基于修正的Craig-Bampton法的大长径比助推器分离特性研究

在芯级周围布置助推器是提升运载能力的有效手段。对于长径比较高的助推器,结构呈现明显的局部弹性效应,这将对助推器分离的安全性产生影响。针对传统Craig-Bampton方法无法适用于大范围运动弹性体的不足,本文采用修正的Craig-Bampton法获得系统的正则化模态,使研究对象的所有模态与频率一一对应,实现分离体大范围刚体运动与弹性变形的有效耦合。基于该方法开展柔性多体动力学仿真,获得了不同模态阶数和结构刚度的弹性助推器分离系统的分离特性。研究结果表明,与传统的刚体模型相比,考虑助推器弹性效应的分离动力学模型更加贴近真实飞行情况。基于此,获得了各阶模态和结构刚度对分离安全边界的影响规律,其中以一阶横向模态最为敏感。通过研究弹性助推器的分离特性,为运载火箭助推器分离系统的工程实际应用提供理论参考和研究支撑。     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

求解非定常空气动力学的分离变量法

本文使用分离变量法求解非定常流动。消去了时间变量,建立了三维和二维的非定常流动的分离变量以后的位势方程,作为算例计算了通风机蜗壳中的声场,得到了共鸣和不共鸣两种情况下的结果。     

防风网透流风空气动力学特性大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立不可压缩粘性流体运动的大涡模拟模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,并引入浸入边界法(IBM)实现无滑移固壁边界条件,对雷诺数30~30000之间防风网透流风进行模拟研究。基于模拟结果,提出蝶型防风网透流风存在4个典型分区结构,流场中存在由蝶型形态引起的大尺度分层剪切流动,加强流体动能耗散。透流风在雷诺数300时发生层流至湍流的转捩,而在雷诺数增长至3000以上时,湍流充分发展,纵向流速脉动强度可达70%。防风网整体空气阻力远大于单个孔口射流阻力的线性叠加,射流间的相互作用以及大尺度的分层剪切结构大大增加流体阻力损失,这为通过优化孔口布置和网板形态来节省材料提供了科学依据。     

多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法

针对多体系统的非线性受约束动态优化设计通用模型,基于连续可微目标函数和一阶、二阶灵敏度分析给出多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法.其中基于多体系统动力学方程的一阶设计灵敏度采用伴随变量方法进行计算,二阶设计灵敏度使用混合方法进行计算,在设计变量较多时具有较高的计算效率.最后对曲柄-滑块系统数值算例使用增广Lagrange乘子方法进行约束优化,通过对使用不同方法进行一阶灵敏度分析和二阶灵敏度分析所得的最优值、迭代次数及运行时间的比较,得出一阶灵敏度分析中使用变尺度方法效率较高,而使用二阶灵敏度分析可以进一步提高优化效率.     

基于等几何边界元法的声学敏感度分析

基于非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模技术,边界物理量同样用NURBS基函数插值,推导出三维声场等几何边界积分方程。进一步以控制点为设计变量,用直接微分法推导出等几何敏感度边界积分方程,给出声场声压对形状参量的敏感度。针对边界积分方程中的超奇异积分,使用奇异相消技术并结合Cauchy主值积分和Hadamard有限部分积分处理,给出了超奇异积分的NURBS插值半解析表达式。数值算例验证了本文算法求解声学结构形状敏感度的有效性,为声学结构的整体形状优化打下基础。     

深海多立柱浮式平台涡激运动特性研究

基于不可压缩纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和改进的延迟脱体涡模拟方法(improved delayed detached edd ysimulation method,IDDES),数值研究了深海多立柱浮式平台在海流作用下的涡激运动响应特性.以张力腿平台为对象,计算了该平台在0°,22.5°和45°流向角下的横向和艏摇涡激运动响应,分析了涡激运动响应幅度、频率比随约化速度的变化规律,研究了涡激运动响应能量的分布趋势.数值预报结果与模型实验数据吻合良好,证实了数值模型的有效性;研究发现,当约化速度介于7.0和14.0之间时,横向运动发生锁频,运动幅值稳定在0.2D~0.4D(D为立柱宽)之间,而艏摇涡激运动和约化速度呈线性递增关系;在横向运动锁频区间内,由于艏摇激振力矩主要受升力主导,艏摇频率与横向运动频率相同;相对于0°来流,22.5°和45°流向下的涡激运动频率更高,但艏摇运动能量仅为0°流向角下的10%.基于计算结果,进一步分析了多立柱平台涡激运动中的三维流场结构.      

