32级模块化Marx发生器机芯模态分析

模态分析可以获得结构的动特性参数。对32级模块化Marx发生器机芯进行了力学特性仿真分析和模态试验,用以评估Marx发生器的力学环境适应性。首先,建立了模块化Marx机芯的有限元模型,获得了初步振型;其次,在自由边界条件下分别开展了Marx机芯整体模态试验、局部模态试验和传递特性试验,得到了整体和局部结构的模态参数。研究表明,模块化Marx机芯在23.58 Hz处出现整体一阶扭转;机芯局部结构固有频率较高;机芯在x,y,z三个方向的振动传递率的范围分别为5～15,6～10和10～35,为后续工程中Marx发生器机芯的针对性设计提供了参考。     

分置式斯特林制冷机力学环境分析

本文针对某型分置式斯特林制冷机,通过力学有限元分析,在随机振动和正弦振动的力学环境试验条件下寻找制冷机最大应力集中处,分析分置式制冷机在相关设计中存在的不足,以及可能导致制冷机失效的主要因素,进而提出优化制冷机的设计方法和预防措施。结果表明,通过增大分置管直径,可减少分置式斯特林制冷机最大集中应力,提高制冷机在实际使用的可靠性。     

同轴脉冲形成线的运输振动环境适应性研究

为了准确评估某MV级Tesla型脉冲功率源的运输振动环境适应性水平,针对脉冲功率源中采用悬臂绝缘支撑结构的同轴脉冲形成线,通过仿真和试验结合的方法开展研究。针对叠层结构式内外磁芯,提出一种通过结构元胞等效材料参数和坐标变换的等效建模方法进行有限元建模,通过模态试验修正有限元模型,首次对比研究了绝缘油对形成线的模态频率和阻尼的影响,仿真分析了形成线车载运输典型工况的应力及响应,设计实施了大尺寸形成线等效件振动试验进行验证。通过振动试验发现了形成线结构存在非线性,通过仿真分析和等效件试验验证,同轴脉冲形成线现有结构设计基本满足车载运输振动环境适应性要求。     

高稳定性星载多普勒差分干涉仪支撑结构设计

为了保证星载测风多普勒差分干涉仪的力学稳定性和热稳定性,设计了一种低热传导微应力装夹支撑结构,采用胶合与弹性压紧相结合的方法对干涉仪进行安装.首先,结合多普勒差分干涉仪的结构特点和稳定性要求,采用四点环形凸台的粘接形式对底座粘接面进行了优化设计,并与已有的网格化多点凸台粘接面形式进行对比.然后,针对随机振动条件下干涉仪与底座粘接面响应应力过大的问题,设计了施加预紧力的压盖结构来提高粘接可靠性.最后,对干涉仪组件进行了有限元仿真和环境振动试验,分析和验证了干涉仪组件的低热传导性和力学可靠性.结果表明,所设计的四点环形凸台粘接形式相较于已有粘接形式在相同条件下由底座导入光学组件的热量减少了63.54%,随机振动时粘接面最大响应应力为2MPa,干涉仪组件的模态频率均在1 900Hz以上;有限元仿真与试验结果的相对误差均在8.6%以内.基于四点环形凸台面粘接并施加预紧力的干涉仪组件具有低热传导、高力学可靠性的特点,结构设计合理,性能可靠.     

振动疲劳寿命分析在主镜支撑结构设计中的应用

通过随机振动峰值应力响应考核空间相机在随机振动环境下主镜支撑结构的可靠性存在一定的局限性。本文针对主镜支撑结构在随机振动试验中出现断裂的现象,采用振动疲劳寿命分析对结构的可靠性进行考察,提出了应用数值仿真技术预测结构随机振动疲劳寿命的方法。根据有限元和随机振动疲劳相关理论,采用振动疲劳分析软件对某空间相机支撑环柔节进行了随机振动疲劳分析,计算了疲劳寿命的大小及分布。比较仿真和随机振动试验结果表明,采用振动疲劳寿命评价随机振动环境下结构的可靠性是合理的,利用数值仿真技术预测结构的随机振动疲劳寿命是可行的。     

柔性铰链结构特性对快速反射镜性能影响分析北大核心CSCD

柔性铰链作为快速反射镜(fast steering mirror,FSM)的关键部件之一,分析其结构特性对FSM性能的影响,用于指导FSM结构设计。通过将柔性铰链简化为弹性环节,等效为3轴的平动刚度和3轴的转动刚度,基于欧拉动力学,建立了两轴FSM的运动微分方程,搭建了FSM控制系统的Simulink仿真模型;在给定振动环境下,仿真分析了结构谐振频率对FSM性能的影响,指出平动固有频率越大,FSM锁零精度越高,平动固有频率选择在伺服系统增益交界频率2倍以上;考虑到锁零精度要求和电机力矩限制,转动固有频率选择在25 Hz~50 Hz。最后结合实物进行了振动试验,仿真结果与振动试验结果一致,验证了仿真模型的正确性。     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。     

近紫外天底成像光谱仪结构设计

针对大气环境监测和预报的需求,设计了一种满足光学系统要求的近紫外天底成像光谱仪.首先根据给定的光学系统,设计了设备的总体构形,对主镜和次镜进行了变密度拓扑优化,并对各模块进行布局功能设计;然后对方案进行了有限元仿真分析,同时对设备系统进行了光机热集成分析;最后进行了实验验证.实验结果表明:设备一阶频率大于i00 Hz;正弦振动实验最大放大倍数为1.04;随机振动实验结果最大误差为4.72％;力学实验前后设备光谱特性一致.实验结果证明了所提结构设计满足各项技术要求,为今后近紫外天底成像光谱仪结构设计提供了一种新的参考.     

