A MODAL TESTING METHOD FOR CANTILEVER BEAM1)

基于欧拉-伯努利梁理论得到悬臂梁自由振动的振型函数。通过数值计算得出实验用的悬臂梁前五阶振型的节点位置及其与梁长的比值。考虑传感器对悬臂梁固有频率的影响,建立梁-传感器模型进行仿真分析并得出悬臂梁前五阶固有频率。基于节点位置和测点位置,在实验中选择激励点。将具体实验的结果与梁-传感器仿真模型结果进行对比,通过前五阶固有频率的误差分析,发现仿真分析结果与实验结果误差最高为 1.3%。研究完整地叙述了悬臂梁的模态测试流程,可为工程技术人员的模态测试起一定的指导作用。     

一种悬臂梁模态测试方法

基于欧拉–伯努利梁理论得到悬臂梁自由振动的振型函数。通过数值计算得出实验用的悬臂梁前五阶振型的节点位置及其与梁长的比值。考虑传感器对悬臂梁固有频率的影响,建立梁–传感器模型进行仿真分析并得出悬臂梁前五阶固有频率。基于节点位置和测点位置,在实验中选择激励点。将具体实验的结果与梁–传感器仿真模型结果进行对比,通过前五阶固有频率的误差分析,发现仿真分析结果与实验结果误差最高为1.3%。研究完整地叙述了悬臂梁的模态测试流程,可为工程技术人员的模态测试起一定的指导作用。     

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

在大型环形网架式可展天线中,环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构,基于连续体等效的思想,将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构,在周期桁架单元等效梁模型的基础上,提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动,并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组,然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组,并采用微分方程组的Green函数解法,获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式,进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析,验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.     

复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价

提出了根据动力特性试验识别结构的模态参数,运用优化算法修改动力有限元模型,进而评价复杂承载钢结构练合性能的方法.针对复杂承载钢结构的结构特点和激振形式,推导了模态参数识别公式;介绍了有限元模型动力修正的一阶搜索优化算法.利用近似平稳随机激励,对井架钢结构进行了现场模态试验,识别出前三阶固有频率和前二阶振型,分析了该结构的实际运行状况.仅依据前二阶固有频率,应用一阶搜索的优化算法,对动力有限元模型进行了修正,重分析表明:该修正模型实现了前三阶固有频率和应力特征的精确反演,能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价.     

航空发动机模拟机匣动力学模型修正研究

针对有限元建模中由于各种误差(如建模误差等)会给计算结果精度带来影响的问题,提出了一种利用模型修正来提高有限元计算结果精度的方法。首次使用了一阶优化方法,以所测试的模态频率和振型为参考,对有限元模型进行修正。首先,以某航空发动机模拟机匣为研究对象,对其进行模态测试,得到其模态频率和振型。然后,以机匣的前10阶计算模态频率与测试模态频率之间误差最小为优化目标,使用Nastran软件对各部件有限元模型中单元的弹性模量进行了修正,并计算了模型修正前后的机匣模态频率和振型,同时与测试模态频率和振型进行对比。结果表明,修正后的有限元模型计算结果与测试结果吻合良好,二者模态振型一致,模态频率的最大误差不超过1%。由此说明修正弹性模量的模型修正方法合理、可行,适用于工程上大型复杂结构的有限元准确建模。     

大跨机库桁架屋盖结构原型动力特性的实验研究

通过对跨度为(100+150m)的机库桁架屋盖结构的现场环境激励结构动力特性测试,利用谱分析方法对实测数据进行了分析,得出了结构的自振频率和振型.采用结构分析软件Midas建立屋盖的空间模型,采用特征向量法,得到了该结构的动力固有特性.有限元计算结果与动力试验结果在前3阶基本周期有相同的差异,各自所对应的振型吻合较好.结果表明环境激励下识别出该屋盖的低阶模态,可作为该机库的有限元模型修正和健康监测的基础.     

某飞机机翼颤振模型模态测试及分析

以某飞机机翼颤振缩比模型为研究对象,通过纯模态测试得到试验件前九阶模态参数。建立机翼梁架有限元模型并进行计算,得到各阶模态振型及频率。将各阶模态的计算结果与试验结果进行对比,频率的计算结果与纯模态试验值的误差均在5%以内,主要模态的振型计算结果与试验结果也基本一致,验证了有限元计算模型的准确性。在此基础上可以进行下一步的颤振分析,且试验结果可以作为机翼颤振模型风洞试验的参考依据。     

硅微阵列陀螺仪的模态分析与实验

考虑四质量硅微阵列陀螺仪的模态定阶,采用模态分析法和能量法建立模态分析模型,研究了驱动和检测模态的固有频率和振型。首先,利用集总参数模型和拉格朗日方程建立系统运动方程,分析了无阻尼振动的谐振频率和模态;其次,基于能量法推导了驱动梁和检测梁的等效刚度,得到模态分析的理论模型公式,并利用有限元仿真对理论模型进行了验证;最后,对实验样机进行了模态测试。实验结果表明:驱动模态理论分析结果与仿真结果的最大误差为2.4%,检测模态的最大误差为3.9%;样机测试实验中各模态振型与理论分析结果基本一致。与传统的依赖于经验和繁琐仿真迭代的陀螺仪结构设计不同,模态分析理论模型可减少迭代次数,加快设计进程,为陀螺仪的设计优化提供理论指导。     

