随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.      

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

基于等效静态载荷法的区间参数结构可靠性拓扑优化

研究了用等效静态载荷法,解决动态响应约束下的区间参数结构可靠性拓扑优化问题。对等效静态载荷赋予了新的含义:由等效静态载荷产生的区间静态响应与由动态载荷产生的区间动态响应,其对应的中值与离差均相等。利用泰勒展开计算出区间参数结构动态响应所有可能值组成的集合,再根据集合映射获得包含结构所有不确定信息的等效静态载荷集合,继而建立静态可靠性拓扑优化数学模型。通过集合映射和区间自然扩展,获得静态位移响应区间。基于区间非概率可靠性指标的定义,给出区间非概率可靠性约束的伴随法灵敏度分析算法。采用移动渐近线法完成此优化问题的求解。数值算例验证了模型的正确性和算法的有效性。     

气动加载与振动激励耦合试验方法研究

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件的振动响应测试为目的,设计符合试验要求的试件和整套试验装置。得到了气囊5种不同加载情况下试件振动响应变化情况,并对此试验结果进行了理论分析,得出以下结论:a)气囊模拟静载/常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性,此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境;b)加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试件结构的振动响应有一定影响,应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。     

不同边界条件下波动方程解的对应关系研究

同一结构在两种不同边界条件下的声振结果存在某种联系,这种联系可用来研究飞行器地面模拟试验环境与空中飞行环境下的状态关系。对此从一般的弹性体波动方程出发,基于载荷等效原则,应用变分原理和偏微分方程理论,对同一结构在不同边界条件下的内在联系进行了研究,证明了这种内在联系的存在性。研究结果表明:响应变化与边界扰动间存在的平方关系;响应变化幅度估计与精确解相比在一个数量级上。     

航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

RESEARCH PROGRESS ON FULL-FREQUENCY PREDICTION TECHNIQUES OF SPACECRAFT＇S MECHANICAL ENVIRONMENT

航天器力学环境预示对于总体设计、结构与机构分系统设计是至关重要的,特别是对于首发型号,往往缺乏相似型号的遥测数据参考,使得有效的预示成为地面试验方案和试验条件确定的主要依据．航天器在发射段需要承受覆盖全频域的动态载荷,不同频段的载荷和结构振动响应特性差异很大,很难用单一的分析方法进行准确预示．本文分别针对航天器发射力学环境的低频、高频、中频3个频段,介绍了国内外航天器全频域力学环境预示的主要方法及其工程应用的研究进展,并提出了我国在该领域亟需解决的关键技术．     

航天器全频域力学环境预示技术研究进展

航天器力学环境预示对于总体设计、结构与机构分系统设计是至关重要的, 特别是对于首发型号, 往往缺乏相似型号的遥测数据参考, 使得有效的预示成为地面试验方案和试验条件确定的主要依据. 航天器在发射段需要承受覆盖全频域的动态载荷, 不同频段的载荷和结构振动响应特性差异很大, 很难用单一的分析方法进行准确预示. 本文分别针对航天器发射力学环境的低频、高频、中频3 个频段, 介绍了国内外航天器全频域力学环境预示的主要方法及其工程应用的研究进展, 并提出了我国在该领域亟需解决的关键技术.      

基于机器学习的动力学环境预测方法

为了研究建立同一结构在两个不同系统中振动响应之间的映射关系模型的基本问题,以两种边界条件组成的两个系统为例,从其动力学方程出发,建立了基于时域、频域描述的映射关系的力学模型.为求解两个系统的映射关系模型,引入以统计学习理论为基础的机器学习方法——支持向量机法,借助于决策函数可以从一种边界条件预测同一结构在另一种边界条件下结构的响应,并通过实验证明了该方法的有效性.     

Evaluation of the fatigue life of a tractor’s transmission spiral bevel gear

Conventional tractor transmission spiral bevel gears are designed and evaluated based on the engine rated load, which is significantly higher than the load conditions in the field. In this study, the fatigue life of a spiral bevel gear is evaluated to obtain data for design optimization. The equivalent load was calculated using the field load data, and the integrated equivalent load was calculated based on the annual usage of major field operations in Korea. The fatigue life of three spiral bevel gear samples was evaluated using the accelerated life test (ALT) under an engine rated load condition of 120%. It was also evaluated under engine rated, plow equivalent, and integrated equivalent load. Fatigue life was estimated using the ALT results and the fatigue damage exponent based on the ALT equation. We observed that the fatigue life of the spiral bevel gear under the plow equivalent and integrated equivalent loads is higher than that under the rated load by 214 and 9,400 times, respectively. The results of this study can provide useful information for the design optimization of tractor transmission spiral bevel gears considering the field equivalent load.     

侵彻过程中弹引螺纹连接结构振动特性研究

针对侵彻过程中的弹引系统,对弹引螺纹连接结构振动特性进行了研究,建立了弹引螺纹连接结构弹性模型。在模型中,充分考虑了螺纹载荷分布不均匀的特性,不但给出了螺纹载荷分布规律,还给出了螺纹连接结构的等效刚度和振动频率;同时,为了验证模型的正确性,对弹引螺纹连接结构的拉伸和冲击过程进行了有限元仿真和试验,分别通过对弹引系统各结构振动特性的计算和对实测过载信号进行时频分析得到了系统的频率特性;将弹引系统的振动频率与实测过载信号的时频分析结果进行了对比。分析计算和试验结果发现:与静载荷时相比,冲击载荷作用下第一扣螺纹承受的载荷更大;螺纹连接结构的刚度明显小于固连结构;增加螺纹材料刚度、增加螺纹旋合长度、减小螺距能够有效增加螺纹连接结构固有频率;在侵彻过载测试信号的时频分析结果中明显存在与螺纹连接结构的振动频率一致的振动信号,并且该频率成分的信号幅值很高,对过载信号影响很大。     

独塔斜拉桥的环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点.本文以吉林市临江门大桥为工程背景,通过动力试验,研究了该桥在天然脉动荷载作用下的固有特性.采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的固有特性.有限元计算结果与动力试验结果比较吻合.结果表明,环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础.     

