍频现象,在特定频率下,将激发系统的临界频率;当刚度变化的周期等于n倍振动周期时,则将产生1/n分频及其倍频,在特定频率下,将激发系统的临界频率。     

励磁绕组短路下关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响

分析了励磁绕组短路下,关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响。关键运行参数包括短路程度、短路位置,以及电机负载率;转子动力学特性包括转子不平衡磁拉力激励特性、径向振动响应特性,以及转子铁芯动力学响应规律。基于柔性转子不平衡磁拉力激励与振动响应的理论分析、有限元仿真计算,以及动模试验来探索不同运行参数造成动力学特性差异的规律。结果表明：正常情况下转子不平衡磁拉力趋于零,转子振动以常规基频和定子传递过来的各偶次倍频为主;励磁绕组匝间短路下,转子不平衡磁拉力及其振动响应将产生新的奇次倍频成分,且通频振动幅值增大。随着短路程度或负载的增加,转子不平衡磁拉力与振动响应的基频将增大;短路位置越靠近大齿处,转子不平衡磁拉力与振动幅值越大;转子铁芯大齿的外表面和内槽表面边沿为动力学响应的危险位置。     

基于塔筒振动特性识别风机塔螺栓松动的研究

法兰盘螺栓松动是风机塔常见的一种严重病害。基于大量实测试验得出:塔筒的1阶相位差特性对法兰盘螺栓松动病害很敏感。首先对6座存在此病害的风机塔开展了详细的振动测试与分析,然后分析出法兰盘螺栓松动后,其1阶固有频率值未发生变化、阻尼比变化不明显、1阶振型变化也不突出,但在各法兰盘上、下盘之间的相位差即使在螺栓松动比例为6%时也存在明显的突变特性,而在对法兰盘螺栓重新紧固后,其相位差未表现出此特性。实测试验表明:相比其它振动特性,风机塔的1阶相位差特性受法兰盘螺栓松动的影响更明显,因此能更准确地反映出法兰盘螺栓松动现象,可基于法兰盘上、下盘之间的相位差绝对值是否存在突然增大的特性来识别出法兰盘螺栓是否存在较严重的松动病害。本文的研究结果是基于6座风机塔多个工况下的实测数据得出的,具有较高的可靠性,对风机塔的法兰盘螺栓松动病害的快速检测方法的研究具有较大的参考价值。     

螺旋桨激励条件下结构振动特性研究

为研究复合材料螺旋桨以及铜质材料螺旋桨在锤击激励以及非稳态激励条件下的结构模态固有特性和水下振动噪声特性,在设计的试验环境下,对处于水介质以及空气介质中的复合材料螺旋桨以及铜质材料螺旋桨5桨叶进行模态激励试验,得到两型螺旋桨各桨叶的固有频率、模态振型以及阻尼比,并分析两型桨5桨叶之间的差异;针对桨-轴系统在临界转速工况下出现空化而导致的异常振动噪声现象,选取螺旋桨发生空化前的辐射水声频谱,对两者进行了对比研究;另外,试验还模拟桨-轴系统在高速运转下的停车运行工况,对停车运行过程的振动噪声时频特性进行分析。试验研究结果表明:前3阶模态中,复合材料螺旋桨各桨叶之间的差异比铜质材料螺旋桨之间的差异要大,但两型桨叶的振型基本一致;螺旋桨发生空化时,产生的叶频及其倍频幅值放大了约2~10倍;停车运行过程中,变流速,变转速产生的变激励力是引起振动噪声时频变幅特性的主因。该研究成果对新材料、新工艺在船舶推进器声学设计有较好的指导作用,对螺旋桨在非稳态激励下的噪声源声学特性有全面认识。     

某压路机空调压缩机支架振动故障分析

为解决某压路机在转速1 350 r/min左右出现异常振动问题,应用有限元软件分析压缩机支架各阶固有频率及振型,发现压缩机支架前两阶固有频率偏低是造成故障的主要原因,通过对新、旧车的振动瀑布图分析可知,压缩机支架使用一段时间后螺栓松动引起支架固有频率下滑,结合发动机振动加速度幅值谱分析,判定异常振动是由发动机点火激励2倍频振动激发压缩机支架共振引起。     

PSO优化多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断

为在非经验指导下获取多尺度一维卷积神经网络中卷积核数目和尺度最优参数,实现风机基础螺栓松动智能诊断,提出粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断方法。首先,获取风机一维原始振动信号,划分训练集与验证集;然后,将多尺度一维卷积神经网络中卷积核数目和尺度作为PSO的粒子,以验证精度作为适应度值,根据适应度值更新粒子速度和位置,经训练后获得最优卷积核数目和尺度参数下的多尺度一维卷积神经网络;最后,输入测试样本,得到风机基础螺栓松动诊断结果。在稳定转速和升降速下进行风机基础螺栓松动诊断试验,结果表明,PSO优化多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断方法可在非经验指导下获取最优参数,可从一维原始信号中提取出有效松动特征,具备良好的松动诊断效果。     

