基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计

Schuler振荡阻尼技术是提高惯导长期工作精度的关键技术之一。针对采用低阶阻尼网络的惯导系统抑制高频和低频参考速度误差难以兼顾的问题,基于互补滤波思想,提出一种高阶水平阻尼网络设计方法。将两个采用低阶网络、分别具有优良高频和低频特性的Schuler回路通过一对互补滤波器进行组合,形成双Schuler回路组合系统。它等效于采用某高阶网络的单Schuler回路,该回路对高频和低频参考速度误差的衰减率可同时达到40 dB/10 deg或更高。计算机仿真和海上试验结果均表明:采用所设计高阶网络的系统对参考速度误差兼有优良的高频和低频滤波特性,综合滤波性能优于采用低阶阻尼网络的系统,具有工程应用价值。     

实时子结构实验的研究进展

如果结构的非线性或不确定性仅集中于结构的某一部分,则可仅把这一部分取出来进行实验,其余部分采用数值模型予以模拟,这就是所谓的子结构实验技术。如果实验子结构的反力与加载速率有关,就必须采用实时加载的方式才能获得可靠的实验结果。由于试件性能的速度相关性和实验加载的实时性,使得实时子结构实验在逐步积分算法、实验系统的加载控制和实验系统累积误差等方面比拟动力实验更加复杂。本文介绍实时子结构实验的研究进展,并指出有待进一步研究的问题。     

一种基于惯性测量与自适应滤波的舰船升沉计算方法

针对舰船作业过程中升沉运动精确测量的应用需求,提出了基于惯性导航系统的升沉运动测量方案。针对海况变化条件下,传统固定滤波参数数字滤波器自适应性不足,以及存在相位偏移和幅值误差等问题,提出了一种结合互补方法的自适应数字高通滤波器。该滤波器基于先验知识与实时海况监测结果,可自适应调整滤波器参数。首先通过一滑动监测窗口对海况进行实时监测,并对滤波器参数进行实时自适应调整;随后对加速度测量值进行2次积分与3次自适应高通滤波,滤除低频误差,保留有效高频升沉运动。不同海况条件下的仿真与试验验证了测量与滤波方案的可行性。试验结果表明:新滤波方法相比传统方法,能根据海况实时自适应调整滤波参数,升沉运动相位误差和幅值误差减小,仿真实验中幅值误差缩减约10倍,模拟试验中幅值误差缩减约2倍,测量精度精确到厘米级。     

一种基于Haar小波的光纤陀螺信号实时滤波方法

为了改善惯性稳定平台控制系统中光纤陀螺信号质量,提出了一种基于Haar小波的光纤陀螺信号实时滤波方法。首先通过仿真,说明了影响现有小波方法实时滤波效果的根源,即边界问题;进而通过理论分析,对边界问题产生的原因进行深入剖析,并从支撑集和对连续阶梯信号的逼近两个层面,详细论证了Haar小波对于光纤陀螺信号实时滤波的适用性;最后提出一种基于Haar小波的实时陀螺信号滤波方法,既利用了小波优越的信号-噪声分离能力,又可满足实时应用背景的要求,完全适用于惯性稳定平台控制系统中的光纤陀螺信号滤波。经试验验证,此方法具备很好的陀螺实时滤波性能,滤波后信号的随机噪声可降低40%以上,使用滤波后陀螺信号闭环后,惯性稳定平台控制系统的稳定精度可以提升14%。     

固定界面动态子结构方法研究车内噪声问题

随着社会的发展，降低车内噪声越来越受到人们的重视。由于整车结构复杂，本文采用包括软子结构的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用固定界面模态综合法，建立整车结构车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其总质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。在已建立的总系统动力学模型基础上，在时域内对前后轴分别激励时汽车振动和车内噪声特性进行仿真模拟，并通过台架试验对仿真结构进行验证。     

