基于局域共振声子晶体结构的低频振动能量回收研究

通过对局域共振型声子晶体的带隙机理及其对能量的局域化作用的分析,提出了一种用于回收环境低频振动能量的新型局域共振结构,并结合有限元方法对此新型结构的振动特性和能量回收能力进行了分析和研究。根据结构的共振模态和“质量-弹簧”系统简化模型,改变结构的材料和几何尺寸可以使结构的前7阶共振频率降到50~250Hz的低频范围。在此基础上发展了一种低频宽带多核结构,在250Hz以下拥有几十甚至更多的共振频率,最低频率低至20Hz,进一步优化了结构的低频宽带共振特性。利用有限元软件对有限结构的频率响应和压电特性进行分析,证实了新型局域共振结构的对环境中低频振动能量的回收能力,并满足了环境振动能量回收的宽带要求。该结构可以应用于各种便携式设备、无线传感器和微机电等自供电系统中,从低频振动环境中的获取能量为自身供电。     

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。     

有初内力的板的内共振

本文利用非线性时空有限方法和样条有限元技术对具有初内力的板的非线性频响特性进行了分析，计算了在不同初始内力下方板的大振幅自由振动、有阻尼强迫振动和矩形板的内共振。     

平台结构在冰激励下的平移和扭转耦合共振

用多尺度方法对冰、桩土与海洋平台系统的偏微分非线性动力学模型（见第１部分）进行了摄动分析，发现此系统存在多种组合共振现象，其固有振动频率与模型平台实测结果相符。在主参数内共振条件下，文章讨论了在不同振在型（自激、锁定、强迫）下它的非线性动力学特性，计算结果说明在某冰速范围内模型平台将产生跳跃性的剧烈振动，这与现场观察到的冰激平台共振的现象一致，本文解释了冰激振动的机理，因此为海洋平台结构系统的非线     

发电机组转子轴系扭振模化系统的三重共振

建立了发电机组转子轴系扭振模化系统的数学模型，此模型具有平方非线性并受简谐激励作用．研究了系统的固有频率存在双重内共振关系ω３≈２ω２，ω２≈２ω１且Ω≈ω２时的三重共振问题．文中应用非线性振动的改进平均法，求得了系统三重共振的一次近似解，对三重共振的定常解进行了理论分析和数值计算，并进行了奇异性分析，文中指出三重共振解具有双饱和特性，对二种主要的理论分析和数值计算结果进行了实验验证，实验结果与理论结果相符．     

双质量非线性共振筛的一种分析方法与实验研究

本文应用非线性振动理论,对振动输送的带料计算提出一种直接的理论分析方法。以双质量非线性共振筛为例,计算了带料时的共振曲线,讨论了物料的质量和冲击力对槽体振动的影响。     

冰激振动中的锁频共振分析

冰激振动(ice-induced vibration, IIV)中的锁频共振严重威胁结构安全, 恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型IIV模型(黄国君和刘鹏飞,2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理论研究.应用该模型预报了发生在一个冰速区间内的锁频共振现象,并研究了结构和冰特性参数:结构阻尼和刚度以及冰的压缩刚度和冰破坏的破坏区长度、韧脆转换速度和随机性对IIV及锁频共振的影响,在此基础上探索了锁频共振机理. 研究表明: 在锁频共振冰速区间内,结构响应和冰力主频都锁定在结构固有频率,然而不同冰速下的频谱结构和振动形态各异,从常规单频共振到多频共振、从等幅振动到振幅周期性变化的拍振动,呈现出丰富的动力学特征;结构和冰特性参数可改变锁频共振冰速区间的长度和位置以及结构振幅,冰破坏的随机性和应变率效应发挥着一种竞争作用;锁频共振来源于冰破坏的应变率效应,其力学机制是频率调制和对结构-冰动能传递的非对称性正反馈效应放大的双重作用,本文分析揭示的这一新的锁频共振机理属于耦合振动,与传统的负阻尼自激振动机制有着本质区别.本文分析结果及对锁频共振机理的认识有助于相关实验研究和冰区结构设计以及IIV减振技术的研发.      

