截锥型薄壁结构声振耦合动力特性分析

采用大型通用软件ANSYS,建立截锥型薄壁结构的实体有限元动力学模型,通过与相关实验数据的对比验证了模型合理性。据此,利用无限元模拟自由声场边界,建立声场-截锥型薄壁结构的直接耦合有限元动力学模型。通过数值仿真分析研究了声场中截锥壳结构的振动特性,并讨论了声振动对结构动力特性的影响。研究结果表明:数值仿真结果和截锥壳声振实验数据比较一致。在考虑声场影响后发现:结构位移共振频率值大多有所降低,结构位移共振频率数量显著增多;在低频下,结构位移响应峰值在声场的影响下明显增大;在高频下则明显减小。     

特征值摄动法在利用动响应结构小损伤检测中的应用

目前在使用遗传算法或神经网络方法进行结构动力学损伤检测,需要基于少量的在线测量损伤结构数据和大量的数值仿真数据来实现,其中通过有限元方法来获得仿真数据的巨大计算量是动力学结构损伤检测方法发展中所面临的一个重要问题。本文在建模方面应用近年来提出的调整单元刚度模拟损伤的先进方法,以保证在损伤前后结构自由度数目不变;在此基础上应用特征值摄动法来减少损伤检测中计算量,并通过对复合材料层合板响应信号的小波分析验证了使用一阶矩阵摄动在有效降低计算量的同时,可以获得对损伤检测而言足够准确的响应信号。     

三维横向流体诱发直管振动的数值研究

基于计算流体力学和计算结构动力学,并考虑流体-结构两个物理场之间的相互作用,利用有限体积法及LES方法离散非稳态、粘性、不可压缩湍流流场;采用有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下传热管流致振动计算的三维仿真模型。首先,基于建立的模型得到了横流作用下传热管的振动响应,并通过与已有的文献数据进行比较发现,两者趋势一致、数值上吻合较好,证明了本文模型的合理性;其次,在较宽的折减速度和频率比范围内,研究了直管的响应、流体力系数、涡脱落频率,并通过管表面压力分布、尾流区的时均速度等分析了时均流场特性;第三,研究了两种折减速度的归一化方法,指出对于三维弹性管的流体诱发振动问题,采用通用的折合速度来表示响应图能清晰地表征其响应特征;最后,比较分析了弹性支撑刚性管与弹性管的流体诱发振动特性。结果表明,对于三维弹性管的流体诱发振动计算应考虑结构的弹性变形与流体流动间的相互作用。     

单轨火箭橇靴-轨冲击响应传递特性研究

单轨火箭橇靴-轨的冲击响应是影响其运动过程中系统稳定性的主要问题。本文以单轨火箭橇为研究对象,采用有限元结构动力学仿真分析方法建立了非线性火箭橇-轨道耦合动力学模型;对比分析了理想平直轨和不平顺轨两种轨道模型条件下滑靴、卡环、发动机的振动量变化,并进行了火箭橇的试验验证和数据对比。结果表明:不平顺轨道对火箭橇靴-轨冲击响应振动加速度均方根值的影响大于理想平直轨道,滑靴处二者最大偏差为3～5倍,且随机振动特性显著;最大速度时刻的靴-轨冲击预测结果与实测值在侧向和竖向振动趋势上具有很好的一致性。研究结果为火箭橇结构优化设计及稳定性分析提供了理论依据和技术保障。     

基于小波变换的钢结构连廊损伤识别

以某实际钢结构连廊为背景,采用ANSYS软件建立连廊结构的三维有限元分析模型,通过现场环境振动测试验证了文中连廊结构模型的合理性.针对这一较复杂结构的损伤识别问题,文中基于小波变换理论,构建了一种“变异放大系数”.本文的数值计算算例表明,利用这种“变异放大系数”曲线的峰值可以更有效地判别损伤位置,而“变异放大系数”峰值的大小则可较方便地判别结构的损伤程度.同时,文中探讨了不同小波函数和尺度伸缩因子对连廊结构单处和两处损伤的识别效果的影响,给出了小波函数和尺度伸缩因子的取值建议.     

