超空泡水下航行体振动特性分析

用有限元方法分析了超空泡水下航行体的固有特性,计算了自由边界条件下超空泡航行体的振动特性,求出了固有频率和模态,并选取对其结构性能有重要影响的四类模态,即梁弯曲模态、呼吸模态、径向模态和轴向弯曲模态绘制了三维模态图.研究表明,超空泡水下航行体无阻尼自由振动的首阶模态为梁弯曲模态;呼吸模态发生的初始频率较高;径向模态发生的初始频率较低;轴向弯曲模态发生的频率比较集中,变形较为复杂.所得结果为今后开展进一步的超空泡航行体结构动力学研究提供了模型基础.     

圆筒直线感应电机电磁振动响应特性分析

针对某电磁发射用圆筒直线感应电机的电磁振动响应特性问题进行了分析。首先，建立了直线电机二维电磁场分层子域模型，通过涡流场有限元仿真验证了模型的精确性，并基于麦克斯韦张量法和洛伦兹力法推导了电磁激振力表达式，利用二维傅里叶分解得到定子电磁力时空分布特性；然后，基于有限元法构建了发射电机定子三维动力学模型，模态计算结果与试验吻合良好，采用有限元法进行电磁振动谐响应计算，结果有效性通过稳态动子堵驻通电试验得到了验证，证明了发射电机定子结构可以简化为理想薄壁圆柱壳，电磁振动响应主要由轴向呼吸模态决定；最后，基于简化模型对比分析了电磁振动响应影响因素，结果表明：电磁激振力径向分量和轴向分量均为结构响应的主要贡献源，而与电磁力波轴向模数呈负相关规律。     

圆柱壳在轴向压力作用下的稳定性和振动特性

利用Hamilton原理得出轴向压力作用下圆柱壳位移增量的动力学方程,推导了方程的解析解。通过数值计算,分析了轴向压力作用下圆柱壳的临界屈曲压力随壳体长度变化的曲线,讨论了壳体几何参数(L,h)变化和轴向力幅值变化对振动频率影响的变化曲线。数值计算结果表明,圆柱壳的临界屈曲压力与失稳模态紧密相关;圆柱壳的自振频率随壳体的长度增加而下降,随壳体的厚度增加而提高;圆柱壳的自振频率和最低频率随轴向压力的增大而下降。     

螺旋桨激励水下艇体振动的试验及数值研究

为考虑螺旋桨真实激励特性,在循环水槽中开展艇尾伴流场中螺旋桨诱导艇尾脉动压力及螺旋桨激励水下艇体振动响应的测量试验。试验结果表明:脉动压力幅值在叶频处最大,且随螺旋桨负载增加而增大,随与螺旋桨之间距离的增大而减小,四叶桨脉动压力在尾翼后的高伴流区幅值较大,五叶桨则在尾翼之间的低伴流区幅值较大；大部分测点的振动响应幅值随螺旋桨负载增加而增大,但也存在叶频处幅值较小和未随负载增加而增大的情况；五叶桨激励引起的侧向振动较四叶桨有所增强而轴向振动有所减弱；特定谱峰频率处振动响应幅值呈一阶弯曲振型,其频率范围与有限元计算结果较为一致。综合采用计算流体动力学、有限元和模态叠加法建立螺旋桨激励水下艇体振动响应的数值计算方法,通过计算与试验结果的对比发现,该方法的计算结果与试验结果吻合较好,相比于采用单位简谐激励的谐响应分析方法更加接近真实情况。     

超空泡航行体有限元动力学建模

为对超空泡航行体结构进行优化设计和安全评估,将其简化为两端自由的梁,在空泡形态和受力确定的基础上,利用哈密顿原理,推导出了运动和变形耦合动力学方程组,建立了有限元模型。利用模态法和纽马克法对横向振动方程进行了求解,并对耦合、无耦合的方程进行了定性定量的比较分析。结果表明:耦合转动角速度增加了高频的波动;由于航行体自身刚度和固有频率较大,转动对它们的响应影响较小。     

