旋翼激励下直升机振动响应预计及实测对比

旋翼激励是直升机振动的主要源头,影响直升机驾驶员操纵性、机上人员舒适性及结构疲劳寿命。振动问题一般在试飞过程中暴露出来,问题处理和解决往往需要大的周期和代价,影响直升机研制。直升机振动响应预计是解决振动问题的主要手段之一,可以在早期发现振动问题,方便在型号研制早期开展优化设计或解决预案。本研究基于机体动力学仿真模型,以固定坐标系下的桨毂中心振动载荷作为输入,得到机体关键位置的振动响应,形成旋翼激励下直升机振动响应预测的方法。通过某直升机在尾桨激励下关键位置响应预计与实测数据对比分析,表明该方法得到的振动响应随速度的变化规律与实测数据一致,精度满足工程需要。该方法在新机振动响应分析、振动问题排查及振动控制方案制定等工作中具有较高的工程价值。     

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

基于响应面方法的破损-安全结构可靠性拓扑优化

传统结构由于缺少冗余,忽略了不确定性因素的影响,更容易受到局部刚度损失的影响,文章针对载荷不确定性下破损-安全结构的设计问题提出了一种有效的基于响应面的可靠性拓扑优化方法,以提高结构的安全性,确保结构在发生局部破损时仍能满足服役性能及可靠性要求.为此,建立了柔度概率约束下的结构体积比最小化的双循环可靠性拓扑优化模型,其中内层循环实施可靠性分析,外层循环实施拓扑优化.为了有效处理可靠性分析中响应函数关于随机变量的导数计算高成本问题,基于响应面方法建立了响应函数关于随机变量的显式表达式.详细推导了响应函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐近线方法(method of moving asymptotes, MMA)对优化问题进行求解.将基于响应面的可靠性拓扑优化方法与基于解析导数的方法作对比,并实施蒙特卡洛仿真验证了所提方法的有效性和优越性,讨论了随机载荷标准差对优化结果的影响.结果表明,本文方法可以有效设计满足指定可靠性水平的破损-安全结构,优化后结构可靠性指标的相对误差不超过1.3%,另外基于响应面的可靠性设计方法相对于基于解析导数的可靠性设计方法可节省约74%的可靠性...     

内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制.采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验.结构轴向变形分为3个区:大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区.在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下,提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法.通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型,探索结构能量耗散机制.通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制,结合内外管的弯曲变形及芯层压缩,给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解.以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集.进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响.结果表明:内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大,而芯层厚度和外管壁厚的影响较小;如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时,具有较好的抗爆性;数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.     

基于SBES方法的压气机叶片动态载荷研究

针对RANS湍流模型对流场中分离涡的模拟精度不足,导致无法准确计算出分离涡引起的叶片动态载荷问题,本文采用混合RANS-LES湍流模型中的SBES方法,对带进口导叶的NASA Stage67压气机进行了流固耦合数值模拟,研究上游叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡引起的压气机叶片动态载荷及气弹响应特征,并将SBES方法和SST湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,SBES方法相比SST湍流模型能更准确地模拟出叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡的详细结构,计算的叶片表面动态载荷波动特征更加复杂,频谱中频率成分更加丰富。两种湍流模型计算的导叶尾迹扫掠引起的转子叶片高频气弹响应幅值相近,而在计算流场中大尺度分离涡引起的叶片低频气弹响应幅值上存在很大差异。     

PP/PA共混高聚物在冲击载荷下的热粘弹性力学响应

采用Instron1342液压伺服试验机和改进的SHPB技术对2种不同相容剂和重量比的4种PP／PA共混高聚物进行了应变率在10^-4～10^3s^-1宽广范围,温度为25℃、40℃、60℃、80℃下的一维应力力学性能试验．结果表明这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感的．在准静态时,以PP-g-MAH作相容剂的PP／PA三元体系的应力幅值要高于用TPE-g作界面相容剂的PP／PA三元体系,而在承受冲击载荷下,TPE—g作相容剂的PP／PA三元体系比PP-g-MAH作相容剂的三元体系更有韧性,而在相容剂相同的条件下,随着相容剂质量比重的增加,使得尼龙粒子分布的更加均匀,虽然降低了一定的强度,但提高了韧性,以113材料为例,由其从10^-4～10^3s^-1宽广应变率范围内,20～80℃下的试验数据为依据,以“朱-王-唐”非线性粘弹性本构方程来描述这类PP／PA共混高聚物的力学响应,并拟合得到了其热粘弹性本构参数,理论预言与实验结果在应变小于7％时吻合良好．     

