蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.      

航天支架结构的被动振动控制

重点研究了航天支架结构的被动振动控制问题。在约束阻尼层有限元模型理论分析的基础上，对未附加约束阻尼层的支架计算模态和试验模态进行了相关性分析，制定出被动振动控制策略；通过分析附加约束阻层后支架计算模态和试验模态相关性，建立了有效的支架有限元模型，进一步用于各种情况的动态响应计算和分析。计算了实验结果表明，该控制策略取得了很好的减振效果，为同类结构振动控制问题提供了一个良好的模型参考。     

蜂窝锥壳卫星适配器约束阻尼层振动抑制分析

主要研究在蜂窝锥壳卫星适配器上附加约束阻尼来抑制锥壳传递振动。尽管约束阻尼方面的研究很多，但是大多数都是针对简单的梁或者板结构，而对复杂蜂窝锥壳结构的振动抑制问题研究还很少；为此，通过对蜂窝壳的等效化处理和约束阻尼结构的有限元建模理论分析，建立起卫星一适配器结构在有无附加约束阻尼情况下的有限元模型，进一步通过模态分析和频响分析，得到不同约束阻尼层设计参数对结构振动抑制影响规律。分析结果对于经济有效的设计约束阻尼层和结构减振减重具有较好的参考价值。     

智能板模态传感与控制的数值分析

智能结构技术对空间大型柔性结构 振动控制问题具有重要意义,采用独立模态空间控制技术对压电智能板进行主动振动控制是一种常用方法,以前对这一问题的研究仅限于解析的方法,本文采用有限单元法,设计了新的压电模态传感器与致动器,该方法能够适用于形状及边界条件较为复杂的智能板,算例分析证明了该方法的正确性。     

可控约束阻尼层板的控制实验研究

对具有可控约束阻尼层的板进行了振动控制实验研究． 以压电片作为作动器,根据测量的结构振动信号,反馈控制约束层的变形,抑制板的振动． 对试验件进行了试验模态分析,讨论了压电片的附加位置;采用比例反馈对试验件进行了控制试验;试验给出了控制效果和压电片面积的关系． 研究结果证明,这种利用粘弹性阻尼抑制结构的高频振动,利用压电材料的逆压电效应控制结构的低频振动的主被动杂交控制方式对薄壁结构的振动抑制效果显著,控制频率范围宽,可靠性高．     

压电复合材料层合板自适应结构的振动控制

本文针对板壳型自适应结构,研究了压电材料作为作动器的自适应结构的振动控制。利用四节点压电复合材料层合板单元进行自适应结构的有限元动力分析;采用模态控制方法,将结构的各阶模态的阻尼比作为控制目标,并以此计算出各压电片的控制电压,达到控制结构振动的目的。算例给出了数值计算的结果。     

含压电材料智能结构动态特性的研究

本文推导了含压电材料智能结构有限元动力方程,讨论了智能结构系统的动态特性,得到了模态形状和相应的模态电压以及考察了具有分布的压电传感器和执行器的四边简支方板的各阶固有频率随以馈增益的变化规律,这些结果将在智能结构控制的优化设计中起到了很大的作用。     

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.     

压电智能结构模糊自学习控制(FSLC)

将模糊逻辑与学习控制的基本思想相结合,根据控制系统的动态输出特性,采用模糊控制对学习控制律中的参数进行实时校正,实现系统的动态学习过程,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的模糊自学控制方法FSLC（FuzzySelf-LearningContr01）。分别采用三维8节点实体单元（Solid45）和耦合单元模拟主结构和压电致动器／传感器,基于ANSYS参数化语言编写了压电智能结构振动控制分析的有限元程序。通过数值仿真证明了模糊自学习控制方法能有效控制压电结构的振动,并提高了自学习控制的收敛速度和获得了很好的控制效果。     

激光陀螺抖动系统振动特性的有限元分析

建立了激光陀螺抖动系统的三维有限元模型,对其振动特性进行了模态分析,并对该系统进行了模态实验测量,最后将模态分析的结果和实验测量结果进行了对比。对比结果表明,所建立的有限元模型合理,分析结果可靠,对该系统的改进设计具有重要意义。     