弹性支持的无限铁木辛柯梁对移动振动质量的响应

针对具有弹性基础的无限梁在移动的振动质量激励下的响应问题,采用考虑剪切变形和转动惯量的铁木辛柯梁理论建立梁的微分方程,并利用双重傅立叶变换求解,得到梁的运动方程。最后,通过一个数值计算的实例,分析了振动质量以及其移动的速度对梁的响应的影响。结果表明,振动质量本身对梁的响应的影响不可忽视。     

圆柱壳振动声辐射Jacobi-Ritz时域半解析法及特性分析

针对圆柱壳结构瞬态声振特性分析研究不足,结合Newmark-β积分法和Kirchhoff时域边界积分方程,提出一种圆柱壳受迫振动声辐射Jacobi-Ritz时域半解析法。基于一阶剪切变形理论和微元法思想,建立了圆柱壳振动声辐射分析模型,采取Jacobi多项式和Fourier级数表示轴向和周向位移容许函数,基于Rayleigh-Ritz法和Newmark-β积分法计算圆柱壳的受迫振动时域响应,在此基础上,基于Kirchhoff积分方程求解辐射噪声时域响应,分析圆柱壳受迫振动声辐射特性。与有限元方法/边界元方法数值结果对比表明,该方法具备收敛性好、精度高等优点,圆柱壳结构声振响应峰值随边界条件的刚度变弱存在左移现象,振动声辐射响应随厚度的增加呈现下降趋势;当随机载荷峰值频率与结构固有频率接近时,结构声振响应出现强特征线谱。     

液体推进剂消耗对大型卫星结构动特性的影响分析

为了研究液体推进剂消耗对某大型卫星结构动特性的影响,采用简化的“弹簧-质量”模型分析了推进剂消耗对结构动特性的影响趋势;基于MSC.PATRAN/NASTRAN给出了动力学分析过程中液体推进剂的等效建模和分析方法,包括梁单元法、附加质量法、“RBE3 -质量点”单元法和虚拟质量法等;建立了该卫星结构的有限元模型,进行了结构动力学特性和动响应分析,讨论了液体推进剂消耗对其动特性的影响规律.研究结果表明:随着推进剂的消耗,卫星整体振型的固有频率逐渐增大,而部分局部振型的固有频率保持不变;随着推进剂的消耗,卫星仪器安装板动力学响应峰值逐渐增大,所对应的频率也逐渐增大.     

弹性支承梁固有频率影响因素研究

通过将折叠舵简化为梁模型来研究一种典型结构折叠舵频率的影响因素。对于梁内出现的弹性支承情形,采用了以分段表示的运动微分方程、简支和自由边界条件以及弹性支承处连续性条件来描述。根据梁的振动的基本方程,推导出弹性支承弯曲振动梁的频率方程的解析表达式,并利用数值方法计算出在不同条件下弯曲振动梁的频率,研究弹簧刚度,有效比刚度,以及支承点位置对固有频率的影响。     

弹架间隙对机载外挂振动响应的影响研究

针对挂飞情况下,弹架间隙导致的机载外挂系统振动非线性问题,建立了含间隙外挂系统动力学模型。针对简化弹架系统模型,采用有限元方法,取多组弹架间隙值,对外挂振动响应进行了计算。分析了现行外挂在工作频段内,间隙对其振动响应影响的趋势。结果表明:低频段振动响应峰值频率成分复杂,且响应随间隙变大有先减小后变大的趋势;各间隙条件下,中频段响应峰值差距不大;高频段响应随间隙变大而减小。     

