桨-轴-艇纵向耦合振动机理研究

桨-轴-艇结构耦合振动是影响潜艇振动和水下声辐射的重要因素。本文建立了桨-轴子系统和桨-轴-艇耦合结构的数学模型,从动力学分析角度推导了耦合结构振动与子结构各振动物理量之间的关系;通过有限元法对理论分析结果进行了验证,并研究了桨-轴-艇耦合结构水下声辐射频谱与子结构典型模态的关系。有限元数值计算结果与理论分析均表明,桨-轴-艇结构耦合振动导致原耦合结构的模态频率发生偏移,从数学的角度揭示了桨-轴-艇产生纵向耦合振动的根本原因,并给出了耦合结构水下声辐射与子结构典型模态之间的对应关系。     

考虑榫接接触刚度的叶轮耦合振动特性计算方法研究

对叶片轮盘典型榫接结构的接触刚度进行了分析,给出了叶轮间接触刚度的计算方法;建立了叶片轮盘榫接耦合计算模型,采用对称循环分析方法对叶轮进行振动特性计算,得到叶轮耦合结构在不同工作转速下的振型及频率;对叶轮耦合结构进行锤击模态试验得到实际频率值。本文计算值与实测值在前3阶的相对误差分别为2.38%、1.58%、3.18%,误差均较小,验证了本文方法的可行性。     

考虑刷丝支承刚度的高速引电器转子动力学特性研究

为研究多通道刷丝–滑环接触副中刷丝支承刚度对系统动力学特性的影响，将刷丝简化为欧拉–伯努利悬臂梁，推导了刷丝支承刚度计算的理论公式。建立了滑环胶合细长轴的高速引电器转子系统有限元模型，考虑多通道刷丝支承刚度影响，开展了转子系统动模态数值仿真分析，得到了系统振型图、坎贝尔图及临界转速偏离裕度。研究结果表明，刷丝支承刚度对引电器转子细长轴结构一阶弯曲模态的影响不可忽略。     

生物芯片压电微流体泵液-固耦合系统模态分析

对压电微流体泵粘性流体周期流动进行厚度积分平均近似,得到包含粘性的,非线性浅水波动方程,并采用有限元法得到微泵液体压强矩阵方程．液体压强矩阵方程和压电硅片振动有限元方程耦合,得到一个包含微泵进出口扩散管的液-固耦合系统振动方程．液-固耦合系统的模态分析结果表明,做泵液-固耦合系统的自然频率比不耦合的硅片振动自然频率低很多．随着微泵厚度的减少,液体附加质量和粘性阻尼对耦合系统自然频率的影响更加明显．同时发现,对应的压电片振型函数在液-固耦合前后没有明显变化,还给出硅片-阶模态的振幅-频率特征曲线,对薄型无阀压电微流体泵,浅水波模型合理地表达了微泵液体流动和压电硅片振动的相互作用,以及液体附加质量和粘性阻尼对微泵液-固耦合系统动力特征的影响。     

模态修型减振的旋翼桨毂谐波振动载荷计算

基于模态修型的方法推导了直升机旋翼桨叶根部剪力的计算公式,通过合成桨叶根部载荷推导了旋翼桨毂的谐波振动载荷公式。将本文建立的桨毂谐波载荷计算模型与商用软件CAMRAD计算出的结果进行对比,结果表明:本文所建立模型的旋翼计算频率与CAMRAD计算的频率相比,基阶频率计算误差在2%以内,前十阶频率误差都在8%以内;与已有文献试验测试的桨毂谐波振动载荷相比最大误差在25%以内。说明了本文建立的旋翼桨毂谐波振动载荷计算模型具有可行性和有效性。     

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.      

索-梁组合结构的建模及面内动力特性分析

利用哈密顿变分原理以及结构动静态构型的影响,建立了索-梁组合结构的约化运动学控制方程。考虑到边界条件和耦合连接条件,我们研究了体系的面内特征值问题。根据求解得到的面内特征值方程,并通过分段函数的引入,结构的模态函数可以被直接确定。随后,我们研究了参数垂跨比f,刚度比和质量比对面内固有频率的影响。研究发现从结构的频率谱图中可以看出频率跳跃现象是存在的,另外,频率穿越现象也是十分明显。随后 ,考虑到局部模态和整体模态,结合之前确定的特征值方程及分段振型函数,我们研究了索-梁组合结构可能的模态形状。最后,我们讨论了索-梁组合结构可能发生的内共振形式,比如面内1:1内共振形式以及1:2内共振形式。研究表明梁的静态构型不仅直接影响到耦合力连接条件,还将影响索-梁组合结构频率的确定。     