基于振动信号神经网络层合板分层损伤检测研究

基于振动信号应用神经网络研究层合板分层损伤的检测方法. 对层合板分层损伤区域, 采 用相同坐标不同节点建立了分层损伤处的有限元模型; 通过数值模拟提取结构无损和 不同程度面积分层损伤的全局振动标识量; 重点研究神经网络对层合板分层损伤位置 和损伤程度的检测技术. 研究表明, 用结构全局振动标识量作为人工神经网络的输入, 对 层合板结构分层损伤检测是一种很有效的工程实用技术, 可应用于实际结构的在线损伤检测.     

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

木制古琴固有振动特性的数值和实验分析

以古琴为研究对象,在ANSYS中建立古琴有限元模型.通过模态仿真和计算,得到了相应的模态振型及固有振动特性.同时为了获得古琴的实际振动特性,进行了模态测试,实验结果和仿真结果相符,验证了模型的正确性,为后续古琴的进一步动力学研究及设计提供参考,为探索科学化制琴技术提供了依据.     

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.     

旋翼激励下直升机振动响应预计及实测对比

旋翼激励是直升机振动的主要源头，影响直升机驾驶员操纵性、机上人员舒适性及结构疲劳寿命。振动问题一般在试飞过程中暴露出来，问题处理和解决往往需要大的周期和代价，影响直升机研制。直升机振动响应预计是解决振动问题的主要手段之一，可以在早期发现振动问题，方便在型号研制早期开展优化设计或解决预案。本研究基于机体动力学仿真模型，以固定坐标系下的桨毂中心振动载荷作为输入，得到机体关键位置的振动响应，形成旋翼激励下直升机振动响应预测的方法。通过某直升机在尾桨激励下关键位置响应预计与实测数据对比分析，表明该方法得到的振动响应随速度的变化规律与实测数据一致，精度满足工程需要。该方法在新机振动响应分析、振动问题排查及振动控制方案制定等工作中具有较高的工程价值。     

结构健康监测中的损伤检测技术研究进展

对结构健康监测研究中的结构损伤检测方法及其特点进行了介绍.从基于结构模态分析的方法和基于结构动态试验信号处理的方法两方面,阐述了结构健康监测中的损伤检测方法及其最新研究进展.基于结构模态分析的结构损伤检测方法是针对整个结构的检测,使用的模态都限于低阶模态范围内,所检测的结构应容易建立有限元模型,便于进行响应预测.基于结构动态试验信号处理的损伤检测方法通常是针对结构局部构件的损伤检测,不需要对结构进行有限元建模,而直接从测试的动态响应信号中提取表征结构损伤的特征参数.文中提出了对比性损伤检测方法和非对比性损伤检测方法的概念,并对结构损伤检测中常用的信息传感与处理技术进行了论述,指出了结构损伤检测研究中应该考虑的传感器布置问题.提出了将损伤信息的主动检测与被动检测相结合进行损伤程度判断和剩余寿命估计等问题是有待进一步深入研究的课题.      

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

基于有限测点信息的结构损伤识别柔度法

利用有限测点获得结构的模态参数,提出了基于有限测点的结构损伤识别的柔度法。该方法是通过仅考虑结构柔度的灵敏度分析,以结构各自由度的损伤信息为条件,选择对结构柔度变化敏感的自由度为测点,并利用有限测点的信息提出了结构完备模态振型的重建技术。在此基础上,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,来确定结构单元的损伤因子对结构进行损伤识别。从而实现利用结构有限测点的模态信息来识别结构的损伤,解决了测试结构的模态振型的不完整给结构的损伤诊断带来的困难。通过数值算例说明了该方法的有效性。     

自由度缩聚的柔度损伤诊断法

为了提高结构在模型自由度缩聚情况下的损伤识别结果的精度，本文推导了基于改进Guyan 缩聚法的结构振动方程式．通过求解振动特征方程，利用其特征值和特征向量构建结构缩聚后的柔度矩阵表达式，并引入结构缩聚后的柔度曲率矩阵差和柔度曲率矩阵变化率两个损伤指标，将引入的新损伤指标应用于平面桁架的损伤识别．研究表明：不管是单损伤还是多损伤，仅仅需要一阶模态参数，利用其引入的新损伤指标就可以精确地识别出损伤杆单元位置．即使在高强度噪音的影响下，也保证了其损伤识别结果的精确性．验证了本文基于改进的Guyan 缩聚法推导出的损伤指标具有较好的损伤定位性能和较高的抗噪性能．     

