基于有效接触面的螺栓连接动力学有限元建模及试验验证

考虑了摩擦非线性,以接触面积内节点合力与螺栓预紧载荷相等为依据,通过数值模拟确定了螺栓连接有效接触区域范围,提出了被连接件的有效接触区域固连的动力学建模方法.多种边界条件和连接形式的固有频率试验值和仿真值能够很好吻合,各阶模态频率偏差均在5％以内.进一步分析了不同摩擦系数对模态分析结果的影响,研究结果证明了基于有效接触...     

螺栓连接大变形梁振动特性的实验与数值研究

螺栓连接的柔性梁既有非线性又有几何非线性,本文针对其动力学建模和振动特性开展了实验与数值研究.首先,搭建了含螺栓连接的柔性大变形梁的实验台架,并开展敲击和正弦激振的实验测试.实验结果表明:螺栓连接的柔性梁较(无螺栓连接的)连续梁的模态频率降低,阻尼增加,呈现出随着激励能量增大,模态频率降低的非线性模态特征.其次,为了建...     

半刚性连接钢框架的拟动力实验研究

在钢框架结构的设计中, 通常将梁柱节点处理为完全刚接或理想的铰接.但是在实际框架中, 梁柱节点表现出半刚性.目前的实验研究基本都基于结构和构件的静力分析.本文对半刚性连接钢框架结构进行了拟动力实验研究,得出了在地震波激励作用下,半刚性节点初始刚度对钢框架的楼层刚度、基底剪力、楼层位移和楼层加速度的影响.对实验结果进行对比分析可以看出,在结构侧向位移满足的前提下半刚性连接刚度的减弱会引起结构作用效应的降低.实验总结出的节点半刚性对结构动力性能影响的一些结论,将为高层钢结构设计规范的修改提供实验基础.     

黏弹性复合材料梁动力学实验建模的研究

以ABS树脂为基材, 填充1%~10%的金红石纳米二氧化钛制成纳米复合材料样本系列,搭建了参数激励非线性振动实验系统. 采用实验建模的方法, 基于非线性增量谐波平衡识别理论,建立了黏弹性复合材料屈曲梁的动力学控制方程. 通过数值模拟与实验结果的比较, 验证了理论模型和实验系统在定性定量分析上的一致性, 并且对一类不同配比成分的纳米复合材料也有很好的适用性.      

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

螺栓连接受力口盖区的实验—有限元混合法应力分析

本文以飞机的中外翼壁板上螺栓连接的受力口盖区为研究对象,探讨了将光弹性、电测法与有限元计算三者结合并用的应力分析方法.首先利用光弹性和电测法,研究受力口盖区连接螺栓的传力规律,提出有关的计算公式,然后以此为基础,建立合理的螺栓连接有限元计算模型,进而进行应力分析工作.实践表明,对于诸如此类复杂的工程结构,采用实验与有限元相结合的混合法,能够进一步提高应力分析的效率,获得更多更好的结果.     

参强联合作用非线性结构动力学实验建模

搭建以L 型梁为实验研究对象的参强联合作用多自由度非线性振动实验系统, 将增量谐波平衡非线性识别理论运用到实验建模方法中, 建立了L 型梁的动力学控制方程. 通过对不同激励频率和不同响应情况下的数值模拟与实验数据的比较, 验证了基于增量谐波平衡识别的实验建模方法对多自由度参强联合作用非线性动力学结构的有效性, 以及动力学控制方程的普适性.     

自行车动力学建模及稳定性分析研究综述

自行车发明于两个多世纪前. 这一看似古老的交通工具在为人们提供出行便利的同时,其独特的运动特性及动力学性质 也吸引了来自数学、物理及力学等多个学科相关学者的兴趣. 大体上,自行车可以描述为具有 7 个自由度和 4 个非完整约束的多刚体系统. 但由于前后车轮之间复杂的运动耦合关系,使得自行车的约束方程和动力学模型变得异常复杂, 导致对自行车的稳定性存在一些模糊认识. 本文针对经典的 Carvallo-Whipple 自行车构型,系统回顾了历史上自行车动力学研究中的相关问题,这些问题包括:(1) 自行车在复杂曲面上的几何约束和非完整约束的数学描述;(2) 自行车系统内在的对称性及守恒量; (3) 自行车动力学的各类建模方法; (4) 自行车运动的相对平衡点及稳定性分析,包括水平面上的匀速直线运动及旋转对称曲面上的匀速圆周运动;(5) 影响自行车自稳定性的结构参数等. 本文最后对自行车动力学实验和控制方面的研究工作进行了回顾,并对自行车今后的研究给出了展望.      