磁场环境下黏弹性基体中非局部纳米梁动力学特性分析

根据非局部Euler梁理论建立了外部磁场影响下的黏弹性基体上纳米梁的动力学问题分析模型。通过引入Kelvin黏弹性地基模型和洛伦兹力,得到了纳米梁的振动控制方程。基于Kelvin-Voigt黏弹性模型,给出了黏弹性基体上纳米梁在磁场影响下的固有频率解析解,并就多种典型情况进行了分析。在一般情况下,利用传递函数方法对振动控制方程进行求解,得到了纳米梁固有频率及相应振型的封闭解。以某单壁碳纳米管为例,计算得到了多种边界条件下纳米梁的前三阶固有频率,并详细分析了非局部参数、磁场强度、长细比、阻尼系数及边界条件等因素对纳米梁振动特性的影响情况。结果表明,文中所建的动力学分析模型对研究磁场作用下纳米梁在黏弹性基体上的动力学特性问题准确有效。     

水下垂直发射的适配器建模及对内弹道的影响

弹筒间适配器的力学性能直接影响导弹水下垂直发射的动力学特性,是内弹道控制的关键因素。目前,多数研究都简化了适配器受力变形特征的表达,不能体现适配器的非线性力学特性,因此建立的理论模型已具有一定的误差。考虑了实际适配器材料的超弹性和应力-应变滞回特性,建立了一种新的弹筒间适配器动力学模型。结果表明,该模型能够更为准确地描述实际适配器在导弹发射过程中的减振能力,并反映出通过优化适配器的结构能够解决为减小系统振动幅度提高自身刚度带来振动频率增加的问题。     

液体火箭发动机涡轮叶片结构特性的有限元分析

为了提高液体火箭发动机的可靠性、可用性以及可维护性而进行的发动机寿命预估与减损控制研究,需要对发动机的零(部)件进行结构特性分析。通过建立某型液体火箭发动机涡轮转子叶片的有限元分析模型,分别进行无阻尼自由振动下的模态分析、无阻尼强迫振动下的谐波响应分析与有阻尼强迫振动下的瞬态响应等结构动特性分析,得到涡轮转子叶片的固有频率及与之对应的振型、谐波响应与瞬态响应。     

卫星整流罩结构动力特性与分离运动分析

针对复合材料蜂窝夹芯板壳组成的卫星整流罩,用有限元法建立了该罩的结构动力学数值模型,编制了相应的有限元分析软件包,计算了全罩、半罩在不同边界条件下的自由振动频率和模态,并分析了抛罩时半罩的分离轨迹和气动力作用下爆炸螺栓的承载情况。     

非线性支撑下悬臂输流管道的Hopf分叉特性

研究了外激励作用下非线性支撑悬臂输流管道系统的Hopf分叉特性,建立了外激励作用下非线性支撑悬臂输流管道系统的动力学方程,并采用Galerkin方法离散动力学方程,由增量谐波平衡(IHB)法推导了方程的近似解析解,由Floquet理论判定了解的稳定性,同时给出了系统的Hopf分叉点。利用数值算法和IHB法研究了支撑位置、支撑结构刚度和阻尼对系统Hopf分叉特性的影响规律。研究表明:系统的幅频特性在Hopf分叉前后发生了改变,响应频率由外激励频率变为系统的自激振动频率,且系统Hopf分叉后,幅值显著增大。该研究结果可为悬臂管道的振动控制提供理论基础。     

气动弹性影响下高超声速飞行器动力学建模与分析

高超声速飞行器通常采用轻质材料和细长升力体设计,导致受控刚体运动频率与结构振动频率趋于接近,给飞行器制导控制系统设计带来了巨大挑战。基于假设模态下建立了考虑变截面效应的高超声速飞行器自由梁结构动力学模型,对比了横截面梁和变截面梁模态振型和频率;考虑变截面效应后,振型变化较大,同时二、三阶模态频率均变小。给出了耦合气动弹性和飞行动力学的高超声速飞行器运动方程。在典型工况下,对比分析了刚体、常截面梁和变截面梁高超声速飞行器的平衡和动态特征,结果说明:变截面梁在平衡状态下附加攻角更大,系统在平衡点处开环不稳定性更大,同时非最小相位行为基本不变。     

