不同加速度谱型激励下非线性堆码包装系统的动力学响应

堆码包装系统通常是非线性系统,且在运输过程中存在包装件跳动现象,共振区域的激励对堆码包装系统的响应影响还需进一步探究。以两层堆码包装单元为研究对象,对无约束、弹性约束、固定约束这三种约束下的包装单元进行了扫频试验。根据扫频试验结果设置共振区域附近激励谱型相同、非共振区域激励谱型不同的两种加速度随机振动功率谱激励,探讨了在三种约束、三种振动等级下,非线性堆码包装系统在上述随机振动激励下的振动响应的差别。研究结果表明,两种谱型激励下的振动响应比较接近。共振区域的激励决定整个非线性系统的响应,产品包装防护设计应重点关注共振区域。     

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.      

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.      

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数(Re3.5×10~6)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.     

宽带随机振动峰值应力分析与试验研究

考核结构件在宽带随机激励下的强度，需要考察结构的峰值应力响应. 利用随机振动 和正弦振动之间的峰值等效原理，通过正弦振动在共振频率点的应力响应来计算随机振动的 峰值应力. 以某结构件为例，利用有限元分析软件MSC.NASTRAN，对该结构件进行了模态分 析、频响分析、随机振动加速度响应及峰值应力响应分析；同时实施了随机激励下的应力测 试试验. 比较分析与试验的峰值应力，误差在10{\%}以内，表明了该工程分析方法和技术途 径是合理的.     

随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

随机振动载荷作用下结构Von Mises应力过程的研究

随机振动载荷作用下结构的多轴疲劳分析非常复杂，利用Von Mises应力准则将多轴应力响应转换为单轴应力是一条简单而有效的途径，其关键问题是Von Mises应力概率密度函数的确定。本文提出了Von Mises应力过程近似服从Weibull分布的假设，同时给出了确定Weibull参数的方法，为进一步直接利用Von Mises应力进行结构多轴疲劳分析创造了条件。     

超高层建筑多种风洞试验方式对比研究

为了研究超高层建筑不同风洞试验方式结果的差异及原因,对某347m超高层建筑进行了刚性测压模型、强迫振动模型和多自由度气弹模型风洞试验,并将三种试验结果进行分析。对比了刚性测压模型与气弹模型的风致位移响应,分析气动阻尼比对位移响应的影响;同时对比了强迫振动模型与多自由度气弹模型在湍流场及均匀流场中气弹参数的差异。结果表明:刚性测压模型风洞试验在气弹效应不显著的情况下较为可靠而方便;当气弹效应较显著时,多自由度气弹模型的风洞试验结果更为真实;在均匀流场中,结构发生共振时,强迫振动模型的风洞试验结果有一定的参考价值,但在湍流场中,特别是不发生共振时,试验结果与实际情况存在较大差异。高层建筑强迫振动模型振动形式的不精确性会导致试验结果的失真,将强迫振动模型应用到实际高层建筑抗风时,其振动形式还有待改进。     

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.      

实心砖石古塔动力特性与结构损伤分析

为研究"丝绸之路"起点世界文化遗产建筑兴教寺测师塔的动力性能及结构损伤,采用超低频动态测试系统进行了原位动力测试试验.在环境随机激励下,采集了该塔各楼层顶部水平振动的速度响应信号,经滤波后通过积分变换进行自谱及互谱分析,得到了结构沿水平方向的前2阶自振频率与振型.并依据结构测绘结果,建立测师塔数值模型,计算了弹性模量逐渐降低时的振动特性,并与测试结果进行对比,依据结构损伤参数识别的改进形法,进行了测师塔结构损伤分析.结果表明,该塔沿东西与南北两个水平方向的前2阶频率值相近,第1阶振型呈弯曲型,第2阶振型呈弯剪型;与无损砌体弹性模量的取值比较,测师塔结构的等效弹性模量降低较多,其结构整体损伤较为严重.因此,可通过确定无损砌体的弹性模量,采用动力测试及数值计算依据等效弹性模量进行残损砖石古塔结构损伤识别.     

某发动机热试车的振动环境预示方法研究

发动机热试车试验在新型运载器的研制过程中起到重要作用,可用于预测运载器在飞行中的振动环境。由于载荷不等效,试验数据量有限,使得难以直接通过试验数据建立同一结构在不同系统下的映射关系模型。本文提出了一种基于试验数据的振动环境预示方法,以某发动机两次热试车试验数据为对象,分别提取了反映结构特性的动力学模型,基于载荷等效原则构造了结构振动响应学习样本,采用机器学习的方法建立了两次热试车试验条件下发动机结构的映射关系,实现了从一种试车状态下的结构振动响应预示另一种试车状态下的振动环境,预示结果与实测数据进行了比较,满足±3d B的工程精度要求。     

A Volterra-PEM approach for random vibration spectrum analysis of nonlinear systems

In this paper, the Volterra series and the pseudo-excitation method (PEM) are combined to establish a frequency domain method for the power spectral density (PSD) analysis of random vibration of nonlinear systems. The explicit expression of the multi-dimensional power spectral density (MPSD) of the random vibration response is derived analytically. Furthermore, a fast calculation strategy from MPSD to physical PSD is given. The PSD characteristics analysis of the random vibration response of nonlinear systems is effectively achieved. First, within the framework of Volterra series theory, an improved PEM is established for MPSD analysis of nonlinear systems. As a generalized PEM for nonlinear random vibration analysis, the Volterra-PEM is used to analyse the response MPSD, which also has a very concise expression. Second, in the case of computation difficulties with multi-dimensional integration from MPSD to PSD, the computational efficiency is improved by converting the multi-dimensional integral into a matrix operation. Finally, as numerical examples, the Volterra-PEM is used to estimate the response PSD for stationary random vibration of a nonlinear spring-damped oscillator and a non-ideal boundary beam with geometrical nonlinearity. Compared with Monte Carlo simulation, the results show that by constructing generalized pseudo-excitation and matrix operation methods, Volterra-PEM can be used for input PSD with arbitrary energy distribution, not only restricted to broadband white noise excitation, and accurately predict the secondary resonance phenomenon of the random vibration response of nonlinear systems in the frequency domain.

     

随机桁架结构的非平稳随机动力响应分析

本文研究了随机桁架结构在非平稳随机激励下的动力响应问题。在利用随机因子法分析随机结构动力特性的基础上，给出了一种分析随机结构非平稳随机响应的新方法。从结构非平稳随机响应的表达式出发，同时考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，导出了随机桁架结构在非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响。本文方法具有对随机结构进行一次动力分析便可求得动力响应的数字特征，且可以考察结构任一参数的随机性对结构非平稳随机响应分析结果的影响之优点。     

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.     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

On the response of small buildings to vibrations

In this work, the analysis the response to vibrations of a small building equipped with an electromechanical vibration absorber is investigated. In the first part, the case of harmonic excitation with constant or time dependent frequencies is considered, and in the second part, the case of random earthquakes, respectively. The cross correlation functions and the mean square displacements are calculated for the structure when it is equipped with an electromechanical vibration absorber. The stochastic process which characterizes the earth movements is coupled to the cnoidal method, which delivers the analytical solutions of the nonlinear problem. The interaction between the structure and the energy source is analyzed via the Sommerfeld effect inside the resonance region. The resonance capture and the vibration reduction are displayed by the time history responses of the displacement and angular velocities above the resonance.