ANCF索梁单元应变耦合问题与模型解耦

索粱结构在土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用.在各类索梁动力学建模方法中,由于绝对节点坐标方法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)能够描述柔性体的大变形和大转动问题,因此非常适合大变形索梁结构的动力学建模.对绝对节点坐标索梁单元的应变进行分析可知,弯曲变形会引起单元内部轴向应变的不均匀分布,即单元轴向应变与弯曲应变相互耦合.这种应变耦合效应使单元产生伪应变能,导致单元刚度增大,造成单元失真.分析不同弯曲角下的单元应变及应变能可知,弯曲变形越大,单元失真越严重.通过构造等效一维杆单元重新描述轴向应变,实现了轴向应变与弯曲应变解耦.在此基础上推导广义弹性力,得到了绝对节点坐标索梁单元的应变解耦模型.对解耦前后的两种梁模型进行静力学和动力学仿真,结果表明;解耦模型消除了单元伪应变,相比原模型表现出更好的收敛性和曲率连续性,在相同单元数目下具有更高的精度.同时由于解耦模型降低了单元刚度,因此相比原模型,速度曲线中不再有高频振动.     

Statistical detection of structural damage based on model reduction

This paper proposes a statistical method for damage detection based on the finite element （FE） model reduction technique that utilizes measured modal data with a limited number of sensors. A deterministic damage detection process is formulated based on the model reduction technique. The probabilistie process is integrated into the deterministic damage detection process using a perturbation technique, resulting in a statistical structural damage detection method. This is achieved by deriving the first- and second-order partial derivatives of uncertain parameters, such as elasticity of the damaged member, with respect to the measurement noise, which allows expectation and covariance matrix of the uncertain parameters to be calculated. Besides the theoretical development, this paper reports numerical verification of the proposed method using a portal frame example and Monte Carlo simulation.     

基于Kriging模型的频响函数有限元模型修正方法

针对使用频响函数进行有限元模型修正的问题,提出了一种基于Kriging模型的修正方法,用于检测结构由损伤引起的在单元刚度特性上的衰减。本文方法可以在不需要推导修正参数与频响函数残差代数关系的前提下,通过少量测点提供的有效数据快速求解;还可以通过控制算法的终止准则来提高对未知区域的探索程度,降低结果收敛到局部解上的可能。使用Kriging模型可以有效地减少原有限元模型的计算次数,保证计算效率的同时,为对结构进行更准确精密的有限元建模提供了便利。     

Enhanced Nonlinear Dynamics for Accurate Identification of Stiffness Loss in a Thermo-Shielding Panel

The dynamics of a panel forced by transverse loads and undergoing limit cycle oscillations and chaos is investigated. The nonlinear von Karman plate theory is used to obtain a model for healthy and damaged panels. Damage is modeled by a loss of stiffness in a portion of the plate. The presence of low levels of damage is identified by using an external nonlinear excitation and analyzing the attractor of the resulting dynamics in state space. Most of the current studies of such problems are based on linear theories and linear structures. In contrast, the results presented are obtained by using and enhancing nonlinear and chaotic dynamics, and have the advantage of an increased accuracy in detecting damage and monitoring structural health.An earlier version of this paper was presented at the 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Palm Springs, California, April 2004.     

基于不完备频响函数的结构损伤统计识别研究

基于不完备频响函数数据,结合概率统计方法,提出了一种能同时考虑模型参数不确定性和测试噪声影响的结构损伤统计识别方法。首先,基于频响函数某一行向量在不同频率下的幅值数据,利用矩阵拉直运算建立了关于损伤系数的确定性识别方程。其次,假设模型参数误差和测试噪声为零均值的高斯随机变量,根据摄动理论,推导了损伤后结构刚度参数的前二阶矩。随后,利用结构损伤前后的概率分布得到了结构损伤存在概率。最后,通过一个平面桁架结构模型验证了本文方法的有效性。数值算例的研究结果表明,损伤单元的损伤存在概率远大于非损伤单元;测试噪声对识别结果的影响比模型参数不确定性的影响更为显著。