不同强度钢材螺栓连接承载性能试验研究

通过两组不同强度等级钢材螺栓连接接头的静力拉伸试验,分析了材料匹配性、螺栓布置方式和间距对混合接头承载性能的影响,并与规范理论值进行了对比,讨论了规范计算公式的适用性。研究表明:螺栓横向布置时,试件承载力随螺栓端距、边距、间距的增大而增大,ANSI规范拟合趋势比较接近,EC3规范偏保守;螺栓纵向布置时,连接的承载力仅随边距的增大线性增大,此时EC3规范拟合效果较好。基于理论分析与试验数据,给出了适用于不同强度钢材混合接头的连接构造建议。高强度钢材能显著增加钢材强度利用率,间接提高孔壁承压强度设计值,混合连接的承载力计算完全沿用普通钢材的设计方法,会导致计算值偏低。     

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

动载荷下螺栓连接的优化设计

把螺栓法兰密封连接结构简化成-质量、弹簧、阻尼系统，其中阻尼包括黏性阻尼和库仑阻尼两个部分。用此模型对法兰在指数衰减脉冲激励下的响应进行了数值仿真，研究了螺栓中预应力、螺栓个数、法兰螺栓间的阻尼对法兰结构响应的影响，螺栓中预应力和螺栓个数对螺栓变形峰值有较大影响，阻尼对螺栓峰值的影响较小。     

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

子母弹动态抛撒动力学建模及仿真

根据弹丸在舱内运动及出舱后弹丸与炮弹之间的运动特点,建立了完整的子母弹抛撒飞行力学模型. 该模型的建立,便于研究活塞式动态抛撒的子母弹的运动特征,以及子弹在舱内和舱外的运动规律. 另外,根据所建立的模型和作战性能指标,可以估算燃烧舱内所需要的火药量和舱内受到的压力,从而选取所需的火药量.     

螺栓连接的梁–弹簧模型及各齿承载分布

螺栓各齿承载分布严重不均,内外螺纹啮合的第一齿承载较大且齿根存在应力集中,易造成螺栓杆横断失效。本文通过对螺栓连接的受力变形分析,建立梁–弹簧模型,推导了理论模型的力学方程组,并基于此模型编程计算,求解得到螺栓连接件在使用过程中各齿承载的分布情况和齿根应力集中系数。最后进行有限元仿真,对比理论模型和有限元的结果,两者误差在工程可接受范围之内。研究表明,螺栓连接的组合梁–弹簧模型是合理有效的。

     

智能柔性悬臂梁的动力学建模研究

对带有压电陶瓷作动器和传感器的平面智能柔性梁进行了有限元动力学建模。采用Euler-Bernoulli梁模型,在考虑平面梁压电效应的基础上,考虑了大变形和非线性变形,进行了有限元离散;基于Lagrange方程建立了带压电元件的智能柔性悬臂梁的电-结构耦合动力学有限元精确模型,并将本文模型和一般不考虑压电元件质量和电势能模型的仿真结果进行了对比,结果表明:两种模型得到的一阶固有频率最大相差31.8%,响应振幅也有较大的差异。因此,在工程动力学建模中,不能忽略压电元件的质量和电势能。本文所建立的电-结构耦合动力学模型能更加精确地反映实际应用中智能柔性悬臂梁的动力学特性。     

输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

转子系统非线性动力学DEM建模研究

将DEM方法引入转子系统非线性动力学的分析计算,对其建模过程和有关本构关系,作了比较详尽的介绍。该模型可用于碰摩、弯曲振动和扭转振动等转子系统的大部分动力学和运动学问题分析计算,不仅适用于单跨转子系统,也适用于多跨转子系统,尤其是在碰摩计算时,可考虑其摩擦特性随时间历程而变的特点,从而使分析计算更加接近实际情况。     

黏弹夹芯板的有限元建模及实验研究

从有限元分析和数值模拟及实验验证的角度研究了黏弹夹芯板的频率依赖振动特性。夹芯板中间层为黏弹性材料,其刚度和阻尼的频率依赖性行为直接影响系统的模态频率和阻尼,并导致振动模式求解的复杂化。采用三阶七参数Biot模型描述黏弹性材料频率相关的黏弹性行为。开发了三层四节点28自由度的夹芯板单元,基于经典板理论和哈密顿原理建立了黏弹夹芯板的有限元动力学方程。通过引入辅助耗散坐标,将Biot模型和黏弹夹芯板的有限元动力学模型结合起来,并将其转化为常规二阶线性系统形式,极大简化了求解非线性振动特性的过程。对一边固定、另三边自由的黏弹夹芯板进行了前三阶固有频率和损耗因子的预测,并与实验结果对比。数值模拟结果和实验结果吻合良好,说明所提有限元方法是正确有效的。