热声激励下高温合金薄壁结构振动响应试验验证与疲劳寿命预测

为了研究金属薄壁结构在热声循环激励下形成的内部残余应力(Residual Stress)对模态频率、响应规律及疲劳性能的影响,采用耦合的有限元/边界元法(FEM/BEM)对薄壁结构进行振动响应计算,重点研究带残余应力结构的动力学响应特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明,不同温度下基频的计算值与试验值获得很好的一致性,计算的应变响应结果与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。最终结合改进雨流计数法(Improved Rain-flow Counting)、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算随机疲劳寿命。结果表明,带残余应力结构在屈曲前后温度为50℃,150℃,250℃所对应的损伤量级分别为10-7,10-4,10-7,疲劳寿命也表现出先减小后增大趋势,且硬化现象使疲劳寿命整体降低,寿命谷值随温度变化发生偏移。

热声环境下薄壁加筋结构的振动响应研究与疲劳寿命分析

针对航空薄壁结构在热声载荷作用下的大挠度非线性动态响应问题,开展了矩形薄壁结构在热环境下的声激振试验与仿真计算;并将试验值与计算值进行对比。结果表明模态频率具有一致性,应变响应结果数量级相同,验证了薄壁结构热声响应计算方法的有效性。基于耦合的有限云/边界元法计算了加筋壁板在不同热声载荷组合下的动力学响应。重点研究了结构的热模态频率随温度的变化规律,结合功率谱密度(power spectral density)分析了应力响应在屈曲前后随温度与声压级的变化规律。采用雨流循环矩阵(M_(RFM))与雨流损伤矩阵(M_(RFD))讨论了应力循环块的分布与结构的损伤程度。最后结合改进雨流计数法、Morrow平均应力模型和Miner线性累积损伤理论计算并分析了疲劳寿命随屈曲系数与声压级的变化特征。

热声载荷下薄壁开孔结构振动响应与寿命预估

金属薄壁开孔结构在强热声载荷下,表现出大挠度强非线性响应特性,疲劳寿命缩短。基于时域的基础上,利用有限元法(FEM)结合降阶模态法(ROM)获取4边固支开孔薄板在不同热、声载荷组合下的位移和应力的动态响应,并进行响应时间历程和功率谱(PSD)的统计分析。采用雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明:屈曲后的位移响应由热声载荷的相对强弱决定。此外,屈曲前结构随热、声载荷的增加,寿命缩短。屈曲后,持续跳变使得结构的寿命缩至最短;进入间歇跳变区域,间歇时间短的跳变要比间歇时间长的跳变造成的结构损伤大,即快频跳变引起的损伤更大。跳变结束后,随着温度的升高,寿命先延长后缩短。

薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证

数值研究了热声载荷作用下薄壁结构的动态响应,并开展了薄壁结构的热声激振试验,获取了薄壁结构的热模态频率与不同热声载荷下的动态响应结果。采用热声疲劳寿命预估模型,仿真分析了薄壁结构疲劳寿命随声压级和温度的变化规律。试验与仿真结果对比表明,试验与仿真的模态频率具有一致性,应变响应量级相同。屈曲系数由0增加到1.8,GH188金属薄壁结构疲劳寿命呈先降低后增大趋势。验证了热声试验方法的合理性与可靠性,以及薄壁结构热声响应仿真方法与模型的有效性。薄壁结构在屈曲前/后过程中表现出稳定-失稳-再稳定的过程。

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。

基于降雨分布不均匀性的空间插值方法适用性研究

为定量评估降雨空间分布不均匀程度,以史灌河流域为研究区选取48个雨量站1998年到1999年92场日降雨观测资料,首次提出降雨空间集中度概念,分析降雨空间集中度与面平均雨量、插值误差的关系。采用反距离权重法、局部多项式法、径向基函数法、普通克里金法以及协同克里金法对拟定的站点进行空间插值,并用相对平均误差评判插值结果的好坏,分析不同降雨空间分布下各种插值方法的优劣。

热声复合环境下薄壁锥壳结构响应计算与疲劳寿命预估

目的研究热声复合环境下薄壁锥壳结构的动力学响应与疲劳寿命。方法采用耦合的有限元/边界元法,完成不同热声载荷下的振动应力计算。基于改进的雨流计数法,对不同热声载荷下危险点位置及典型位置的疲劳寿命进行预估。结果屈曲前随温度的增加,薄壁锥壳结构的基频降低,屈曲后在一定温度范围内时,基频增加。薄壁锥壳结构的应力集中主要出现在孔边位置,基频在热声激励响应中起主导作用。低阶固有频率处存在较大峰值,高阶频带范围内的峰值较小,模态密度较高。结论在800～1000℃的温度载荷与强声载荷下,薄壁锥壳结构的疲劳寿命只能维持几个小时,所以在抗声疲劳结构设计中要考虑响应谱的频率结构,及注重结构孔边位置的结构设计。