基于卷积神经网络的涵洞式直立堤波浪透射预测

涵洞式直立堤是一种具有特殊用途的海岸工程结构物,对其透浪特性的研究具有重要工程意义. 然而,目前众多学者对于涵洞式直立堤波浪透射问题的研究主要以理论分析、实验模拟及数值计算为主.随着机器学习技术的发展, 传统水动力学问题迎来了新的求解理念.机器学习算法可根据训练数据集自主学习相应的规律,以数据映射的方式建立水动力学特征预测模型,在实际应用中无需对流体运动控制方程进行求解, 具有较高的计算效率. 因此,本文基于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN),对不同开孔条件下的涵洞式直立堤透浪特征进行预测.首先利用模型试验验证计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模型的有效性,然后基于CFD模型生成相应的训练数据集, 通过训练卷积神经网络模型,建立相应的波浪透射结果之间的数据映射关系,实现在新的工况下对波浪透射系数以及透射波波形等特征的快速预测. 结果表明,经过训练的卷积神经网络可在极短时间内计算得到相应的结果, 并具有较高的准确性.研究成果可为波浪与海岸结构物相互作用的问题提供新的求解理念.      

大推力液体火箭发动机结构中的力学问题

依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态, 阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点. 静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法, 动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况. 针对发动机典型的部件, 梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战, 包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题, 指出了力学需求和未来研究方向. 最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍, 为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.      

润滑条件下钢表面氧化膜结构的SAM研究

作者在球-盘式摩擦磨损试验机上采用阶梯式加载和20~#机油滴注式润滑进行了GCr15钢球对45~#钢盘的摩擦磨损试验。通过摩擦系数的变化记录了在不同滑动速度下摩擦磨损状态发生转化时的临界载荷,从而获得了反映摩擦副摩擦学特性的P-V图,并用扫描俄歇微探针仪(SAM)研究了该摩擦副处于不同状态时表面氧化膜的结构,提出了钢表面氧化膜的结构层次模型,论证了钢的摩擦磨损特性与氧化膜结构之间的关系。     

某结构的多轴随机振动实验研究

通过对某结构开展多轴随机振动试验研究,初步探讨了典型线性结构在多轴随机振动试验中的动力响应特点.首先对多轴振动试验系统、试验条件、控制方式等进行了介绍;然后通过有限元仿真了解结构的自振频率、振型和响应情况;重点对结构的多轴随机振动试验结果进行研究,具体分析了结构各测点加速度响应谱的共振峰特点;最后将多轴试验结果与单轴试验结果进行对比,并理论上解释了多轴随机振动响应不同于单轴振动的原因.研究结果表明:多轴振动试验能同时激发结构在不同方向的模态,使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰,因此对经受多轴振动环境的产品开展多轴振动试验很有必要.     

A new technique for the prediction of buckling loads from nondestructive vibration tests

The paper presents a new technique for the prediction of buckling loads of structural elements with postbuckling unstable characteristics such as cylindrical shells. The technique introduced is based on the cubic parametric curve defined by the Hermite form,¹ which is described in the paper. The technique requires as input the data obtained from vibration tests carried out on structural elements under compressive loading, specifically, the values of the applied load and the square of the measured corresponding natural frequency of vibration. The proposed technique is applied to a simplified cylindrical shell model² and two cylindrical shells.³ A comparison between the predicted and the exact values of the buckling loads is presented for each case discussed in the paper, highlighting the accuracy of the proposed technique.     

单向双筋板结构件共振疲劳试验及分析

航空航天领域广泛存在着振动疲劳问题,严重危及飞行器结构的安全可靠性。本文首先设计了激振器直接作用于试件的力激励振动疲劳试验系统,并提出了跟踪结构共振频率的频带激励共振疲劳寿命测试方法;而后利用试件进行了频带激励下的定应变共振或定载荷共振结构振动疲劳试验;最后针对试验结果分析与讨论了可能影响结构振动疲劳寿命的各种因素。结论表明,试验结构件的边界条件、初始条件以及结构动力学特性等都可能是影响振动疲劳寿命的关键因素。频带激励共振疲劳试验方法为振动疲劳寿命曲线的测试积累了经验。     

基于Lyapunov指数谱的航空发动机故障诊断研究

提出了基于Lyapunov指数谱和Lyapunov指数谱熵的航空发动机状态识别和故障诊断新方法。基于实测的某型航空发动机振动时间序列求解了系统不同工作状态和故障状态的Lya-punov指数谱;基于Lyapunov指数谱,对该型航空发动机进行了状态识别和故障诊断;为给出对Lyapunov指数谱及其对状态识别和故障诊断的整体表述,定义了Lyapunov指数谱熵,并基于该谱熵对该型航空发动机进行了状态识别和故障诊断。研究结果表明该型航空发动机振动时间序列在不同状态下具有不同的Lyapunov指数谱及其谱熵,即可以Lyapunov指数谱及其谱熵作为识别其状态的特征量,为航空发动机的故障诊断和状态监控提供了新的可靠的方法。