大型离心叶轮振动模态局部化特性研究

为了研究目前工程中大型流体机械离心叶轮出现的局部疲劳破坏的机理,基于现有的有限元分析方法,结合模态分析等动力学理论以及叶轮所承受的气流激励,对其动力学特性进行了研究。着重研究了离心叶轮这类周期循环对称性结构具有的不同于非周期循环结构的特殊动力学性质以及该特殊的动力学特性与叶轮疲劳破坏的联系。研究发现其存在频率通带(passbands)、频率禁带(stopbands)现象,并出现了振动模态局部化现象。另外,叶轮的动力学特性对其周期性结构失谐特别敏感,该类失谐可来自由制造误差、材料和使用中磨损出现的不均匀等多种因素。对于协调结构,在一定条件下(如系统具有高密集模态),很小的失谐量(1%)就可使结构振动模态产生急剧变化,从而出现振动模态局部化现象。对于所研究的机组,当进口预旋器导致的流体激振频率(1166.7Hz)接近叶轮的由第12阶～18阶固有频率组成的禁带(1020.3～1054.5 Hz)时,数值分析结果显示叶片进口部位出现了振幅较大的振动,与该机组实际破坏的部位相符。研究结果表明所使用的振动模态局部化分析方法能够揭示叶轮发生疲劳破坏的原因,即是一类共振型疲劳破坏现象。     

简谐荷载下橡胶隔震渡槽-水耦合体共振响应机理分析

采用计算流体力学（CFD）方法分析了在简谐激振作用下橡胶支座隔震渡槽槽-水耦合体的共振响应特性,并通过基于水体小幅晃动假设的槽水动力响应理论解进行了验证。结果表明：橡胶支座能将激振的高频分量隔离掉,使得槽-水耦合体不存在理论解所显示的高频共振问题;在接近水体一阶晃动频率的情况下容易发生共振响应;在以一阶水体自振频率的激振作用下,液面波高、动水压力、倾覆力、倾覆力矩均表现出随时间增长的共振放大现象,并且橡胶支座对耦合体的动力响应周期有一定的延长作用。本文对渡槽隔震设计选择隔震周期时,需要避开水体一阶晃动频率提供了参考依据。     

圆形月池流激振荡实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析方法和对比研究的实验方 法,实验研究了圆形月池在均匀流条件下的流激振荡特性. 通过实验研究发现,尽管腔内的 流体在不同来流的条件下运动趋势有所不同,但归纳起来对于月池结构,其内部存在两类振 荡源,一类是腔内流体的固有振荡,该频率与腔体结构形式、尺寸、腔内流体深度有关,与 来流无关;另一类则是流体流经腔口时产生的流体动力振荡,该频率与来流特性、速度有关. 当二者频率相近时将会激起腔内流体的共振,即会有``活塞(piston)'现象产生. 实验中,还在腔体侧壁上布置了压力传感器,用来分析腔体侧壁受到的流体压力特性及 其变化趋势.     

柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性

涡激振动是诱发海洋立管、浮式平台系泊缆和海底悬跨管道等柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素.目前,海洋工程中用于柔性圆柱涡激振动预报的流体力系数主要来源刚性圆柱横流向受迫振动的实验数据,存在一定缺陷和误差.本文综合考虑横流向与顺流向振动耦合作用,建立了柔性圆柱涡激振动流体力模型,运用有限元法和最小二乘法确定升力系数、脉动阻力系数和附加质量系数.为了准确识别柔性圆柱涡激振动流体力系数,设计并开展了拖曳水池模型实验,实验用柔性圆柱模型的质量比为1.82,长径比为195.5.通过与刚性圆柱流体力系数对比,深入分析了柔性圆柱流体力系数的特性.结果表明:柔性圆柱在一阶模态控制区,流体力系数随约化速度变化趋势与刚性圆柱大致相似;二阶模态控制区,升力系数和脉动阻力系数显著增大;附加质量系数在响应频率较低时与振动位移的相关性增强;当响应频率较低时,振动位移较大区域为能量耗散区,当响应频率较高时,振动位移较大区域为能量输入区.     