PSO优化多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断

为在非经验指导下获取多尺度一维卷积神经网络中卷积核数目和尺度最优参数,实现风机基础螺栓松动智能诊断,提出粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断方法。首先,获取风机一维原始振动信号,划分训练集与验证集;然后,将多尺度一维卷积神经网络中卷积核数目和尺度作为PSO的粒子,以验证精度作为适应度值,根据适应度值更新粒子速度和位置,经训练后获得最优卷积核数目和尺度参数下的多尺度一维卷积神经网络;最后,输入测试样本,得到风机基础螺栓松动诊断结果。在稳定转速和升降速下进行风机基础螺栓松动诊断试验,结果表明,PSO优化多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动诊断方法可在非经验指导下获取最优参数,可从一维原始信号中提取出有效松动特征,具备良好的松动诊断效果。     

计入箱体轴柔性的主减齿轮系统振动特性研究EI北大核心CSCD

主减齿轮系统是汽车变速器的重要传动部件,也是诱发箱体振动噪声的主要原因。为了准确预测内外动态激励下主减齿轮系统的振动特性,采用有限单元离散化建模方法,将箱体轴离散为轴段单元,建立其与输入、输出轴段单元、齿轮啮合单元和轴承单元耦合后的弯-扭-轴-摆全耦合动力学方程。模型综合考虑了箱体轴柔性、大重合度下斜齿轮时变啮合刚度以及静态传递误差激励的影响,并利用数值算法求解了系统的固有特性和振动响应特性。研究结果表明：计入箱体轴柔性后,系统的低阶固有频率略微降低,但增加了新的固有频率与振型;随着转速的增加,系统在主减齿轮啮合频率的1倍频和2倍频处出现了明显的阶次幅值,但其能量较小,当转速达到4 900 r/min时,系统出现明显的共振响应;外界载荷的增大主要在非共振区导致振动幅值的增加;当选取不同的端面重合度与轴向重合度组合时,或在一定范围内增大轴向重合度时,可有效降低斜齿轮时变啮合刚度的波动,改善共振点附近的振动位移幅值。     

热模态试验系统高温振动校准测试装置设计

针对平板式热模态试验系统用激光测振系统原位校准需求,开展试验系统高温环境振动加速度幅值原位校准测试方法研究。基于振动标准法校准技术提供标准振动加速度幅值信号,研建能够将常温下振动信号传递到高温环境的陶瓷传递杆,研制能够有效隔绝高温对标准振动信号影响的隔热装置,组建高温环境加速度幅值原位校准测试装置。通过对陶瓷传递杆的热变形分析,以及陶瓷传递杆传递系数的标定,确保校准测试装置满足校准要求,扩展不确定度优于3%。利用装置对平板式热模态试验系统开展原位校准测试试验,结果表明,该装置可以实现对平板式热模态试验系统高温环境振动加速度幅值测量的量值溯源,保障试验数据的准确可靠。     

基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性

在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。      

输电铁塔双螺母防松螺栓横向振动试验研究

螺栓松动是强风区和舞动区输电铁塔横担损坏的主要原因,通过开展三种型式输电铁塔双螺母螺栓的横向振动试验,获得了双螺母螺栓的预紧力时程曲线,分析了上、下螺母安装扭矩比例对螺栓预紧力衰减特性的影响规律。下螺母与上螺母安装扭矩之比为25%时,普通双螺母螺栓的防松性能最佳。完成了输电铁塔横担在舞动工况下的横向振动试验,确定了铁塔横担螺栓松动顺序和松动位置的分布规律。舞动荷载作用下横担下平面螺栓易发生松动,其中下平面主材与固定端连接螺栓、横担端部挂点处杆件连接螺栓的松脱现象最为严重,建议设计时进一步提高横担下平面主材及斜材连接螺栓的防松性能。     