具有动边界的刚-柔耦合系统模态实验研究

系缆和系留的刚体构成了刚-柔耦合系统。本文采用非接触式测量方法,对具有动边界的刚-柔耦合系统模态进行了实验研究,分析了刚体质量和动边界对系缆模态的影响规律。结果表明:动边界条件下系缆的振型趋势改变,与固定边界条件相比,系缆的固有频率减小,阻尼比增大;刚体的存在使系缆第一阶固有频率减小、阻尼比增大,第二阶固有频率和阻尼比都增大,振型改变。     

叶片振动影响下双盘转子-轴承系统的稳定性与分岔

研究叶片与转子-轴承系统的耦合非线性振动,建立了一个带叶片的双盘转子-轴承系统的非线性动力学模型,其中包含一个弹性转轴、两个滑动轴承、两个刚性圆盘和两组弹性叶片.为了分析叶片的惯性影响,将其简化为单摆模型.采用4阶Runge-Kutta法进行了数值模拟,并利用分岔图、三维谱图、轴心轨迹和Poincaré映射图等方法分析了系统的非线性动力学特性.研究发现,随着转速的变化,系统响应演化出了倍周期运动、概周期运动、混沌运动和倍周期分岔等典型的非线性动力学行为.在与忽略了叶片振动的转子系统对比后发现,叶片振动使转子发生混沌运动的转速区域增大.在某些参数条件下,采用不同的叶片刚度,叶片振动可能引起转子系统产生混沌运动.     

THE TRANSVERSE NONLINEAR FREE VIBRATION AND THE BUCKLING OF A COMPRESSIVE BAR ON AN ELASTIC FOUNDATION

基于Hamilton 原理,运用假设时间模态法,得到了弹性基础上压杆的横向非线性自由振动与屈曲的位移型常微分控制方程. 考虑一端固定另一端可移简支边界条件,采用打靶法得到了结构第一至第三阶结构频率与一阶屈曲载荷的数值结果. 结果表明：随轴心压力增加,结构频率减小;随弹性基础刚度增加,结构频率与屈曲载荷均增加;弹性基础刚度对结构频率的影响随振型阶数增加在减小;在小振幅的情形下,不同振型对一阶屈曲载荷的影响很小.     

考虑温度效应的索梁面内动力学建模及特性分析

根据增量热场理论,温度变化影响下索梁结构会形成新的热应力平衡状态．因此基于已有的索梁结构非线性动力学模型,结合与斜拉索张拉力和垂度相关的无量纲参数,重新建立考虑温度变化影响下索梁结构面内振动的动力学模型,并推导其面内非线性运动方程．接着开展特征值分析,得到包含温度效应的索梁结构面内振动频率的超越方程及模态振型函数．通过算例研究温度变化对不同刚度比的索梁结构影响,得到其前四阶面内振动的模态频率与温度变化的关系曲线．研究结果表明：面内模态频率受温度变化影响明显,其影响程度与刚度比大小和模态的阶数密切相关,温度变化对低阶模态频率的影响比对高阶模态频率影响更为复杂;升温和降温对索梁结构面内振动特性的影响不对称;此外温度变化会导致频率偏转点的位置发生漂移．     

含旋转运动效应裂纹梁横向振动特性的研究

针对开口裂纹作用下旋转运动欧拉-伯努力梁的振动特性进行了研究。文中使用裂纹梁连续等效刚度模型模拟裂纹效应,将含裂纹旋转运动梁视为弯曲刚度沿梁长度方向连续变化的梁,并应用传递矩阵法推导了求解其振动特性的特征方程。考虑不同裂纹深度和位置、不同旋转速度,分析了梁的一阶和二阶固有频率的变化情况。研究结果表明:旋转运动效应和裂纹效应并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用效应;转速提升使由裂纹导致的频率衰减幅度变小,同时裂纹加深使得由速度升高带来的阶频提升更加显著;相比于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率更加显著。     

双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析

旋转叶片是航空发动机重要零件之一,服役条件十分恶劣,常常因振动过量导致其失效.为了合理设计含冷却通道的叶片,保证其可靠性与安全性,需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究.基于EulerBernoulli梁理论,将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管,考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响,采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程,采用降阶扩维的方法求解系统特征值.研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响.将文章模型退化为简支单通道输流管,与文献报道结果进行对比,部分验证建模方法的正确性.研究发现:在相同的管道截面积下,两通道模型的临界流速值大于单通道模型的;旋转运动引入的陀螺效应会使得第2, 3阶特征根轨迹发生绕圈现象,并多次穿越虚轴;随着长细比的增大,系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为;系统的横向位移模态响应呈现出行波特性,且在不同参数组合下,阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.     

