模态分析与动态子结构方法新进展

综述在模态分析与动态子结构方法研究的一些最新进展.首先回顾经典的位移展开定理和模态叠加原理.为了加速经典方法的收敛速度、提高计算效率, 进一步介绍两个新的结构位移展开定理(采用固定界面模态的位移展开新定理, 给出采用低阶固定界面模态的高精度位移展开式;采用混合模态的位移展开新定理, 给出采用低阶混合模态表示的高精度位移展开式)和相应的动力学新解法.相应上述3个位移展开定理, 介绍采用解析推导的方法构造出3类动态精确子结构方法, 各种子结构模态综合法实质上都是它们的某种近似与变化形式, 从而形成系统的动态子结构分析技术.上述介绍的模态分析与动态子结构方法新进展与经典模态分析技术一起形成结构动力学分析技术的系统理论.      

子结构Ritz向量综合法

讨论了在动态子结构法中应用静态Ｒｉｔｚ向量替代模态向量时所应考虑的基本问题，即如何合理地定义荷载空间分布向量｛ｆ（ｓ）｝，以避免在子结构中出现低阶模态不连续分布的情况。文中给出了在自由子结构和约束子结构内进行Ｒｉｔｚ变换的一般形式及修正公式。算例表明：应用子结构Ｒｉｔｚ向量综合技术能有效地提高线性结构模态分析的计算效率     

基于键合图法的多个子结构自由界面模态综合法研究和应用

将键合图方法用于动态子结构研究,提出了一种求解多个子结构自由界面模态综合法的新方法。通过一系列物理和数学上的分析,详细推导出多个子结构自由界面模态综合法的计算过程。在本文给出的算例中,基于键合图方法的自由界面模态综合法,通过建立各个子结构的状态空间方程,计算子结构相应的特征值矩阵和振型矩阵;这些子结构在进行模态综合后,获得整体结构的特征值矩阵和振型矩阵,该结果和原来整体结构完全相同,这进一步说明了本文提出的新方法的正确性。运用本文提出的方法建立状态空间方程,在子结构的模态综合过程中,不会产生系统特征值的增失根问题,确保了子结构在综合后其整体结构模态信息的完整性。     

航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

结构模态分析的有限元并行模拟

以子结构模态综合分析为基础,提出一种求解大型结构特征值问题的并行解法．采用子结构模态综合算法,结构特征模态采用子空间迭代方式并行求解．这种子空间迭代法的子结构并行计算的实施是利用子结构的刚度阵和质量阵而不必完全组集系统刚度阵和质量阵求解综合系统的特征值问题．数值结果表明这种求解大型结构特征值问题的并行算法是可行有效的．     

MSAP程序编制研究简报

为了适应广大SAP程序用户的需要,使模态综合技术在工程界发挥卓越的成效.我们从1983年开始以SAP5程序的动力分析部分功能为基础,加入固定界面法模态综合技术编制MSAP程序.这是一个具有绘图功能的固定界面法模态综合通用程序,规划引入SAP5程序的单元库、绘图功能、带宽优化等功能,同时增加了刚体模态的移频法求解,克服了SAP程序求自由悬浮子结构刚体模态上的困难. 去年完成的MSAP1程序只是总体计划的第一个版本,还只是一个具有绘图功能的空间框架双子结构模态综合通用程序.该程序允许划分子结构的数目是2,没有多重子结构功能,目前单元库还只配备了采用一致质量矩阵的空间梁单元,和能对每一个子结构单独进行     

连结子结构与自由界面模态综合法在非线性动力分析中的应用

本文提出了一种由线性连接元和非线性连接元组成的连接子结构，并将这种连接子结构用于自由界面的模态综合技术。利用非线性振动理论的渐近方法，求得经模态综合法降维后系统方程的近似解析解。从而将具有连接子结构的自由界面的模态综合技术推广应用到具有局部非线性的复杂结构系统的动力分析，为利用非线性振动理论的渐近方法及动力系统理论进一步研究高维非线性动力学系统的振动特性、分岔及混沌行为创造了一种新的途径。算例表明，该方法具有足够的精度。     

基于多重多级动力子结构的瞬态分析方法

提出利用多重多级子结构技术与Newmark算法求解结构动力学方程的高精度算法.该算法利用静凝聚技术列式简单,在凝聚过程中并不引入任何近似的优点,采用子结构周游树技术,分别对每个子结构求解Newmark等效平衡方程,最后通过回代求解得到整体结构的响应.由于该算法考虑了子结构内部自由度对整体求解的贡献,算法实施不受子结构划分方式的限制,因此可以得到系统高阶模态对响应分析的影响.该算法计算精度与传统的全结构求解相当,计算效率高,消耗计算机资源少,且可构造为统一的多重多级子结构综合分析算法框架.数值算例验证了该算法的正确性和有效性.     