保持架对低温工况全陶瓷球轴承振动特性的影响

为探究保持架对低温工况下全陶瓷球轴承振动特性的影响,开展氮化硅全陶瓷球轴承低温工况下的理论与试验研究,测试并分析装配有不同材料保持架的全陶瓷球轴承振动信号特征。研究结果表明,保持架的振动特性与其受力状态的贡献特征频率类似,均以保持架特征频率f_c、陶瓷球特征频率f_b的倍频、内圈特征频率f_i的倍频及保持架与内圈耦合的特征频率成分为主;改变轴向载荷及试验温度,装有聚合物基和胶木保持架的全陶瓷球轴承振动速度小于装有碳纤维复合材料保持架的全陶瓷球轴承,但装有碳纤维复合材料保持架的全陶瓷球轴承峭度值小于装有胶木和聚合物基复合材料保持架的全陶瓷球轴承,即在全陶瓷球轴承信号平稳性以及降低故障概率方面,碳纤维复合材料要优于胶木和聚合物基复合材料。研究结果对于低温工况下全陶瓷球轴承保持架的选取具有一定的参考与借鉴价值。     

考虑结合面影响不同螺栓松动状态的机匣模态分析

以航空发动机机匣为研究对象,在接触问题有限元分析的基础上,研究结合面非线性特性对机匣动态性能的影响,分析不同松动状态下机匣模态变化规律。首先进行考虑结合面非线性特性的非线性预应力模态分析,证明结合面非线性特征对机匣各阶固有频率有重要影响;然后采用单变量法研究不同松紧程度对机匣振动特性的影响,发现各阶固有频率随螺栓的预紧力矩增大而增大,趋向刚性时固有频率,且对于螺栓连接处模态振型变化大的阶次,其固有频率变化尤为显著。最后,研究松动螺栓数量和分布位置对机匣振动特性的影响,松动螺栓增多会导致各阶固有频率略微下降,随着松动螺栓分布的集中,机匣固有频率呈下降趋势,松动螺栓位置分布主要是通过改变各螺栓在结合面上的应力区域之间的重叠区域大小来影响机匣振动特性。     

电动车动力电池包螺栓连接振动松动研究

为提高电动汽车动力电池包振动安全性,更好地在开发前期预估和分析电池包结构连接可靠性和完好性,建立考虑螺栓连接因素的电池包振动性能仿真计算模型。并提出以螺杆单元轴向应力功率谱密度均方根作为电池包螺栓连接振动松动评估参数。从电池包随机振动环境下结构强度和螺栓振动松动性能研究获知:螺栓连接结构振动松动风险高于结构强度破坏,工程中不容忽视;并非电池包螺栓预紧力越大,结构性能越佳,需计算分析、合理匹配方可防止螺栓振动松动问题。上述研究对电池包结构设计和安全性评价具有实际意义。     

新型不锈钢可拆卸螺栓连接件疲劳后剩余力学性能研究

为适应装配式组合梁的发展，研发一种新型不锈钢可拆卸螺栓连接件，并对其疲劳荷载作用下的力学性能退化规律开展研究。首先，通过文献和市场调研，充分考虑现有螺栓的优缺点，设计制作一种新型不锈钢可拆卸螺栓连接件用于装配式组合梁；其次，制作6组新型螺栓连接件的推出试件，进行静载和疲劳试验，对比静载与不同疲劳加载次数后试件的破坏形态，重点分析新型螺栓连接件在疲劳加载过程中剩余承载力、残余滑移量、抗剪刚度及延性系数的退化规律；最后，基于疲劳累积损伤理论和材料剩余强度模型，确定新型螺栓连接件在疲劳加载过程中的损伤度，进而建立新型螺栓连接件的剩余承载力计算模型。结果表明：新型螺栓连接件在静力和疲劳作用下呈现不同的变形及断面破坏特征；在疲劳荷载作用下，新型螺栓连接件的各项力学性能均呈现不可逆的退化，在该试验中试件在疲劳加载270万次后剩余承载力退化12.1%,延性系数退化67.6%,抗剪刚度退化12.9%,退化较为明显；建立的新型螺栓连接件剩余承载力计算模型计算结果与试验值吻合良好。     

非对称夹持的裂纹悬臂梁振动响应分析

以悬臂梁为研究对象。基于ANSYS软件建立了带有单边裂纹和非对称夹持的悬臂梁有限元模型,分析了悬臂梁在偏移边界与裂纹耦合作用下的振动响应,揭示了系统振动与悬臂梁边界偏移量和单边裂纹之间的对应关系。研究结果表明:在给定裂纹深度、位置以及偏移边界的前提下,当裂纹位于下方时,随着边界偏移量的增加,振动响应中的二倍频幅值出现先减小后增大的趋势,由于偏移边界会改变梁的刚度,其振动响应结果类似于单边上裂纹,当偏移边界处于特定点时,其导致的类上裂纹效果和下裂纹在结构上达到对称,此时系统二倍频消失,且偏移边界离此特定点越远,系统的非线性越强;当裂纹位于上方时,随着边界偏移量的增加,振动响应中的二倍频幅值出现不断增大的趋势,这也是由于偏移边界导致的类上裂纹效果和上裂纹处于同侧增强了系统非线性造成的。