轴向运动复合材料圆柱壳的非线性振动研究

采用Runge–Kutta法和多尺度法对轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的非线性振动特性进行了研究。首先根据层合壳理论建立轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的波动方程,利用Galerkin法对方程进行离散,得到相互耦合模态方程组。然后应用Runge –Kutta法分析了不同参数条件下的幅频特性曲线,得到了系统由于固有频率接近所导致的内共振现象,以及系统呈现软特性等非线性特性。最后采用多尺度法进行了系统1:1内共振时的近似解析分析,对系统在不同参数下的振动研究表明,激振力幅值、阻尼、速度等参数对位移响应幅值、共振区间、模态间的耦合度及系统软特性程度均有影响,其结论与数值计算结果一致,并同时对解的稳定性进行了研究。     

圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙研究

采用多重多级子结构方法计算具有一定刚度的圆管型局域共振声子晶体三维构型振动带隙特性。考察包裹方向对带隙特性的影响,并对第一带隙上下边界点的单胞振动形式进行分析。结果表明,两种包裹形式都可以得到较低较宽的第一带隙,并且带隙特性相似,因而其周期结构都可以大幅减弱带隙范围内弹性波的传播。但两种构型带隙上下边界点对应振动形式不同,此外带隙特性还受单胞尺寸的影响。通过给定评价指标得到相关材料参数与带隙特性关系的相图,由此分析包裹层材料属性对带隙特性的影响。     

高精度惯性测量系统热应力分析与优化设计

针对高精度惯性测量系统内仪表结构正交性误差在使用过程中的不稳定性问题,重点开展了结构热应力分析与优化设计。通过构建系统结构热应力模型,并对关键性参数进行系统实测,得到更为精确的优化模型。用有限元分析软件ANSYS对其进行的仿真表明,计算出的结构变化特性与实测正交性误差变化量一致。对仿真结果的进一步分析表明,结构部件的材料线膨胀系数的差异导致仪表安装基面的热应力变形是影响惯性仪表正交性误差稳定性的主要原因。采用上述方法对某高精度惯性测量系统开展热应力分析与优化设计后,同等环境条件变化情况下,惯性仪表正交性误差变化量减少了一半(由10″减少至4.1″),有效减小了惯性仪表正交性误差受长期使用及环境变化的影响,提高了高精度惯性测量系统的综合性能。     

Design of an exhaust manifold to improve transient performance of a high-speed turbocharged diesel engine

In this paper a study to analyse the influence of exhaust gases thermal energy saving and reduction of pressure pulses interference on engine dynamic performance during the load transient of high speed direct injection turbocharged diesel engines is described. The analysis has been performed thanks to the use of a dual walled air gap exhaust manifold and a 4-2-1 pulse exhaust manifold, which have not only been modeled but also manufactured and tested on an engine test bench able to carry out constant speed load transient tests. Finally, in order to estimate maximum improvement in engine performance, an optimum design of a synthesis exhaust manifold has been proposed and modeled showing that exist a potential not only to improve engine transient performance at low engine speeds but also the gas temperature at the catalyst inlet and the steady effective torque.     

大型引射筒呼吸振动破坏机理的实验和模拟研究

针对某大型引射筒结构,通过有限元模拟分析,找到了对应于纵向裂纹的引射筒花瓣状呼吸振动模态及其频率;应用动应力分析,发现引起该引射筒破坏的频率主要集中在200～300 Hz的低频段.并进行了相关的模态试验,得到了典型的呼吸振动模态及频率,与计算结果进行了对比;结果表明计算与试验符合得很好,验证了数值建模与分析的合理性.     

THERMAL FRACTURE OF FUNCTIONALLY GRADED PLATE WITH PARALLEL SURFACE CRACKS

This work examines the fracture behavior of a functionally graded material （FGM） plate containing parallel surface cracks with alternating lengths subjected to a thermal shock. The thermal stress intensity factors （TSIFs） at the tips of long and short cracks are calculated using a singular integral equation technique. The critical thermal shock △Tc that causes crack initiation is calculated using a stress intensity factor criterion. Numerical examples of TSIFs and △Tc for an Al2O3/Si3N4 FGM plate are presented to illustrate the effects of thermal property gradation, crack spacing and crack length ratio on the TSIFs and △Tc. It is found that for a given crack length ratio, the TSIFs at the tips of both long and short cracks can be reduced significantly and △Tc can be enhanced by introducing appropriate material gradation. The TSIFs also decrease dramatically with a decrease in crack spacing. The TSIF at the tips of short cracks may be higher than that for the long cracks under certain crack geometry conditions. Hence, the short cracks instead of long cracks may first start to grow under the thermal shock loading.     