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

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。     

空间桁架结构等效连续体建模及固有特性分析

针对空间桁架天线的结构特点,基于能量等效原理分别建立了不带底板和带底板的空间桁架结构的等效梁连续体模型。将胞元横截面上任意点的位移用横截面中心处的位移分量线性表示,求得胞元的应变能和动能;基于能量等效原理利用哈密顿原理建立桁架天线结构的等效连续体动力学方程,求解得到等效连续体模型的固有频率和振型表达式;利用有限元方法对桁架结构进行仿真分析,并将仿真结果与等效连续体模型计算结果进行对比分析。结果表明,等效模型结果具有较好的精度,从而验证了等效连续体梁模型的正确性。研究结果可为大型空间可展桁架结构的动力学设计提供论支撑。     

铜陵长江大桥主跨的环境随机激励模态测试

随机激励法是桥梁检测研究的主要方法,检测获得的模态参数是判断判断桥梁运行状况的重要标志。本文采用自行开发的一套基于PC机的测试系统,对铜陵长江大桥主跨部分进行环境随机激励模态测试,记录了大桥主跨部分的动态过程。通过分析测试结果给出了铜陵长江大桥主跨部分垂直方向上的前五阶对称振型和第三阶反对称振动的振型以及相应的固有频率.为了验证测试结果,文中对大桥用二维有限元模型建模,用有限元软件ANSYS建立了该桥的二维有限元模型,并计算得到了桥的模态参数。结果表明,计算和测试结果吻合较好,从而验证了本文测试方法的可靠性。     

侵彻弹体结构纵向振动频率特性分析

加速度传感器测试弹体加速度历程时,测试结果包含由于目标阻碍导致弹体减速的过载加速度和弹体结构振动引起的加速度。通过将弹体简化为均匀的长直圆杆,从理论上分析弹体纵向振动的频率特性。利用ANSYS建立了弹体有限元模型,通过模态分析得到了弹体纵向振动对应的固有频率及固有振型,并对弹体进行谐响应分析,一阶纵向振动固有频率的理论值、模态分析与谐响应分析的模拟结果都在1 200 Hz。利用Fourier变换和小波分析,对加速度传感器测试数据的频率特性进行了分析,Fourier变换得到的信号功率谱峰值在1 114 Hz,与理论计算结果、模拟结果都能较好吻合。     

立式电机模态仿真与实验研究

振动是电机的重要性能指标。本文在MSC.NASTRAN仿真环境下,利用有限元方法对立式电机进行了电机整机的模态仿真,得到了整机的前五阶固有振动频率、振型等参数值。根据仿真结果,分析了整机的危险位置和振型。进行了电机模态试验,验证虚拟样机和数值模拟的有效性。结果表明,系统不会发生共振。最后,在力学分析的基础上对结构进行优化,为立式电机的改进和振动测试提供了参考。     

六面体柔性桁架多体结构的模态测试实验研究

采用半正弦冲击波形，通过内力激振的方法对六面体空间柔性格架结构进行了模态实验研究，得到了系统的前四阶固有频率和模态振型。比较实验结果与理论计算结果，二者能够很好的吻合，验证了理论计算方法的正确性。实验结果表明采用内力激振的方法能够有效的激起结构的固有频率，所得的振动参数可为下一步空间柔性格架振动主动控制提供直接依据。     

力学复合环境下挠性陀螺仪的动力学分析

为研究分析挠性陀螺仪在过载振动复合环境下附加误差形成的机理和建立误差补偿模型,从结构分析入手,采用有限元分析软件ANSYS建立陀螺仪的实体模型和有限元模型,计算陀螺仪的章动频率,并与实验测量值进行比较,验证了模型的正确性;对挠性陀螺仪在过载-振动复合环境中的动力学特性进行分析研究,得到了各节点轴向位移,结合施加的载荷即可以计算得到陀螺仪的漂移角速度;同时通过模态分析计算得到陀螺仪的固有频率及相应振型.     

基于响应面法的V带轮多目标优化设计

在设计V带轮初始阶段引入结构轻量化思想,利用PTC Creo与ANSYS Workbench无缝连接技术建立V带轮的简化三维模型和有限元模型,对其进行静力强度分析和前6阶模态分析。首先运用拓扑优化方法对V带轮进行初步轻量化设计;然后根据拓扑结果对带轮结构优化并二次设计后,以V带轮质量、最大应力、最大变形以及前六阶固有频率为目标函数,对其进行多目标函数的响应面法优化;最终,在满足带轮强度、刚度的前提下,使V带轮质量减小了44.498%,并降低了带轮结构固有频率,避免共振。结果表明:运用响应面法联合拓扑优化方法对V带轮进行优化设计可行且有效,具有较强的工程实用性。     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

简化有限元方法的波纹管模态分析

采用简化方法对单层U型波纹管进行有限元模态分析。在长度,质量,对轴线转动惯量,体积,轴向弹簧比率以及周向弹簧比率不变的前提下,把波纹管简化成直壁薄管,用直壁薄管模型代替波纹管模型进行有限元模态计算。简化了计算模型,减少了计算量,提高了计算效率。本文给出了明确的等效直壁薄管的几何参数,物性参数的求解公式,改变了Broman人为设定直壁薄管厚度的方法,取得了更加准确的计算结果,使利用直壁薄管模型求解波纹管固有频率具有通用意义。进行了直壁薄管模型得到模态振型与波纹管模型得到模态振型之间的比较,认为直壁薄管模型可以求解波纹管的振型。