脉冲激励下船舶结构谐振响应预报及其模态阻尼参数识别

从模态识别基本原理出发,对脉冲激励下的时-频域响应、谐振激励下的时域响应的表达式进行推导,找到了其时-频域下的幅值关系,认为一定条件下谐振响应中伴随自由振动成分短时间内难以衰减,指出谐振激励力幅值与脉冲力幅值相等时,脉冲响应频谱对应频率下的幅频与谐振下的强迫振动幅值相等。在建立响应等价关系的基础上,推导了仅通过脉冲响应频谱上有限个谱线信息所确定的某阶模态阻尼比的计算公式。利用船体梁模型验证了响应预报及阻尼比估算的准确性。完成了2块不同材料典型船体板单元模型的前8阶模态阻尼比测试,通过数值计算结合试验响应频谱验证了方法的快速性、可靠性。     

电磁轨道发射中内弹道动力响应特性分析

将轨道简化为移动载荷作用下固定在弹性支撑上的Bernoulli-Euler梁，通过静态电磁-结构耦合有限元模型求得外围封装的等效刚度，计算得到发射器的临界速度。另外，利用混合有限元/边界元法建立电磁-结构-运动多物理场耦合的动力学模型，求得枢轨动态接触压力和轨道的应力应变分布特性。通过在轨道背面布置光纤光栅应变传感器，利用测量数据验证了动力响应特性，并分析了弹丸在内弹道的稳定性。针对典型30 mm × 30 mm矩形口径发射器，分析及试验结果表明：C型电枢对轨道的电磁挤压力在平顶沿起始时刻达到最大值，之后随着时间推移逐渐减小；电枢通过引起的应力波在高速段容易与轨道中反射应力波发生共振，并且轨道在电枢运动的中间高速段区域受力最为集中，应力集中水平约是起始低速段区域的2.44倍；电枢运动高速段会出现晃动现象，进而引起上下轨道受力的不对称性。分析及试验结果对研究电磁轨道发射器内弹道动力响应特性和发射器结构设计具有重要指导意义。     

不规则波下起重船吊索动张力特性分析

为了提高海上过驳作业的安全性,分析起重船和吊物的运动对吊索动张力的影响,首先用三自由度的锥摆模型描述吊物的运动,并根据拉格朗日方程建立了吊物系统的动力学方程以及吊索动张力计算公式;然后,依据Pierson-Moskowitz谱表示不规则波面升高,得到不规则波波面升高时间历程作为船体运动的外激励,计算了时域内船体六自由度的运动响应;随后,将船体六自由度运动响应作为激励计算吊物的运动响应以及吊索的动张力;最后,以一条起吊重量为1 300t的起重船为例进行数值仿真,分析了三种工况条件下吊物的运动响应和吊索的动张力,包括时域分析和谱分析。分析结果表明:波高对吊索动张力的影响较大,当波高达到1m时,斜浪下(45°)吊索动张力是波高0.1m时吊索动张力的14倍;在共振区域吊索动张力急剧增加,在波高为1m时,斜浪下(45°)共振区间的吊索动张力是非共振区间吊索动张力的近33倍;匀速起吊或下降吊物,并不会额外增加吊索动张力;在非共振区吊索动张力响应的频率范围跨度较大,而在共振区,响应频率范围相对较小,能量更加集中,峰值特性明显。     

确定Kelvin模型粘弹性材料参数的一种实验方法

从Kelvin模型和Euler-bernoulli梁理论出发,利用弹性-粘弹性相应原理和弹性材料动力学理论得出粘弹性梁的动力学方程。利用中心差分法分析了粘弹性材料悬臂梁的动态函数。根据振动特性,将材料参数与梁应变响应周期及振幅衰减相联系;利用这种联系,提出了测定Kelvin模型粘弹性材料参数的一种简单实验方法;分别取不同长度的橡胶悬臂梁进行了相应的实验,测出了材料的剪切模量和粘性系数;分析实验结果,得出一些有益的结论。