平动弹性梁的刚-柔耦合动力学

本文建立了作大范围平动弹性梁的刚-柔耦合动力学控制方程。分析了大范围平动对弹性梁变形运动动力学性质的影响，发现了大范围平动与变形运动之间的耦合动力学与大范围转动与变形运动之间的耦合动力学存在显著的差异。大范围平动使弹性梁的刚度降低，同时使系统阻尼增加；而大范围转动使弹性梁的刚度增加，同时使系统产生了能量转换的陀螺效应。因此，柔性多体系统刚-柔耦合动力建模中必须包括大范围平动与柔性体变形运动之间的耦合动力学效应。     

基于非约束模态刚柔耦合系统的动力刚化分析

以挠性航天器为研究对象,引入非约束模态概念,建立了含有动力刚化效应的刚柔耦合动力学模型。首先,根据Hamilton变分原理建立挠性航天器动力学模型;然后,根据非约束模态正交性分离振型,得到离散化的非约束模态的动力学模型;最后,对给定激励下动力学方程仿真,并与约束模态情况进行对比。仿真结果表明:非约束模态一次动力学模型的广义刚度随航天器转速提升而增大,且随转速的提升更加明显,出现动力刚化现象,非约束模态零次动力学模型广义刚度随航天器转速的提升出现为负的情况,不存在动力刚化现象;基于非约束模态一次动力学模型挠性附件的响应振幅较约束模态刚柔耦合系统小,且随航天器转速的提升同样不会出现发散情况,适用于航天器在任何转速情况下建模。非约束模态零次动力学模型挠性结构振动振幅随转速的提升出现发散情况,即便非约束模态建模方法优于约束模态,非约束模态零次模型也不适用于航天器高转速情况。     

旋转薄板的一种高次动力学模型与频率转向

对固结于转动刚体上柔性薄板的刚柔耦合动力学和频率转向特性进行了深入研究,建立了系统的高次刚柔耦合动力学模型,该动力学模型计入了由于横向变形而引起的面内纵向缩短项,即非线性耦合变形量,并且完整保留了与非线性耦合变形量相关的所有项. 研究表明,高次耦合模型不仅适用于小变形问题,而且还适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理大变形问题上的不足. 旋转悬臂薄板相邻两阶模态间既有柔和的频率转向现象也有剧烈的频率转向现象. 柔和的频率转向伴随着的振型转换的过程是连续的,而剧烈的频率转向伴随着的振型转换的过程则是不连续的. 相隔多阶模态间存在传递性频率转向,并伴随着振型转移.      

完整航空双联斜齿圆柱齿轮的三维有限元动力分析

本文根据(1)文中提出的方法,在微机上计算了一具有2160个自由度的完整航空双联齿轮的前12阶固有频率及振型。通过采用不同的计算模型,研究了轴、辐板布置及尺寸对该齿轮固育频率及振型的影响。计算结果表明,轴主要影响圆柱齿轮的扭转振动频率,斜辐板布置形式不但增加了齿轮的轴向刚度,而且使整个齿轮的固有频率较同样尺寸下的直辐板齿轮的固有频率大大增加。     

弹簧地基上大直径单桩海上风机的一阶自振频率

自振频率是海上风机前期动力设计的主要难点之一,计算精度要求极高,而桩-土相互作用对自振频率影响显著。目前,针对桩-土相互作用普遍采用弹簧地基简化模型,为对比分析不同弹簧地基简化模型的准确性和精度,本文采用回传射线矩阵法,建立固定端、单弹簧、双弹簧和三弹簧这4种地基简化模型,基于Bernoulli-Euler梁理论和Timoshenko梁理论,求解风机系统的自振频率,并与风机基频实测值作对比,进一步分析三弹簧简化地基模型中地基旋转刚度、地基耦合刚度和地基水平刚度对风机系统基频的影响。研究结果表明,桩-土相互作用不可忽略,三弹簧地基简化模型计算风机系统基频精度最高;地基刚度对风机系统基频的敏感性次序为,地基耦合刚度>地基旋转刚度>地基水平刚度;当地基旋转(水平)刚度较小时,地基耦合刚度与地基旋转(水平)刚度的耦合效应对风机系统的基频影响较大;地基耦合刚度与地基旋转刚度的耦合效应对风机系统基频的影响程度大于地基耦合刚度与地基水平刚度的耦合效应。     

基于简化模型的超高层结构传感器优化布置

对于自由度较多的超高层结构,传感器优化布置时应考虑多阶模态振型.由于存在空间耦合振动,根据振型质量参与系数难以准确选择出结构弱轴方向的高阶振型.基于等效刚度参数识别法,本文提出了一种将有限元模型沿弱轴方向先简化为等效串联多自由度体系,然后根据简化结构的物理参数来计算弱轴方向振型矩阵的方法,有效地解决了这一问题.以某超高层结构为例,根据计算得到的系统振型矩阵,首先由其转置的列主元QR分解得到传感器的初始布置方案,然后以模态置信度(MAC)矩阵的最大非对角元为目标函数,采用逐步累积算法逐步增加可降低此初始布置MAC非对角元的结构自由度,并考虑经济性因素,最终确定出了传感器的布置方案.     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚–液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚–液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚–液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励–幅值响应曲线.结果表明,随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚–液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚–液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.