环形桁架结构模态实验及有限元仿真分析

针对大型可展开环形桁架天线结构开展了模态实验和有限元仿真分析。首先设计加工了环形桁架实验模型,采用锤击法对自由边界条件下环形桁架结构进行了实验模态分析,得到环形桁架结构的前六阶固有频率及其对应模态振型,并通过模态置信准则对实验结果进行了可靠性分析。其次,建立了环形桁架实验模型的有限元模型并进行模态分析,仿真得到其前六阶固有频率和模态振型。最后详细对比分析了实验结果与有限元仿真结果。结果表明:二者固有频率误差小于5%,且实验模态振型与有限元仿真模态振型一致,证明了本文分析结果真实可靠;同时,分析得到了环形桁架结构第一、二阶振型为椭圆形,第三、四阶振型为三角形,第五、六阶振型为四边形。     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

桁架系统的模型降阶及其主动控制研究

对桁架结构系统的模型降阶和主动控制进行了研究。系统模型采用有限元方法进行建模;模型降阶分别采用模态价值分析方法和内平衡降阶方法;控制设计采用最优控制方法。同时详细给出了模态价值分析方法和内平衡降阶方法的降阶过程,并将两者的结果进行了数值对比。仿真结果显示,两种降阶方法均能够有效地对桁架系统进行模型降阶,本文采用的最优控制律能够有效地抑制结构的振动。     

矩形截面高层建筑横向风激励时程模拟

提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。从牛顿第二定理出发,将沿建筑高度分布的横风向加速度和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力计算公式;考虑横风向力谱竖向相干函数,由此导出了沿建筑高度方向分布的横风向脉动力互谱,进而采取谐波合成法模拟出了沿建筑高度分布的横风向脉动力时程数据。结果表明:横风向振动响应与结构固有频率相关,结构前2阶模态频率所对应的横风向加速度响应功率谱约占80%,且第2阶模态频率占主导;当在结构2/3高度增加粘滞阻尼器时,第2阶模态频率所对应的结构加速度功率谱值降低约为43.1%,减震效果明显。因此,结构横风向加速度分析至少考虑前2阶模态的影响。     

波导结构频散分析的特征频率法及在板条结构中的应用

提出一种求解波导结构频散特性的有限元特征频率法,该方法基于振动问题的特征频率计算理论,根据模态振型识别波数与模态类型,建立了相速度及群速度的求解方法。该方法可适用于任意波导结构的频散关系求解。首先分析满足收敛精度要求的最大网格单元尺寸与最小模型长度,并用该方法对简支板条结构的频散特性进行了计算。结果表明,有限元特征频率法适合求解波动频散关系,板条结构中模态受边界影响会产生同阶高次模态,边界尺寸决定新模态的截止频率;随频率的增大,同阶低次反对称模态会趋于一致;对称模态能量分布受边界影响较大。本文也为板条类结构导波实验结果的分析提供了理论依据。     

使用阻尼材料结构的试验模态分析

高分子聚合物做为阻尼材料的使用，使结构的模态分析出现特殊问题，本文介绍试验模态分析中的若干问题，包括模态阶次、模态参数的拟合、模态结构阻尼系数与粘性阻尼系数之间的关系，灵敏度分析等     

过载-振动复合环境下液浮积分陀螺仪动力学分析

采用有限元数值计算方法对液浮积分陀螺仪在过载—振动复合环境中的动力学特性进行研究。对液浮积分陀螺仪浮子组件谐态和模态进行了分析计算，获得了复合载荷下浮子组件质心的附加偏移的数据，从而为分析陀螺仪的附加误差提供了依据。     

基于时间响应函数的结构阻尼识别方法比较

研究了3种基于时间响应函数的结构阻尼识别方法, 包括对数衰减法、希尔 伯特方法和小波方法. 给出了3种方法的实现算法, 分析了对密集模态的识别能力. 构造仿真算例, 采用3种方法识别了5{\%}, 10{\%}和30{\%}噪声条件下的模态阻尼. 结果表明, 小波方法比对数衰减法和希尔伯特方法具有更好的噪声鲁棒性. 采用小波方法分析了润扬大桥结构健康监测系统获得的实测数据, 识别出了润扬大桥悬索桥前6阶模态参数, 第2阶和第3阶模态频率相差仅为0.015\,Hz. 研究表明, 小波方法具备噪声条件下密集模态的识别能力, 是工程中阻尼识别的优选方法.     

K-L法在结构模型降阶及辨识中的应用

模型辨识时，常需要对结构进行降阶处理，以减少辨识参数，降低计算难度，通过K-L(Karhunen-Loeve)特征值提取的方法对结构模型进行降阶，并通过最小二乘法辨识出降阶后系统的模态参数，可以大大减少辨识参数，降低计算复杂性；最后对一简支梁进行了数值仿真，得到一个3阶模型，辨识出简支梁的固有频率和模态阻尼比与解析解很接近。     

