Clustered张拉整体结构的动力学建模

针对clustered张拉整体结构,提出了一种基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)法的多体动力学模型。相较于传统的拉格朗日法模型,该研究中的模型具有更为简单的运动学约束。首先,引入了一种ALE时变长度索单元,其网格节点与物质点可以独立运动,提供了一种自然的方式描述结构中运动的滑轮和滑动绳索;其次,利用达朗贝尔原理,推导了该单元的广义力向量并计算了相应的雅可比矩阵;然后,建立了张拉整体系统的动力学方程,并利用广义α算法对其进行求解,选取节点的全局位置坐标和物质坐标作为广义坐标,其中全局位置坐标可以被不同物体共享,以减少动力学方程的自由度数和消除物体间的约束;最后,展示了一个数值算例,10层可折叠张拉整体塔架,对其折叠过程进行了准静态和动力学仿真,验证了模型的有效性。所提出的模型和算法可为clustered张拉整体结构的设计提供理论指导,具有工程意义。

航空航天概论课程思政元素融入初探

航空航天概论课程旨在让学生对航空、航天及导弹技术的发展历程、基本概论、最新成果与未来的发展趋势有一个基本的了解,为今后从事航空、航天、兵器科学等相关领域的工作和研究奠定基础。本课程有完整性、专业性、时政性等特色,思政元素浓郁,具有展开课程思政试点课程的基本前提和价值,而且与习近平总书记在纪念五四运动100周年大会上的讲话内容同步,对于引导学生奋进并早日成为实现中华民族伟大复兴的先锋力量具有重要的推进作用。本文主要对航空航天概论课程全施教过程中思政元素的融入进行了一定深度的探讨。

空间机械臂碰撞过程的模糊无模型自适应振动控制

空间机械臂在执行操作任务时会面临碰撞问题,例如主动捕获或被动碰撞均会引起机械臂瞬时动量急剧变化,机械臂杆弹性振动加剧,轨迹跟踪精度降低,甚至会导致空间机械臂系统失稳。空间机械臂是一种非线性、强耦合的复杂系统,尤其是对于碰撞过程,很难实现系统精确建模。为实现对空间机械臂碰撞过程的振动抑制,提出了模糊策略与无模型自适应控制相结合的模糊-无模型自适应控制(fuzzy model-free adaptive control,Fuzzy-MFAC)方法。基于臂杆振动位移响应和关节角速度误差设计模糊策略,对无模型自适应控制中步长因子与权重因子进行在线自整定,解决传统无模型自适应控制对于参数初值敏感的局限性,实现了对空间机械臂碰撞过程中的振动自适应控制。仿真试验结果表明,Fuzzy-MFAC方法相较于传统无模型自适应控制算法振动响应衰减速度提高了34%,振动幅值降低了42%,验证了该方法的有效性。

大型网架式可展开空间结构的非线性动力学与控制

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,以便研制口径十几米、乃至数十米的星载天线.该技术的主要科学基础是这类空间结构展开和服役过程的非线性动力学建模、分析和控制.本文综述了与上述科学基础相关的研究进展,提出应重点关注的3个科学问题:一是大型网架式空间结构展开过程的多柔体系统动力学,尤其是如何对微重力环境下索网的接触和缠绕、运动副内碰撞、结构展开与航天器本体间的耦合等导致的非线性动力学进行建模和分析;二是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学分析,尤其是如何揭示结构柔性、众多运动副间隙、交变热载荷等因素引起的复杂非线性振动机理;三是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学控制,尤其是如何在欠驱动、低能耗条件下对非线性振动和波动传播提出有效的控制方法.

冲击载荷下单螺栓连接结构力学行为试验与仿真研究

基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)装置,对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验,研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理,掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律。在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中,对单螺栓连接结构的冲击试验进行了数值仿真分析,其中螺栓结构采用考虑螺纹细节的精细有限元模型,仿真获得的应变波传播规律与试验吻合良好,验证了该模型的有效性。试验与仿真结果表明:单螺栓连接结构冲击过程分为初始加载与滑移、接头双峰强加载、卸载三个阶段;冲击速度越大,冲击力峰值显著增加;增大螺栓装配间隙或适当提高预紧力均可增强螺栓连接结构的抗冲击剪切能力,而过大的预紧力则会使抗冲击剪切能力下降;螺栓的失效模式为剪切压溃失效。

关于复合材料层合板结构力学性能数值仿真架构的讨论

纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced plastic,FRP)层合板结构力学性能仿真的关键在于材料损伤机理的准确描述,以完整构建材料内部损伤场在整个能量传递历程中的渐进演化。损伤场、材料属性场、应力应变场在循环迭代中相互转化,将此三场间的逻辑体系进行综合构建,就形成了FRP数值仿真体系的基本架构。材料本构、非线性求解、损伤起始准则、损伤演变准则、网格尺度及就位效应是该仿真架构的核心模块。本文对各核心模块进行了汇集和梳理,并给出优选的模块搭建方案。最后通过算例验证了所提出的FRP力学性能仿真架构及其优选搭建方案的合理性及有效性。