循环对称结构的模态参数计算方法

利用循环对称结构部件模态的等同性，推求了循环对称结构中的混合型动态子结构法的综合方程。     

组合神经网络在结构损伤检测中的应用

子结构的动态响应变化与整体结构相比,对结构内部损伤反应更为敏感。组合神经网络可以克服单个神经网络功能的单一局限性,实现更加全面综合的仿真识别功能。本文首先运用双协调自由界面模态综合法对结构进行模态分析,获取各子结构及整体结构的模态信息。然后,通过组合BP神经网络将损伤子结构与整体结构的模态频率变化率组合起来进行结构损伤检测。该方法在改善网络训练性能的同时,提高了检测结果的准确性和可靠性。文章最后通过数值算例验证了该方法的可行性和有效性。     

电动汽车电驱动系统振动特性分析

论文以某电动汽车为研究对象,采用理论与数值相结合的方法对电动汽车电驱动系统的振动特性进行研究．首先将整车模型划分为转子、定子、副车架、车身子结构及多个连接子结构;然后给出了电驱动系统电磁转矩和电磁径向力的解析表达式,采用模态综合法建立整车的非线性动力学模型,并对其响应特性进行分析．为了验证模型的正确性,论文还采用有限元法对系统的动力学特性进行仿真,仿真结果与理论结果具有较好的一致性;最后采用该模型分析了极弧系数和气隙长度对电驱动系统振动特性的影响以及电机悬置对车身振动的影响．论文研究对认识电动汽车电驱动系统的振动特性具有重要的促进作用．     

具有连接区的混合子结构模态综合法

本文提出具有连接区的间接对接的混合界面子结构模态综合法，讨论了位移协调和力与位移双协调两种对接模式。     

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。     

Numerical method in dynamic response of nonlinear systems

A kind of modal synthesis techniques, which is applicable to vibration analysis for linear substructures with nonlinear coupling attachments, has been extended to nonlinear dynamic analysis of large complex structural systems^[9]. In this paper, a process is suggested to dynamic analysis of large complex structural systems with nonlinear characteristics of each substructure. At the end of this paper, an example shows the defendable accuracy of the results and high efficiency of this process.This paper was collected in Proceedings of Symposium on Nonlinear Mechanics, Vol. IV, 1982, Wuxi, China (in Chinese).     

混合界面直接分支模态综合法

在直接分支模态综合法(本质上属自由界面模态综合法)的基础上,提出并深入研究了混合界面直接分支模态综合法。混合界面法将复杂庞大的结构取做主体部件,而将与此主体部件相连的其余部分视为分支部件。对主体部件采用自由界面,分支部件则采用固定界面。各子结构之间完全独立计算,并且通过计入主、从子结构的剩余模态矩阵的办法来补偿所舍去的高阶模态分量,保证了计算精度。本方法从工程应用的实际出发,通过模拟航空发动机机匣管路系统的数值算例,验证了混合界面法的正确性。     

子结构物理参数的一种识别方法

本文基于复模态综合和优化技术,提出一种子结构物理参数识别方程。该方法利用复模态综合在广义坐标下建立物理参数识别方程,然后将物理参数识别化为优化问题求解。给出了一台钻床的子结构物理参数识别实例来说明方法的有效性.     

Hybrid (numerical-experimental) modeling of complex structures with linear and nonlinear components

The present work investigates the performance of two systematic methodologies leading to hybrid modeling of complex mechanical systems. This is done by applying numerical methods in determining the equations of motion of some of the substructures of large order mechanical systems, while the dynamic characteristics of the remaining components are determined through the application of appropriate experimental procedures. In their simplest version, the models examined are assumed to possess linear characteristics. For such systems, it is possible to apply several hybrid methodologies. Here, the first of the methods selected is performed in the frequency domain, while the second method has its roots and foundation in time domain analysis. Originally, the accuracy and effectiveness of these methodologies is illustrated by numerical results obtained for two complex mechanical models, where the equations of motion of each substructure are first set up by applying the finite element method. Then, the equations of motion of the complete system are derived and their dimension is reduced substantially, so that the new model is sufficiently accurate up to a prespecified level of forcing frequencies. The formulation is developed in a general way, so that application of other methods, including experimental techniques, is equally valid. This is actually performed in the final part of this study, where experimental results are employed in conjunction with numerical results in order to predict the dynamic response of a mechanical structure possessing a linear substructure with high modal density, supported on four substructures with strongly nonlinear characteristics.     

The nonlinear vibration analysis of a clamped-clamped beam by a reduced multibody method

The nonlinear response characteristics for a dynamic system with a geometric nonlinearity is examined using a multibody dynamics method. The planar system is an initially straight clamped-clamped beam subject to high frequency excitation in the vicinity of its third natural mode. The model includes a pre-applied static axial load, linear bending stiffness and a cubic in-plane stretching force. Constrained flexibility is applied to a multibody method that lumps the beam into N elements for three substructures subjected to the nonlinear partial differential equation of motion and N-1 linear modal constraints. This procedure is verified by d'Alembert's principle and leads to a discrete form of Galerkin's method. A finite difference scheme models the elastic forces. The beam is tuned by the axial force to obtain fourth order internal resonance that demonstrates bimodal and trimodal responses in agreement with low and moderate excitation test results. The continuous Galerkin method is shown to generate results conflicting with the test and multibody method. A new checking function based on Gauss' principle of least constraint is applied to the beam to minimize modal constraint error.     

Mode identification of a rotating disk

A modal testing method permitting identification of the natural frequencies, the number of nodal diameters and wave motions in a rotating disk is presented in this paper. This method is applicable at arbitrary rotation speed without requiring a priori information about the vibration modes of the stationary disk. The influence of disk rotation speed on the prediction of mode shapes with this method is shown, and experimental predictions of modal parameters are presented for both axisymmetric and asymmetric disks.