高温环境下薄壁试件随机振动疲劳研究

目的研究高温环境下薄壁试件的随机振动疲劳问题。方法综述国内外随机振动疲劳研究现状,制定有效的研究方案。首先,通过有限元法完成薄壁试件的动力学响应数值仿真计算与分析,基于改进的雨流循环计数法预估薄壁试件的疲劳寿命。然后,开展高温环境下薄壁试件随机振动疲劳试验,获取危险位置动力学响应与疲劳寿命。结果高温强振动环境下,结构的危险位置主要出现在固支边界或形状突变位置,且基频处的动力学响应峰值是结构疲劳寿命的主要影响因素,随温度和振动量级的增加,结构疲劳寿命呈抛物线降低趋势。结论通过仿真与试验的比对,验证了高温环境下薄壁试件随机振动疲劳仿真计算方法的有效性与可靠性。

齿形弹性环刚度公式推导及验证

齿形弹性环是波纹环的一个变种,可以通过调节弹性环的设计参数调节刚度。文中通过简化弹性环的计算模型,依据刚度计算的基本原理,得出单齿的刚度计算公式,依据矢量合成原理,推导出整个齿形弹性环的刚度计算公式和简化计算公式。采用推导的刚度公式进行齿形弹性环设计,并使用实测法和有限元法验证了弹性环刚度两种计算公式的有效性。

惯性平台内、外框架结构系统的动力响应分析

应用有限元数值计算方法,对某型号惯性平台内、外框架结构系统进行了动力响应分析,得到了结构系统在承受正弦周期载荷时的响应曲线、谐振频率、谐振频率点的振型及最大振幅,建立了平台内、外框架结构系统(外框架→内框架→台体)各部分响应的传递关系。通过分析计算,对如何提高结构系统的动态性能提出了方法和建议,为今后型号的改进和设计奠定了基础。

复杂三维外形旋翼气弹稳定性分析

针对带有后掠、下反构型的复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题进行分析。基于中等变形梁理论以及Hamilton原理,在桨叶运动学描述中引入节点转换矩阵在有限元总体阵组集中引入变形相容原则,建立面向复杂三维外形旋翼的结构动力学模型,并在算例验证的基础上针对复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题展开参数影响分析。研究表明:桨尖后掠引起挥舞-扭转结构负耦合效应,造成一阶扭转模态频率和模态阻尼比降低,一阶扭转模态阻尼最大降低90%;桨尖下反引起摆振-扭转结构正耦合效应,造成二阶摆振模态频率降低,一阶扭转模态阻尼比最大降低62%,采用后掠带下反设计会大大降低扭转稳定性。

复合载荷作用下飞机机身壁板快速优化设计方法

建立了飞机机身壁板在剪切、弯矩和扭矩复合载荷作用下的安全裕度之计算公式,编写了满足强度要求的优化迭代算法,应力计算结果与有限元分析结果吻合良好。不需要借助有限元软件即可实现应力分析、强度计算与优化迭代一体化流程,缩短了机身壁板优化设计周期。本文流程和方法同样适用于异形剖面机身壁板的参数优化设计,应用范围广。

大前进比变转速旋翼气弹动力学建模与载荷特性分析

针对大前进比变转速旋翼气弹动力学问题开展分析研究。基于Hamilton原理以及中等变形梁理论建立旋翼动力学方程,并针对大反流区气动力计算方法和大前进旋翼气弹配平计算方法进行修正,集成考虑大前进比的旋翼气弹计算模型。在旋翼动力学模型的验证基础上,开展大前进比下变转速旋翼气弹动力学计算分析。通过计算桨叶剖面气动和结构载荷表明:随着前进比增加,反流区内桨叶剖面出现周期交变的脉冲式法向力和气动力矩;桨叶挥舞、摆振弯矩随转速降低而增加,且在接近共振转速频率时挥舞和摆振弯矩明显增加。提取桨叶结构载荷中的气动部分,表明脉冲气动力会带来显著的气动部分变化。

旋翼干扰对共轴刚性旋翼振动载荷影响分析

针对旋翼干扰下的共轴刚性旋翼振动载荷问题开展计算分析。结合中等变形梁理论的结构动力学模型和含非定常自由尾迹的双旋翼气动模型,建立共轴刚性旋翼振动载荷计算模型。以XH-59A旋翼为研究对象,在模型验证的基础上详细分析旋翼俯仰角α、间距D以及交叉角Ψ对共轴刚性旋翼振动载荷特性影响。研究表明:增加旋翼俯仰角α会降低桨毂垂向力F_(z)和俯仰力矩M_(y)的3Ω谐波幅值,但会大幅增加滚转力矩M_(x)的3Ω谐波幅值,在高速前飞时利用俯仰角参数能调节桨毂谐波幅值水平;旋翼间距D越小,桨毂谐波幅值越高;交叉角Ψ对桨毂滚转力矩M_(x)和俯仰力矩M_(y)谐波幅值影响较大,在30°交叉角下滚转力矩M_(x)的3Ω谐波幅值增加量要高于俯仰力矩M_(y)的3Ω谐波幅值减少量,而0°交叉角下的桨毂振动载荷整体水平更低。

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命,结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。