约束多体系统的基于离散零空间的隐式龙格库塔法

将离散零空间理论应用于多体系统动力学方程的数值计算,可降低多体系统动力学方程的维数。通过给出离散零空间理论与IRK法相结合的一般数学框架,提出了多体系统动力学的基于离散零空间理论的IRK法。数值算例表明：该算法可获得较满意的数值结果,约束违约程度很小,三种积分算法算例的范数均在10^-16之内。     

多柔体系统响应计算的子循环计算方法研究

过去近30年中,柔性多体系统动力学研究取得了巨大的进展,人们的兴趣集中在柔性多体系统建模、计算及实验研究等3个方面. Belytschko等于1979年提出的子循环算法已经成功地应用于结构动力响应的有限元计算中,然而有关柔性多体动力学的子循环算法研究尚未见报道. 该文提出了一种适合于柔性多体系统响应计算的中心差分类子循环算法,在将非线性微分-代数混合方程组(DAEs)缩并为纯微分方程组(ODE)的基础上,推导出快、慢变分量的同步更新公式和子步更新公式;在变量的数值积分过程中,采用能量平衡计算检查算法的稳定性;算例结果表明该算法可以在保持合适的精度要求下,有效地提高响应的计算效率;对积分步长进行摄动修正可以保持算法的稳定性.      

基于信号分解和切比雪夫多项式的多体系统区间不确定性分析方法

参数的不确定性会对多体系统动力学响应产生显著影响, 区间分析方法只需根据不确定性参数的边界信息, 便可实现在多体系统动力学分析中考虑参数的不确定性. 考虑区间参数不确定性, 采用切比雪夫区间方法(Chebyshev interval method, CIM)在分析多体系统动力学响应时, 随着时间的增大, 响应边界精度会越来越低. 为解决CIM的这一问题, 本文将信号分解技术与切比雪夫多项式结合, 采用切比雪夫多项式分别对HHT变换(Hilbert-Huang transform, HHT)和局域均值分解(local mean decomposition, LMD)得到的瞬时幅值和瞬时相位近似, 提出CIM-HHT方法和CIM-LMD方法, 以获得含区间参数的长周期动力学响应边界. HHT和LMD分解能够将多体系统的多分量响应分解为多个单分量和一个趋势分量(残余分量)之和, CIM-HHT和CIM-LMD对每个分量的瞬时幅值和瞬时相位、和趋势分量采用切比雪夫多项式近似, 进而建立系统响应的耦合模型, 可以得到系统的动力学响应边界. 最后, 考虑单摆和曲柄滑块机构中的参数不确定性, 验证了CIM-HHT和CIM-LMD方法的有效性. 结果表明, 相比CIM, 在长周期区间动力学响应分析中CIM-HHT和CIM-LMD能够获得较准确的结果. 此外, 相比CIM-HHT, CIM-LMD具有更弱的末端效应, 计算精度更高.      

基于Monte-Carlo方法的结构系统可靠度计算及敏度分析

基于可靠性分析理论,将结构失效概率对随机变量均值的敏度表示成失效概率与正则化随机变量在失效域上期望的乘积,并利用敏度分析的结果给出了结构线性等效安全余量的表达式.通过等概率转换,使得该方法可以应用于服从任意分布的随机变量.该方法在给出失效概率的同时,能够给出失效概率对随机变量均值的敏度,而无需重新对结构进行计算,提高了...     

基于控制响应的时变系统模态参数辨识的改进子空间方法

提出了一种基于系统控制信号激发的响应数据来辨识时变系统模态参数的改进子空间方法。该方法以系统控制响应信号建立系统的状态空间输出方程并构造了一个广义Hankel矩阵,通过对该矩阵做奇异值分解(SVD),用广义能观阵的估计代替输出矩阵,然后利用奇异值矩阵的正交性,有效地降低了噪声敏感性和计算量,从而容易地辨识出等效状态下的系统矩阵,最后采用转换矩阵辨识出时变系统的模态参数。通过理论分析、仿真和实验,讨论了不同信噪比对辨识结果的影响,验证了该方法的有效性。     

三维声学特征频率灵敏度分析的边界元法

声系统特征频率的灵敏度分析为其优化设计提供了基础,具有重要意义。边界元法在声学问题的求解中具有独特优势,但因其系统方程系数矩阵的频率相关性导致的非线性特征值问题给声学特征频率的灵敏度分析带来了很大困难。为此,本文首先对非线性特征值问题进行了线性化处理,利用围道积分投影方法将非线性特征方程转换为小规模广义特征方程,然后对其关于设计变量直接求导,并引入左特征向量和转换矩阵构造了一种适用于内外声场的三维声学单/重特征频率灵敏度分析的边界元法。数值算例验证了该方法的适用性,以及对单/重特征频率灵敏度的计算精度。     