三浮陀螺有源磁悬浮系统力学模型分析

有源磁悬浮系统在高过载条件下的工作状态,是影响三浮陀螺和平台系统使用精度的关键因素。针对此问题,分析磁悬浮系统加力的作用机理,对系统的力学模型进行研究。从刚体动力学基本方程出发,以三浮陀螺浮子组件为研究对象,建立了浮子5个受控自由度的动力学关系和浮子运动的状态方程。然后对瞬时冲击力、阶跃常值力和简谐变化力作用下浮子运动规律的进行了分析和计算。仿真结果表明,当三种过载同时作用在浮子上时,磁悬浮系统在闭环状态下浮子位移的稳态值为2.12?m,即浮子最终停在线性区的边缘,不会碰到轴尖,因此不会影响仪表的精度和可靠性。但由于加力的刚度比较小,系统的过渡时间比较长。     

Experimental and numerical study of an aquaculture net cage with floater in waves and current

The mooring loads on an aquaculture net cage in current and waves are investigated by dedicated model tests and numerical simulations. The main purpose is to investigate which physical effects are dominant for mooring loads, and in this respect, to investigate the validity of different rational hydrodynamic load models. Also structural and numerical aspects are investigated. The model tests are performed to provide benchmark data, while the numerical model is used to study the effect and sensitivity of different load models and parameters.Compared to a realistic aquaculture plant, the total system is simplified to reduce the complexity. The system does, however, include all the four main components of an aquaculture plant: net cage, floater, sinker weights and moorings. The net cage is bottomless, flexible and circular. It is attached to a circular, elastic floater at the top and has 16 sinker weights at the bottom. The system is nearly linearly moored with four crow feet mooring lines.The loads are measured in the four mooring lines. A systematic variation of current only, wave only as well as combined current and wave conditions is carried out. The numerical simulation results are first benchmarked towards the experimental data. The mean loads in general dominate over the dynamic part of the loads in combined current and waves, and they significantly increase in long and steep waves, relative to current only. Next, a sensitivity study is carried out. A rigid floater significantly alters the loads in the mooring lines compared to a realistic, elastic floater. The theoretical model for the wave matters. The mooring loads are rather insensitive to a majority of the parameters and models, in particular: frequency dependent added mass of the floater and nonlinear restoring loads. It seems not to be necessary to represent the net cage with a very fine numerical mesh.     

某型液浮陀螺浮子结构的热应力分析

本文以液浮陀螺的浮子结构有限元模型为基础,对某种浮子结构进行了热应力分析,得出在陀螺浮子处于工作温度场的情况下,该浮子结构中的最大热应力值,指出其所用材料的不合理处,为以后陀螺仪设计时材料的选取提供重要数据依据。     

调宽控制平台稳定系统对陀螺漂移影响的研究

介绍了在平台式惯导系统中,由脉冲调宽加矩方式控制的惯性稳定平台的角振动对陀螺漂移的因素,通过对平台稳定系统的动态仿真,得出了它螺漂移与采用脉宽调制工作的稳定回路参数之间的关系,为惯性平台稳定回路的设计提供重要的数据依据。     

主动隔振中气动压力跟踪的预测控制研究

气动伺服系统的压力跟踪是主动隔振系统中的一个重要环节。本文根据气动伺服系统的特点，建立了系统压力工作点的模型，应用基于状态空间的预测控制方法对系统压力进行了轨迹跟踪控制。首先，提出了一种控制器切换的方法来消除压力跟踪过程中的稳态误差；其次，通过对预测控制算法的改进减小了滞后对闭环系统动态性能和稳定性的影响。实验表明，本文提出的方法有效地解决了主动隔振系统中的气动压力跟踪问题。     

Application of Modelica/MWorks on modeling,simulation and optimization for electro-hydraulic servo valve system

Electro-hydraulic servo valve is a typical complicated multi-domain system constituted by mechanical, electric, hydraulic and magnetic components, which is widely used in electro-hydraulic servo systems such as construction machinery, heavy equipment, weapon and so forth. The traditional method of modeling and simulation of servo valve is based on block diagram or signal flow, which cannot describe the servo valve system from components level nor be used in modeling and simulation of overall servo systems. In the procedure of traditional method, computational causality must be involved in modeling of servo valve, which is inconvenient to execute modification on components or parameters. Modelica is an object-oriented modeling language which is suited for large, complex, heterogeneous and multi-domain systems. The key features of Modelica are multi-domain, object-oriented and non-causal, which are suitable for modeling of servo valve and make the model readable, reusable, and easy to modify. The simulation results show similar curves with traditional method. This new servo valve modeling and simulation method can provide the engineers a more efficient way to design and optimize a servo valve and an overall servo system.     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

海洋重力传感器伺服回路分析与设计

海洋重力仪是改善舰船惯导系统精度的重要设备，其重力传感器的伺服回路决定着仪器的精度和动态性能。作在介绍零长弹簧海洋重力传感器结构原理的基础上，研究其伺服回路的结构组成和设计方法，分析了其主要环节参数对系统性能的影响，考察了其时域性能，对海洋重力仪的研制具有重要指导作用。     

三轴仿真转台外框电液位置伺服系统自适应神经元网络控制

本文针对三轴飞行姿态仿真转台外框电液位置伺服系统的特点和技术要求，采用自适应神经元网络控制策略对其控制。仿真结果表明，自适应神经元网络控制以其特有的自学习、非线性等优点，完全满足三轴飞行姿态仿真转台外框电液伺服系统对控制策略的要求，由其构成的控制系统既具有良好的动态性能，又具有较强的鲁棒性与适应性。