基于滑模理论的建筑结构分散稳定控制

基于大系统分散控制思想,将大尺度高阶建筑结构系统分解为多个子结构系统;子结构之间的相互耦合作用视为有界广义力,得到以状态方程形式的子结构模型。利用滑模理论的抗摄动条件,设计具有全局稳定的子结构滑动模态轨迹,利用子结构系统局部状态实现全局稳定的控制力条件,并以参数ρi实现各子结构间的调节,建立稳定的分散控制格式。在控制算法中采用了准滑模控制方法,克服变结构滑动模态中的抖振影响。利用本文方法,对20层钢结构基准模型在地震激励下的控制进行设计并数值仿真,验证了该方法的有效性。     

消除舒拉振荡误差的理论与实践

惯性导航系统的舒拉振荡误差,不仅影响速度、姿态、位置等导航参数精度,而且严重影响系统重调或位置更新效果,是长航时惯性导航系统必须解决的问题。采用经典控制理论的阻尼网络衰减舒拉振荡,是国内外经典专著介绍和实践的设计方法。这种以破坏纯惯性解算无干扰条件为代价的传统方法,生成了"阻尼"和"无阻尼"这对互为悖论的矛盾,带来许多经典控制理论无法解决的问题。试图利用现代控制理论,在保持纯惯性解算模式不被干扰破坏的条件下,消除舒拉振荡误差。仿真试验给出满意的理想结果,证明利用现代控制理论解决阻尼问题的优越性能。     

离面位移场测量的相加云纹干涉法

本文采用两束准直相干光对称入射-高频试件光栅,并辅之以一沿试件栅法向传播的平面参考光波。通过调节入射光的入射角而对正、负一级衍射波引入适当载波,在试件栅变形前后,正、负一级衍射波与参考平面光波同时对记录底版两次曝光而将试件栅的变形信息记录下来。通过对记录底版的滤波处理而分离出实时或差载的离面位移场条纹图。这一方法使得离面位移场测量的灵敏度达到四分之一波长.文中给出了严格的理论推导和条纹对比度极好的实验验证.     

刚架结构频域子结构法的实验研究

以空间刚架为模型,对Jetmundsen频域子结构综合法进行了探索性实验,并研究了子结构的界面自由度完整性对最后综合结果的影响。实验中,频响函数矩阵中与线自由度响应和集中力输入相关的项通过加速度计与力传感器直接测量,而与转角自由度响应或纯力矩输入相关的项通过一种结合转角自由度间接测试和模态分析技术的方法获取。实验结果显示,实验子结构综合法能够有效地预报结构的动力学性能,而转角自由度的引入能在一定程度上改善预报质量。     

圆柱壳结构的转角自由度频响函数估计方法研究

频响函数子结构综合方法是工程设计的重要途径.对于子结构综合方法中界面转角自由度不匹配问题,本文采用界面刚性等效方法解决该问题.对于工程中常见的圆柱壳结构,本文通过数值仿真和试验研究验证了该方法在此类结构中获取转角自由度信息的可行性.将估计得到的与转角自由度相关的频响函数结果与有限元仿真结果进行对比,结果表明界面刚性等效...     

A forced-vibration technique for measurement of material damping

This article describes a technique for measuring material damping in specimens under forced flexural vibration. Although the method was developed for testing fiber-reinforced composite materials, it could be used for any structural material. The test specimen is a double-cantilever beam clamped at its midpoint and excited in resonant flexural vibration by an electromagnetic shaker. Under steady state conditions, material damping is defined in terms of the ratio of input energy to strain energy stored in the specimen. If external losses are negligible, the input energy must equal the energy dissipated in the specimen. Input energy and strain energy are found from measured specimen dimensions, resonant frequency, input acceleration and bending strain. Problems associated with minimization of external energy losses in the apparatus and verification of measurements are discussed in detail. Measured damping of aluminum-alloy calibration specimens shows good agreement with calculated thermoelastic damping. Examples of measured damping showing amplitude and frequency dependence in fiber-reinforced plastic materials are presented.     