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。

电磁式惯性作动器的结构振动自抗扰控制

针对四边固支板结构振动主动控制中存在的系统模型不准确性和内外干扰等问题,利用惯性作动器提出一种基于自抗扰控制器的主动控制方法,并且研究自抗扰控制器中观测器带宽、PD控制器参数,控制器增益对振动控制性能的影响。首先,建立基于惯性作动器的四边固支板振动控制系统的状态空间模型。然后,利用三阶线性扩张状态观测器估计整个振动控制系统的不确定性和状态变量。此外,从理论上分析自抗扰控制器各参数对振动控制性能的影响,以获得良好的振动控制性能。最后,基于NI-PCIe 6343采集卡搭建了半实物实验平台,并在Matlab/Simulink中desktop real-time下验证了理论分析的准确性与自抗扰控制的有效性。结果表明,自抗扰算法用于振动控制是可行的,当控制器其他参数不变时,可以在一定范围内提升观测器带宽或降低控制器增益可以提升控制效果,调节PD控制器参数对控制效果影响不大。

SMA驱动变体机翼后缘结构力学分析

对基于形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)丝驱动器的多关节变体机翼后缘模型,在指定飞行工况下结构的整体极限偏转角度是最重要的设计指标。本文根据SMA驱动器的力学本构模型,建立了在控制回复状态下的SMA-弹簧模型。基于N-S方程编制了2D流场求解器,并使用网格重构技术建立了后缘偏转时的多套流场网格,通过将后缘结构所受的气动载荷力矩对应施加于后缘结构的各个关节,在ANSYS静力分析模块中对后缘的偏转过程进行了数值仿真,考察了变体后缘的整体极限偏转角度。为验证仿真结果,对变体后缘结构进行了模拟加载实验。实验结果表明,本文使用的数值计算方法能够较为准确地预测变体后缘的整体极限偏转角度。

基于扩张状态观测器的压电结构复合滑模振动控制

针对压电固支板振动系统的模型不确定、高次谐波和外部激励等干扰问题,设计出一种基于线性扩张状态观测器与滑模控制的复合振动主动控制策略。首先,基于辅助变量法建立压电固支板结构的数学模型,进而设计线性扩张状态观测器对系统状态变量与总干扰进行实时估计,再通过前馈通道补偿的方式,抵消模型误差、外界激励等干扰对系统的影响;然后,基于估计值设计滑模控制器,利用较小的切换项增益抑制观测器的估计误差,从而降低滑模控制的抖振,并利用李雅普诺夫稳定判据准则分析所提振动控制系统的全局稳定性。最后,基于NI-PCIe6343采集系统,搭建振动控制实验平台,并对设计的复合振动主动控制策略进行实验。实验验证结果表明,所提振动控制策略对压电固支板的振动幅值降低87.5%,具有较强的抗干扰能力且对压电固支板的振动抑制性能良好。

航空结构多参量监测数据库管理软件设计与实现

航空结构健康监测技术对保障飞行器安全具有重要意义,载荷和损伤多参量监测是航空结构健康监测的重要监测方法。针对多参量监测数据冗余度大、数据量大、无法统一管理等问题,文中采用LabVIEW平台和Access数据库设计航空结构多参量监测数据库管理软件。首先针对软件功能需求设计软件整体架构,定义数据库内容和文件存储体系;然后开发数据库通信、数据管理和监测标定功能模块;最后设计主界面对各功能模块进行集成。结合典型航空金属耳片结构的载荷及损伤监测实验,采用多参量监测数据对软件功能和性能进行验证,结果表明,所设计软件可以统一存储、管理典型零组件结构多参量监测数据,能够为典型零组件结构实际健康监测提供数据支持。

静水压下白砂岩的动态力学性能研究

深部岩石在地下高地应力环境的动态力学性能对深部矿山工程的开展有重要影响,因此,其动态力学性能研究具有重要意义。本文以平顶山某煤矿下白砂岩为研究对象,利用三维霍普金森杆装置开展动态力学试验并采用HJC本构模型的白砂岩进行三维霍普金森杆有限元仿真,研究静水压对白砂岩动态力学性能、能量吸收和损伤的影响。结果表明:白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而降低;静水压可抑制裂纹的扩展,增强白砂岩的强度;HJC本构模型可以较好地模拟白砂岩的损伤失效。预期结果可为深部岩石动态力学性能的研究提供参考,并为深部岩石工程的实施提供理论基础。