Nonlinear Random Response of Cylindrical Panels to Acoustic Excitations Using Finite Element Modal Method

This paper investigates large amplitude multi-mode free vibration andrandom response of thin cylindrical panels of rectangular planform usinga finite element modal formulation. A thin laminated composite doublycurved element is developed. The system equation in structural nodal DOFis transformed into the modal coordinates by the using the modes of theunderlying linear system. The nonlinear stiffness matrices are alsotransformed into nonlinear modal stiffness matrices. Numericalintegration is employed to determine free vibration and random response.Single-mode free vibration results are compared with existing classicalanalytical solutions to validate the nonlinear modal formulation.Nonlinear random analysis results for cylindrical panels have shown thatthe root mean square of panel deflections could be larger than thoseobtained using the linear structure theory. Time histories, probabilitydistribution functions, power spectral densities, and phase plane plotsare also presented.     

分布振子复合板的模态阻尼及多点激励下阻尼减振相关性

分布阻尼振子可拓宽结构减振频带,因此可将振子分布于板中以形成复合板（简称“分布振子复合板”）,进而实现较宽的减振频带．对于多点支撑处受到宽频非一致激励（例如在不同激励点处的激励频率、幅值与相位有差异）的分布振子复合板,目前还缺乏有效简便的优化控制指标．在作者之前的研究中,针对含分布振子的梁推导了基于模态应变能的模态阻尼计算理论,讨论了模态阻尼与单点激励下梁的减振效果的相关性,并应用于宽频减振设计优化．本文进一步将模态阻尼计算理论推广到分布振子复合板,并将研究从梁的单点激励扩展到板的多点非一致激励下的阻尼减振相关性．首先,在利用模态应变能法推导得到分布振子复合板的模态阻尼计算公式后,从理论上讨论了不同边界条件与模态阶次对计算结果的影响,以及计算理论的适用性．而后,进一步通过有限元参数分析了边界条件、频率比、模态阶次与质量比的影响．最后,通过算例分析了无振子板或分布振子复合板在四个激励点具有多种幅值与相位组合情况下的稳态响应．结果表明,推导的模态阻尼计算公式可正确预测不同边界条件下的模态阻尼,且理论预测的模态阻尼与基板的稳态平均加速度减小率、稳态峰值应变能减小率均有较高的相关性．     

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。     

Determination of sensor positions for predictive maintenance of revolving machines

The monitoring by measurement and analysis of vibration is largely used to detect the defects in revolving machines. The determination of the best sensor positions is one of the main research goals in the field of predictive maintenance. This paper proposes a numerical methodology based on a finite element model and a spectral analysis in order to find optimum sensor positions. The bearing is a key component for the vibration propagation from the moving parts to static ones. An analytical bearing model and its numerical implementation in a finite element code are presented. The tangent stiffness matrix of the bearing element is obtained by the Newton–Raphson method and then used for the modal and spectral analyses. Several techniques are used to find the most sensitive zones to common defects. The proposed numerical approach correlate well with the experimental results. The numerical modeling of a grinder shows the interests in industrial applications.     

Design of a tuned vibration absorber for a slender hollow cylindrical structure

Abstract

In this paper, details of the design work for a tuned vibration absorber to be used on a hollow cylindrical structure is presented. The vibration problem is of resonant type and the tuned vibration absorber is designed to suppress the displacement vibration response of the free end of the slender hollow structure dominated by the contribution of its lowest transverse vibration modes. The structure is modeled using a commercial finite element software. Finite element model of the structure is verified using experimentally obtained frequency response functions and modal parameters. Effective parameters of the tuned vibration absorber design are then determined based on finite element analysis simulations of the vibration suppression performance of the tuned vibration absorber as it is used on the structure. Details of the tuned vibration absorber design are determined and a prototype is fabricated. Prototype tuned vibration absorber is then characterized experimentally both as a standalone system and also as it is used on the main structure. Vibration reduction performance of the physical prototype of the tuned vibration absorber is also compared with its vibration reduction performance estimated from finite element analysis simulations so that the analysis based design process can be validated.

Communicated by Dumitru Caruntu.