复合材料薄壁圆柱壳内共振的受迫响应

采用多尺度法分析复合材料悬臂圆柱壳考虑内共振的受迫振动。建立考虑动态弹性模量、阻尼、几何非线性时系统的振动方程;利用Galerkin方法将时间扣空间变量进行分离,然后应用多尺度法推导出内共振条件下系统的频率．振幅方程;通过算例获得了系统参数变化导致复杂非线性振动响应变化的规律。理论分析发现：由于所采用的两个轴向模态相距较近,引起了能量在两个模态之间相互传递,系统存在1：1内共振现象;相比较而言,激振力大小对系统内共振下的复杂振动响应影响比较大,而阻尼的变化对其影响则很小。     

重型车驾驶室结构特性仿真分析与研究

针对某重型车驾驶室结构特性分析与优化的问题进行研究,采用CATIA软件对驾驶室进行几何建模,利用HYPERMESH软件建立有限元模型,并进行自由模态仿真分析;利用试验模态和计算模态分析对比的方法,验证了有限元模型的有效性;结合此款驾驶室的承载特点,利用MSC.Patran/Nastran对驾驶室的弯曲和扭转工况进行刚度和强度仿真计算,利用Fatigue对扭转工况下驾驶室的疲劳强度进行仿真计算,给出了驾驶室的易疲劳破坏位置。研究结果表明:驾驶室固有频率为37.826Hz,避开了激振频率,避免了共振现象;在扭转、弯曲两种工况下,驾驶室产生的最大应力分别为108MPa、38.8MPa,均小于材料许用应力,弯曲、扭转刚度满足要求,驾驶室抵抗变形的能力较好,结构设计合理。     

六面体柔性桁架多体结构的模态测试实验研究

采用半正弦冲击波形，通过内力激振的方法对六面体空间柔性格架结构进行了模态实验研究，得到了系统的前四阶固有频率和模态振型。比较实验结果与理论计算结果，二者能够很好的吻合，验证了理论计算方法的正确性。实验结果表明采用内力激振的方法能够有效的激起结构的固有频率，所得的振动参数可为下一步空间柔性格架振动主动控制提供直接依据。     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

核反应堆吊篮流致随机响应研究

讨论反应堆吊篮结构在流体脉动压力作用下的随机响应。基于吊篮缩比模型的试验实测流体脉动压力时程数据，建立了吊篮结构随机响应的模态分析方法，并以秦山核电机组吊篮结构为例进行了算例。     

斜拉索模态试验参数研究

试验模态分析是斜拉桥索力测试中广泛应用的方法。该方法的关键之一是采取合理的试验方案获取可靠的响应信号以识别出正确的索振动频率。本文通过试验,详细讨论了斜拉索模态测试中若干试验参数,如激振类型、激振位置、传感器位置以及频率分辨率对试验结果的影响;比较环境激励与锤击激励的效果,验证了环境激励的方法也可以准确识别索的频率;最后给出了较为合理的斜拉索模态试验方案,用该方案确定的索力与理论计算结果相差不超过 1. 5%。     

离心式风机转子叶片上脉动力分析

本文由薄翼阵风响应理论建立了任意频率和相位谐振动的二维离心式叶轮叶片上不稳定脉动力及力矩的计算模型，利用声辐射方向可予测离心风机叶轮的辐射声功率。采用自由声场法对离心风机噪声进行了实测，实测值与子测值吻合较好。     

Fatigue cracking and its influence on dynamic response characteristics of spot welded specimens

X-ray imaging has been used to determine the fatigue crack growth behavior and failure mechanisms of spot welded specimens. Cracks critical to final failure of the tensileshear specimens studied are through-thickness plate cracks, which are usually initiated about 0.2–1.0 mm away from the edge of the nugget. In addition, frequency response functions (FRFs), obtained by impact hammer-accelerometer experiments throughout the fatigue process, show that the natural frequencies of these joints nonlinearly decrease with the growth of fatigue cracks. The three-dimensional finite-element analysis results for FRFs of uncracked and cracked spot welded joints are shown to be in good agreement with the experimental data. It is also shown that the fatigue cracks have different degrees of influence on different natural frequencies because of the location of cracks and vibrating modes. The results by both experiment and finite element analysis indicate that analysis of the variation of natural frequencies and vibrating modes may be used to study the fatigue crack propagating shape and the location of the fatigue crack.     

金属连接导管振动疲劳极限测试方法研究

为确定滚压和焊接钛合金导管的振动疲劳极限寿命,采用HB5277-84规定的振动疲劳试验方法和失效准则。分别利用激光位移传感器和电阻应变片测定了试件的第一阶频率和规定加速度载荷激励下的试件悬臂端位移及试件根部的应变。试验发现：对于具有连接特性的试件在进行定频振动疲劳试验初期,试件第一阶响应频率快速下降,此时试件并未发生裸眼可见破坏和裂纹。为满足产品定寿要求,采用逐级增加试验载荷进行扫频振动试验,直至试件频率稳定以及根部应变和端部位移达到试验要求后,再进行正式定频振动疲劳试验,仍采用依据频率下降1%作为失效准则完成了所用规定试验。     

航空发动机钛合金材料的高周和超高周疲劳性能研究1）

通过对航空发动机空心风扇叶片用Ti-6Al-4V 随炉试样的高周和超高周疲劳试验研究,揭示了Ti-6Al-4V 材料在10⁷ 循环周次以上同样会发生疲劳破坏. 采用三参数幂函数寿命曲线拟合了高周和超高周的疲劳性能数据,发现可以较好地将两种试验下的数据衔接起来,结果显示在此试验条件下基于超声的超高周疲劳试验的频率效应可以忽略. 通过断口分析表明,超高周试样在试样表面没有缺陷的情况下,裂纹大多数是从材料内部或次表面萌生,而高周疲劳试样的裂纹是从材料表面开始萌生.     