基于逆有限元法的结构位移与应变场反演方法

舰船梯形结构作为封盖船体或将其分隔成层的平面板状结构,对于保证船体强度及不沉性具有重要作用。梯形结构受力不均匀会产生巨大拉扯力,易造成梯形结构变形与疲劳应力集中。基于此,本文提出研究一种基于逆有限元法(iFEM)和光纤应变感知的舰船梯形结构位移与应变场反演方法,并给出了相应光纤Bragg光栅(FBG)传感器布局形式。利用Ansys有限元分析方法,开展了基于仿真结果的相关反演方法验证。在此基础上,构建了基于光纤传感器的梯形结构位移、应变分布监测与反演实验系统。研究表明,双端固支梯形结构的位移重构均方根误差(RMSE)为0.076,应变场重构平均相对误差为6.59%。本文所提方法突破了iFEM因形函数阶次低而无法直接求解结构应变场的难题,能够为舰船梯形结构健康监测与舰载武器基座位姿精度提升提供技术支撑。

基于渐近均匀化方法的准周期梁结构等效刚度数值实现方法研究

相比周期梁结构,准周期梁结构沿轴向梯度变化,具有更大的设计自由度,能够获得更好的结构性能。由于其非均质性,一般将其均匀化为具有等效性质的均质梁结构,但现有工作很少涉及准周期梁结构等效性质的计算。本文针对由周期梁结构映射而成的准周期梁结构,通过引入雅可比矩阵,基于渐近均匀化方法推导的单胞方程及其等效性质计算列式,并建立了其单胞方程及等效刚度的有限元求解列式。该方法可以处理沿轴向变形的任意微单胞构型,数值算例验证了其正确性和有效性。

基于ABAQUS的金属结构损伤导波监测参数化建模的二次开发

由于导波的结构损伤识别与定位研究存在着样本数据严重不足的问题,需通过数值仿真产生大量虚拟数据样本。为了提高有限元建模和数据提取的效率,基于Python语言的ABAQUS二次开发功能,完成金属结构损伤导波监测参数化建模工具的开发,实现有限元模型前后处理的自动化。利用该工具研究裂纹长度对Lamb波信号特征的影响,并与现有结论进行比较,验证了参数化建模工具的可靠性。

双层液压式动力反共振隔振器动力学研究

针对低频隔振问题,基于动力反共振原理设计加工了一种双层液压式动力反共振隔振器。建立了液压式动力反共振隔振器模型,研究了双层液压式隔振器隔振性能和隔振频率的影响因素,加工了液压式隔振器原理样机并进行了扫频试验。研究结果表明:叠加方式能显著影响第二个共振点的位置,进而影响隔振效果;相比于单频动力反共振隔振器,通过叠加而成的双层隔振器可以通过调节参数显著提高隔振性能与隔振带宽。

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能.在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用.从20世纪80年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解.然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程.本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验.最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.

旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验

研究了冲击产生的高过载对旋转型行波超声电机结构和性能的影响机理和规律。首先,结合旋转型行波超声电机的工作机理和结构形式,建立了该型超声电机在冲击载荷下的有限元模型,利用显式算法模拟其在冲击过载环境中的暂态过程,分析电机的定、转子及压电元件等部件的应力和应变分布规律,研究和评估了目前超声电机结构对瞬时超大过载的耐受情况;其次,设计了特定夹持装置,对旋转型行波超声电机的耐过载特性进行了马歇特锤击实验,实验结果很好地印证了理论分析结果;最后,综合理论和实验结果评定了当前典型的旋转行波超声电机结构在特殊使用环境中的耐过载能力及易损伤部件。实验结果表明,紧凑和简单的结构特点使得超声电机本身具有较好的适应大过载环境的工作能力,在直接承8千个重力加速度冲击过载后仍能维持一定的输出特性。

半轴式起落架落震动力学及结构参数影响研究

针对某无人机在飞行试验中出现的缓冲器卡滞问题,以其半轴式主起落架为研究对象,建立了包含半轴式机轮载荷作用下缓冲支柱摩擦力模型的落震动力学分析模型,采用数值分析方法编程求解了其落震动力学特性,与试验结果符合较好。进而对半轴长度和缓冲器全伸长上、下轴承距离等结构参数对缓冲器摩擦力以及落震性能的影响进行了研究。研究表明:半轴式起落架缓冲器摩擦力占缓冲器轴力的比值远比一般缓冲器要大;半轴长度和缓冲器上、下轴承初始间距对缓冲器摩擦力影响很大,半轴长增加20mm可造成缓冲器摩擦力增大17.9%,轴承初始间距减小5%可造成缓冲器摩擦力增大39.6%。