150kV脉冲X光机

介绍了基于Marx发生器原理设计的脉冲X光机,在设计Marx发生器时选择了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,采用低抖动场畸变开关和固体低感电阻为结构元件,低感陶瓷电容作为储能元件。Marx发生器通过高压电缆和X射线管连接,得到脉冲X光机特性为:输出电压100~150kV;0.25 m处的X射线剂量约为90.3×10-7C/kg;脉冲宽度约为70 ns。具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

SSRF中BPM支撑的机械稳定性分析

主要对上海光源(SSRF)束流位置监视器(BPM)支撑的机械稳定性进行了研究.受有限元计算与初始设计方案的振动测试结果不一致的启发,对BPM支撑与地面的连接考虑了三种方案:膨胀螺母、半灌浆与全灌浆连接.通过采用改进的全灌浆连接来代替初始设计的膨胀螺母连接,BPM支撑的横向最低共振频率由20.2Hz增加到50.2Hz,支撑顶部与地面的横向均方根位移(4-50Hz)之比由4.36降低到1.32,机械稳定性能得到大大的提高.     

一种新型声学超材料平板对机械波吸收性能的模拟与实验研究

基于质量-弹簧微结构通过光学振动模式对机械波进行选择性吸收的原理, 本文设计了一个由集中质量与弹性薄膜构成的二维声学超材料等效平板结构. 利用有限元法对等效平板代表性胞元的振动特性模拟结果表明, 二维超材料平板结构表现出与质量-弹簧微结构相同的振动模式. 基于模拟结果, 制作加工了一个正方形超材料平板, 并通过Polytec扫描式激光测振仪(PSV)对其振动特性进行了试验测试, 结果表明, 本文设计制作的超材料平板可以对频率157.5 Hz的机械波进行选择吸收.     

月基对地观测跟踪转台设计与分析

针对登月过程严酷的力学条件、月球表面复杂的环境特征以及严格的重量要求,设计了一种可适用于月基观测的跟踪转台.该转台主要由水平轴系及驱动机构和竖直轴系及驱动机构组成,采用霍耳元件作为位置检测元件,其综合指向准确度≤0.1°.基于有限元分析方法确定转台结构方案、优化主要支撑件结构及合理选材,并对驱动机构与轴系对转台刚度、温度适应性和指向准确度的影响做了深入分析与计算.同时进行了整机的力学模拟试验和运动机构的高低温试验,一阶谐振频率为49 Hz,在-40 ℃ ～+80 ℃温度范围内工作正常.结果表明转台各项性能指标满足工程任务要求,具有结构紧凑、可靠性高、重量轻的特点.     

车载红外探测设备的光机结构设计

为了实现空气质量的实时监测,设计了一种车载红外探测设备的光机结构。该结构采用大孔径、无焦反射式光学系统,即高精度扫描反射镜实现了方位和俯仰0～360°扫描。通过有限元方法对系统进行静力学分析,结果满足光机结构设计要求。用锤击法对样机进行了模态测试,并对车载环境下的设备进行了振动实验。结果表明,光机结构一阶频率为52Hz,相对于车载环境的12．5Hz具有足够的动态刚度及结构稳定性,可保证该设备正常工作。     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。     

MARX发生器电流线圈的设计与实验

为测量Marx发生器输出电流, 设计了外积分式罗可夫斯基线圈。采用电容器放电的方式进行线下标定确定刻度因素, 采用盘式TEM室进行线圈的方波响应实验, 实验结果与等效电路模拟仿真吻合。线圈的响应时间为16ns。模拟仿真分析了Marx连接假负载实验中, 实测电流波形后沿衰落较快且脉冲结束后基线不回零的问题。通过调整积分器的RC时间常数, 增加线圈的低频响应能力可消除该失真。改进后的线圈实验结果与理论分析一致。     

A modified axisymmetric finite element for the 3-D vibration analysis of piezoelectric laminated circular and annular plates

A finite element is presented to analyze the three-dimensional (3-D) vibration of piezoelectric coupled circular and annular plates. The proposed finite element is a modification of a conventional axisymmetric finite element and is capable of conducting both axisymmetric and nonaxisymmetric vibration analysis of circular and annular laminated plates, with piezoelectric layers therein. The present formulation, a two-dimensional model itself, can investigate 3-D vibration of those plates for a preselected number of nodal diameters, and is therefore more economical than the conventional 3-D finite element analysis, yet still has almost the same accuracy and versatility as the 3-D analysis. In cases such as analysis of stators of traveling wave ultrasonic motors where only vibration modes with particular numbers of nodal diameters are of interest, the proposed approach is very convenient and useful.