飞机典型结构件的声疲劳实验研究

飞机典型结构件为蒙皮、框和长桁组成的双向双加筋的九格壁板结构.利用高声强行波管系统,以典型试件中心格的第一阶频率为中心、1/3倍频程为带宽的窄带随机谱激励,再现壁板结构的声疲劳破坏方式.通过原始状态的典型试件的两次预试验,发现了原典型结构件的设计缺陷.采用三种方式对原结构框的两端进行了支持加强,得到各种支持状态下的声疲劳破坏形式.     

超声疲劳试验方法及其应用

超声疲劳是一种加速的疲劳试验方法,它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(小于200Hz)．超声疲劳试验研究表明50^#车轴钢和40Cr钢直到10^10个应力循环后仍会发生疲劳断裂,并不存在常规疲劳试验曲线所示的“疲劳极限”,因此用10^7周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不安全．50^#车轴钢和40Cr钢超声疲劳性能优于常规疲劳性能．扫描电镜分析表明,超长寿命阶段50^#车轴钢裂纹萌生于次表面夹杂．介绍了超声疲劳试验系统、工作原理及超声疲劳试样的设计．     

The effect of frequency and sample shape on fatigue behaviors of DZ125 superalloy

The effect of frequency and sample shape on fatigue behaviors of DZ125 superalloy are systematically studied. The results show that fatigue fracture still occurs above the cycle of 10⁸ for tests carried out at the frequency of f = 20 kHz and stress ratio R = ?1, so the traditional fatigue limit at cycle of 10⁷ is not appropriate for fatigue design. Fatigue fracture surfaces are perpendicular to stress axis for cylindrical and plate specimens, and the fatigue cracks originate from the extra surface of the specimens. Fatigue crack is apt to propagate from cutting direction to forward direction, which occurs mainly in the second propagation stage at higher stress amplitude. There is an obvious frequency effect for DZ125 superalloy. The higher the test frequency is, the more serious the effect of frequency on fatigue behaviors of the alloy. After the frequency correction, the ultra-high cycle fatigue S-N curve well coincide with the traditional fatigue S-N curve.     

金属管线高温环境下的断裂失效分析

超燃冲压发动机燃烧室试验台配置了大量金属管线,煤油作为燃料和冷却介质在其中输运,在实验过程中发生管线早期断裂失效,对此开展了分析。首先利用三维体视显微镜与扫描电镜进行了断口观察与分析,表明管线的开裂起源于焊缝根部,具有典型的多源起源特征;裂纹源区具有蓝色半圆形特征,表明存在焊接裂纹。同时,断口呈现明显的疲劳辉纹,间距为亚微米量级。根据辉纹间距与管材壁厚以及使用寿命分析,确定了疲劳载荷的频率范围;根据理论公式与有限元模态分析对管线的自振频率进行了估算,其结果与断口分析的结果吻合良好。以上研究结果表明管线断裂是典型的振动疲劳失效导致的。为此,建议在管线中部增加固定点约束,改变管线的自振频率以降低振幅,并改进焊接工艺,提高管线焊接质量。基于以上措施,有效解决了管线的早期断裂失效问题。     

Nonlinear Parametric Vibrations of an Elastic Structure with a Rectangular Liquid Tank

The nonlinear coupled vibrations of an elastic structure and liquidsloshing in a rectangular tank partially filled with liquid, are investigated.The structure on which the liquid tank is attached is vertically subjected to a sinusoidal excitation when the natural frequency of the structure is equal to twicethe natural frequency of one of the sloshing modes. In the theoretical analysis, the modal equations are derivedby taking nonlinear fluid force into account. Responses of the structure and the liquid surface are presented asresonance curves using the harmonic balance method. From this theoreticalanalysis the following predictions are obtained: (a) due to the nonlinearity of the fluid force, harmonic oscillations appear in the structure, while subharmonic oscillations occur on the liquid surface; (b) the shapes of the resonance curves markedly change depending on the liquid level; and (c) when the tuning condition is slightly deviated, amplitudemodulated motions and chaotic oscillations appear during a certain range of the excitation frequency. These were qualitatively in agreement with the experimental results.     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该形式下构件的寿命评估需求.针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接件的疲劳寿命.结果表明:(1)裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2)基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT(Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于±2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3)在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大.