基于弧长法的受压球壳稳定性分析

对受压球壳进行特征值屈曲分析,得到了前6阶屈曲模态及线性屈曲临界载荷;采用弧长法进行非线性有限元分析,对理想球壳施加初始扰动,通过2次扰动值折半的方法求得引起结构屈曲的最小扰动值,追踪到了屈曲分支点和全过程载荷-位移路线。基于前6阶屈曲模态位移,在受压球壳中分别引入2.5mm和1mm两种缺陷值,分析缺陷对球壳屈曲特性的影响。结果表明:取壳厚的0.5%即0.05mm时,得最小扰动值,近似模型与完善结构极值载荷的差值为0.93%;球壳是缺陷敏感性结构,缺陷的幅值和分布都对其极限载荷有影响,缺陷幅值与厚度比为0.1时,缺陷球壳承载力相对理想结构下降了约11%,缺陷幅值与厚度比为0.25时,承载力相对下降了约30%,说明提高球壳稳定性需要提高球壳加工精度。     

Application of an improved boundary element method on the problem of elastic torsion

An improved boundary clement method has been used in analyzing and calculating the problems of the torsion of a prismatic bar with elliptical cross-section. In this paper the calculated results correspond with the values of boundary element method. However, the quantity of data required by the improved boundary element method is much less than that required by boundary element method, and the calculating time will be greatly reduced. Therefore, the procedure of this paper is an economical and efficient numerical computational way for solving Poisson equation problem.     

Partition method for impact dynamics of flexible multibody systems based on contact constraint

The impact dynamics of a flexible multibody system is investigated. By using a partition method, the system is divided into two parts, the local impact region and the region away from the impact. The two parts are connected by specific boundary conditions, and the system after partition is equivalent to the original system. According to the rigid-flexible coupling dynamic theory of multibody system, system＇s rigid-flexible coupling dynamic equations without impact are derived. A local impulse method for establishing the initial impact conditions is proposed. It satisfies the compatibility con- ditions for contact constraints and the actual physical situation of the impact process of flexible bodies. Based on the contact constraint method, system＇s impact dynamic equa- tions are derived in a differential-algebraic form. The contact/separation criterion and the algorithm are given. An impact dynamic simulation is given. The results show that system＇s dynamic behaviors including the energy, the deformations, the displacements, and the impact force during the impact process change dramatically. The impact makes great effects on the global dynamics of the system during and after impact.     

基于模态叠加法的航空发动机轮盘振动特性研究

以某型航空发动机轮盘为研究对象,分别通过数值模拟和试验测试获得结构特定振型下的模态参数;提出采用模态置信度开展模态振型的相关度评价;基于模态叠加法开展轮盘结构谐响应分析,并通过理论推导和数值仿真开展结构阻尼和激励量值对振动响应的影响规律研究。结果表明,在轮盘结构三节径振型处,共振频率计算结果与测试结果相差1.7%,验证了模态测试的正确性。模态振型置信度为0.999,说明模态测试与仿真结果吻合较好。通过谐响应分析得到轮盘最危险点的幅频曲线,并基于数值仿真验证了轮盘结构振动响应幅值与模态阻尼呈反比、与激励量值呈正比的理论推导的正确性。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下,采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下, 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题,优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差,约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

弹性力学平面问题的等价边界积分方程的边界轮廓法

基于边界积分方程中被积函数散度为零的特性,提出了弹性力学平面问题的等价边界积分方程的边界轮廓法,该方法无需进行数值积分,只需要计算单元两结点势函数值之差。实例计算说明,基于传统的边界积分方程的边界轮廓法所得到的面力结果是错误,而本文建立的边界轮廓法则可给出精确的结果。     

多体系统动力学方程的无违约数值计算方法

多体系统动力学方程为3阶微分代数方程,已有的约束违约稳定法存在位移违约问题,数值仿真准确性和稳定性不足。本文将求解高阶微分代数方程的降阶理论、ε嵌入处理方式与隐式龙格库塔法相结合,提出了直接满足位移约束条件的多体系统动力学方程的无违约算法,避免了约束违约问题。该方法先将多体动力学方程转化为2阶微分代数方程,并与位移约束方程联立;再应用ε嵌入隐式龙格库塔法进行数值求解。应用两种方法分别对单摆机构进行数值仿真,结果表明本文的方法不仅能适应较大步长,且准确性和稳定性均优于约束违约稳定法。