多约束膜结构截面优化及在MSC/Nastran上的程序实现

将准则法和数学规划法相结合,借助满应力准则将应力约束转化为动态尺寸约束,利用单位虚载荷法将位移约束转化为设计变量的显式表达式建立优化模型,然后用数学规划法求解;采用无量纲设计变量实现设计变量连接,对膜结构的厚度进行优化设计;根据对偶理论,应用对偶规划精确映射原问题,再按泰勒展式建立对偶问题的二阶近似。为了提高优化效率,采用射线步调整结构性态,运用粗选有效约束技术筛选约束,并采用主、被动变量循环确保收敛稳定。以MSC／Nastran软件作为结构分析的求解器,以MSC／Patran软件作为开发平台,完成了膜结构截面优化程序。对膜结构的单变位、多变位的结构优化问题进行了优化计算,并与MSC／Nastran优化模块的计算结果进行比较。算例结果表明程序的可靠性、高效性和稳定性以及理论算法的优越性。     

内压、弯扭耦合载荷下连续管疲劳寿命评估

针对连续管在作业中易出现疲劳失效等问题,进行了连续管在内压、弯扭耦合加载下疲劳寿命评估。首先分析了耦合加载下连续管低周疲劳失效机理,基于Brown-Miller疲劳寿命模型建立了连续管疲劳寿命数值计算模型,开展了内压和弯曲加载下连续管疲劳实验,实验结果证实该数值模型是可行的。计算了内压和弯曲耦合加载下连续管低周疲劳寿命,以及内压和弯扭耦合加载下连续管低周疲劳寿命。计算结果表明,连续管最大塑性应变和疲劳敏感区出现在轴向拉伸面和压缩面,与现场连续管失效情况是一致的。通过计算得到了连续管安全服役的临界扭矩值和内压值。     

周期载荷下Nb3Sn温度裕度及变形研究

国际热核聚变反应堆ITER和国内聚变工程实验堆CFETR装置上的CICC运行于复杂的电磁环境中,为应对12 T及更高电磁场的影响,其上的中心螺线和环向磁体已采用Nb_3Sn超导材料,作为A15型的Nb_3Sn材料对应变变化较敏感。而应变下温度裕度和变形等是影响低温(4.2/4.5 K)下超导体稳定运行的重要参数,为获得真实运行情况下磁场与电流产生的电动力所导致的周期应变对温度裕度等的作用,本文采用周期电磁载荷来模拟应变作用,利用温度裕度与刚度的数学计算方法,对Nb_3Sn超导体的温度裕度和变形进行测试对比分析。结果显示分流温度和温度裕度随载荷周期增加而减小,其中分流温度在1～1 000载荷周期快速变小,温度裕度在2 000～3 000载荷周期急剧减小;同时载荷周期导致股线刚度减小和股线变形增加。由此可见,载荷周期产生的应变导致Nb_3Sn性能退化降级。     

基于改进粒子群的薄壁变截面刚架临界载荷优化算法

针对大型变截面薄壁结构的稳定问题,以一类任意约束对称结构受非对称载荷的单跨刚架为研究对象,结构拆分为相关铁木辛柯（Timoshenko）梁,结合差分原理和最优化方法,以每段刚架的每个离散点挠度、临界载荷、轴力、剪力和梁端弯矩为设计变量,建立求解满足边界条件的非线性差分方程模型,提出基于优胜劣汰粒子更新的粒子群（IPSO）临界载荷优化算法。运用JAVA编程语言编制对应优化程序,分析典型算例并核实ABAQUS仿真结果。研究表明,本文提出的优化算法获得了有效的变形位型和高精度的临界载荷计算,能更好地描述刚架受力下位型和载荷的力学关系,进一步为工程设计与分析提供支持。