柴油机气缸盖多场耦合三维有限元分析

气缸盖是柴油机重要的零部件之一,在工作过程中承受着高温与交变的机械载荷,其强度是设计人员非常关心的问题。本文利用有限元分析软件MSC．MARC,对某柴油机气缸盖进行三维非线性有限元分析,在考虑各组件接触关系的基础上,计算了气缸盖在螺钉的预紧力、热载荷、爆发压力多场耦合作用下的应力场和位移场分布情况,为改进设计提供参考。     

湿热环境对挖补修理后复合材料层合板振动特性的影响

通过对湿热环境下阶梯挖补胶接修理后碳纤维/双马树脂(T300/QY8911)层合板振动特性的分析,探究了挖补修理后碳纤维/双马树脂层合板在不同湿热效应下的振动特性。基于Mindlin-Reissner板理论与最小势能变分原理,在考虑湿热效应前提下,推导了正交各向异性复合材料层合板的本构关系及四边简支条件下的自由振动控制方程;其次,利用ABAQUS软件建立了三维黏弹性有限元挖补修理模型,应用Fortran语言将湿热耦合下的应力-应变本构关系编入UMAT二次开发文件中,采用三维八节点五自由度等参单元进行了离散。通过与参考文献对照,验证了胶接修理后T300/QY8911层合板有限元模型和编译的湿热环境下UMAT子程序的合理性与有效性。算例结果表明:湿热环境对挖补修理后层合板固有频率的影响比对完整层合板严重;温度对材料性能的影响大于湿度;相比于材料性能变化对振动特性的影响,湿热残余应力对胶接修理后层合板振动特性的影响占主导;参考环境下,胶接修理后层合板的固有频率增大;湿应力对层合板固有频率的影响大于热应力。     

混凝土薄壁箱梁温度效应的变分解

在迄今所修建的混凝土箱梁桥中,不论是其施工阶段或运营阶段,箱梁上均存在较为普遍的开裂现象,造成这一现象的原因之一可能是现有箱梁温度应力的计算方法一般沿用的是工字型截面梁的计算方法,即没有考虑箱梁顶板的横向变形所导致的影响。本文基于"等效荷载法"采用能量变分法原理对等截面矩形箱梁的温度应力进行了详细的分析和理论推导,并编制了相关计算程序,其算例分析结果与ANSYS计算结果吻合较好,表明了本文方法的正确性。同时分析结果表明,箱梁在梯度温度作用下,按常规方法计算出的纵向拉应力要小于采用本文方法的计算结果,两者相差最大可达28.2%,且在顶板下缘其横向拉应力与纵向拉应力相当,因此在设计中不考虑其横向效应是偏于不安全的,应予以充分重视。     

An analysis and calculation on unsteady flow in exhaust system of diesel engine

In this paper, the unsteady and non-homoentropic flow in exhaust system of diesel engine is analysed and calculated by means of characteristic method. This paper makes proper treatment in calculation, particularly in calculation of boundary conditions, then the calculation program obtained is rather common and the convergence of calculation is faster too. Finally, in this paper, we take exhaust system of 6135 turbocharged diesel engine for an example and make numerical calculation for it, The results obtained are quite satisfactory.     

Investigation of the effect of different carbon film thickness on the exhaust valve

Valves working under different loads and temperatures are the mostly forced engine elements. In an internal combustion engine, pressures and temperatures affecting on the valves vary with fuel type and the combustion characteristics of the fuel. Consequently, valves are exposed to different dynamic and thermal stress. In this study, stress distributions and temperature profiles on exhaust valve are obtained depending on different carbon film thickness. It is concluded that heat losses and valve temperatures decrease and valve surfaces are exposed to less thermal shocks with increasing carbon film thickness.     

混合边界多裂隙体在简谐变温场作用下的断裂问题（张开型）

给出了无限平面作用有简谐变化的点热源时的位移场、应力场基本解、用间接法构造出混合边值多裂隙体在简谐变温场作用下的热断裂问题的边界积分方程,并离散求解.数值结果表明,该方法求解多裂隙体的简谐热断裂问题精度好,计算工作量少.文中计算了含边界裂缝的平板、含三条平行裂缝的平板在简谐变温场作用下缝端应力强度因子的变化过程,并与实验结果进行了比较,两者吻合良好.     

Three-dimensional approach to exhaust gas energy analysis

Presented work is based on an extensive CFD simulation of the exhaust stroke of a single-cylinder four-stroke internal combustion engine with the exhaust manifold attached. Since the dynamics of the exhaust flow are extremely 3D, an innovative approach to calculate the local entropy generation is developed and implemented in the discussed 3D numerical model. It allows temporal and spatial determination of critical regions and periods of entropy generation in the process with objective to reduce it.