Stress Wave Analysis and Optical Force Measurement of Servo-Hydraulic Machine for High Strain Rate Testing

Based on fundamental mechanical principles, a force measurement method for a servo-hydraulic tensile machine at strain rates from quasi-static up to 10³/s is proposed in this paper. Analytical and numerical stress wave analyses were performed at first to understand the principles of the force signal oscillation. The result of this FEM simulation indicates that the elastic vibration within the tensile specimen has a higher frequency and much lower amplitude than at the piezoelectric force sensor of the test machine. Based on this finding, a noncontact optical force measurement method was developed, which provides a fast and reliable force measurement directly on the specimen with little disturbance from the system ringing effect at strain rates up to 10³/s.     

An adaptive vibrational resonance method based on cascaded varying stable-state nonlinear systems and its application in rotating machine fault detection

A weak character signal with low frequency can be detected based on the mechanism of vibrational resonance (VR). The detection performance of VR is determined by the synergy of a weak low-frequency input signal, an injected high-frequency sinusoidal interference and the nonlinear system(s). In engineering applications, there are many weak fault signals with high character frequencies. These fault signals are usually submerged in strong background noise. To detect these weak signals, an adaptive detection method for a weak high-frequency fault signal is proposed in this paper. This method is based on the mechanics of VR and cascaded varying stable-state nonlinear systems (VSSNSs). Partial background noise with high frequency is regarded as a special type of high-frequency interference and an energy source that protrudes a weak fault signal. In this way, high-frequency background noise is utilized in a VSSNS. To improve the detection ability, manually generated high-frequency interference is injected into another VSSNS. The VSSNS can be transformed into a monostable state, bistable state or tristable state by tuning the system parameters. The proposed method is validated by a simulation signal and industrial applications. The results show the effectiveness of the proposed method to detect a weak high-frequency character signal in engineering problems.

     

柔性轮对的离散时间传递矩阵法建模及垂向振动

针对铁道车辆轮对系统的弹性振动及台架高频激振试验仿真问题, 以离散时间传递矩阵法建立了柔性轮对振动模型. 基于Newmark-β隐式法积分格式推导了分布质量弹性轮轴、集总质量车轮及弹簧-阻尼单元的离散时间传递矩阵, 采用Riccati法、Newmark-β法实现轮对系统垂向振动加速度以及速度、位移的求解, 将轮对模型与采用新型显式积分法求解的构架、轨道轮组动力学模型集成, 完成机车车辆单轴滚振试验台的动力学建模, 提出了混合积分模式下动态仿真求解流程. 基于滚振试验台, 开展了轨道轮初始表面粗糙度、打磨多边形及局部凹陷状态下300 ~ 400 km/h高速运行试验, 同步开展了相应的动力学仿真, 通过在时域-频域对测试和计算结果的比较, 检验了理论模型. 结果表明, 在振动加速度的时域-频域特性和幅值分布上, 单轮对柔体模型总体能够较好反映500 Hz频率下系统的中高频振动规律, 有效捕捉车轮不圆、多边形磨耗、局部凹陷等动态激扰, 三种轨面状态下计算的轴箱加速度幅值误差总体低于9%, 模型具有较好的适应性和准确性. 但相关建模方法如何在复杂空间结构中应用需要进一步探索.      

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

弹塑性材料滤波作用的研究--间接杆杆型冲击拉伸试验装置产生加载脉冲的三维弹塑性动力学有限元分析

本文对旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置建立了产生拉伸加载脉冲的三维弹塑性动力学模型 ,使用ANSYS/LSDYNA程序模拟了该装置产生加载脉冲的过程 ,分析了弹塑性材料的滤波作用。数值模拟得到的入射脉冲与实验结果吻合 ,表明该数值模型和方法是有效的。分析结果表明 ,相对于直接连接系统 ,间接连接系统中的前置金属短杆的弹塑性变形直至断裂使锤头与撞块只发生一次撞击 ,即滤去了多次撞击 ,同时滤去了金属短杆与撞块界面扰动力的高幅抖动 ,使扰动力变成幅值较低的平稳脉冲。总之 ,前置金属短杆的作用相当于一个低阈值的低通滤波器。本模型还可为合理确定试验方案以及为改进和设计新的冲击拉伸试验装置提供依据和方法