能量有限元法研究进展及在飞行器高频振动响应预示中的应用

结构的高频振动问题严重影响飞行器的服役安全性、可靠性和舒适性,高效准确地预示结构的高频振动响应具有重要的学术研究价值和工程实践意义。能量有限元法是近年来发展起来的一种高频振动响应预示新方法,弥补了有限元法、统计能量法等传统方法在高频振动响应预示方面的不足。本文回顾了能量有限元法的研究进展,阐述了能量有限元法的基本理论及其在工程领域的拓展和应用,对能量有限元法在飞行器结构高频振动响应预示方面的研究工作进行了介绍,并对能量有限元法未来的发展方向进行了展望。

板壳结构在声振联合试验下的振动响应耦合分析

目的研究具有工程实践意义的板壳组合结构在声振联合作用下的响应预测方法。方法在噪声试验、振动试验和声振联合试验响应曲线的基础上,分析板壳组合结构在噪声和振动同时激励下的响应耦合规律,并根据噪声试验和振动试验的响应极值包络法,来预测在声振联合试验作用下板壳结构的响应分布。结果声振联合试验响应曲线近似于噪声试验和振动试验的最大值包络线,噪声的面激励和随机振动的基础激励在不同的频率范围内对结构响应起着主要影响。试验件的噪声试验和振动试验响应曲线在给定的频率点出现相交,小于交越频率的声振联合试验响应与振动试验高度吻合,高于交越频率的响应则以噪声试验为主。结论在工程实际中,可以直接利用振动试验和噪声试验的响应数据对声振联合试验的响应进行预测。由于交越频率难以事先获得,因此响应叠加法在实践中更易于实现。

基于二阶锥规划的任意传感器阵列时域恒定束宽波束形成

提出了基于FIR滤波器的适用于任意几何形状和阵元方向性的传感器阵列的时域恒定束宽波束形成方法。首先将设计频带分成若干窄带,采用优化方法,通过对各窄带波束施加约束,设计出具有设定主瓣形状要求的各窄带波束。然后针对每个传感器,根据其各频率波束形成加权向量,采用约束优化方法,设计出具有要求幅度和相位响应的FIR滤波器。各滤波器输出相加即得到时域恒定束宽波束输出时间序列。波束图主瓣形状设计与期望频率响应FIR滤波器的设计问题都可以转化为二阶锥规划(Second-Order Cone programming)的形式,然后利用已有的内点方法(Interior-Point,Methods)求出其数值解。计算机仿真结果显示,设计出的各子带波束主瓣宽度比较接近,FIR滤波器设计精度高。湖上实验数据处理结果表明,该方法可以适用于实际水声系统,时域宽带波束能够满足恒定束宽要求。

苏里格气田SQW区块天然气储层预测与评价

地震储层预测评价技术是一门技术含量较高的现代技术,但在评价薄的砂岩储层时仍存在各种困难和问题。以苏里格气田SQW区块二叠系石盒子组盒8段和山西组山1段储层为研究对象,对纵向上厚度薄,横向上不连续分布特点进行了地震储层评价研究。SQW区块由于目的层段地震数据主频较低,储层的地震响应隐含于薄互层复合响应中,地震属性参数不能表征储层含气特征。采用高分辨率拓频处理技术和基于小波边缘分析的波阻抗反演技术对SQW区块地震数据进行重新处理,地震资料品质得到改善,结合测井统计分析,重新构建了有效砂岩判别模式,预测了天然气储层的分布。提出的地震处理和储层评价方法为解决河流相沉积的薄互储层分布问题提供了有参考价值的经验和实例,研究结果为苏里格气田天然气储层预测提供了一种解决手段。

复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究

从理论研究和应用研究两个方面追踪了国内外关于能量有限元的发展现状,并指出能量有限元已趋向于预示越来越复杂的结构动响应;接下来介绍本课题组近年来利用能量有限元方法针对实际复杂结构及复杂载荷环境中的高频动响应问题所做的研究工作,主要包括3个部分:一是在考虑多种传递波功率流耦合的情况下,发展了圆柱壳、截锥壳等复杂结构的高频响应能量有限元方法,从而得到了此类结构的中高频局部动响应特性;二是考虑在脉动载荷、混响室等复杂环境中,利用能量有限元方法并结合能量边界元方法预示了结构的高频振动特性和声振耦合特性;三是开发了能量有限元的计算软件,为其大规模应用奠定了基础。最后指出了能量有限元方法目前存在的问题和进一步研究的方向。

基于传递特性的航天器在轨冲击环境预示方法研究

实际飞行实验中,经常需要较为精确地确定高频激励作用下航天器某结构部位的冲击响应,统计类预示方法速度快但误差较大;数值类预示方法较为精确,但计算规模大、耗时长,且很难考虑冲击源和结构传递等偏差的影响.文章参考振动传递函数的定义和性质,建立了基于结构传递特性、用已知结构点的冲击环境预示相关结构冲击环境及其分布的方法;利用某火工分离试验冲击测量结果,验证了该方法可快速、准确预示指定部位的冲击环境.

水下航行器流噪声特性水洞试验研究

在高速水洞中进行了水下航行器流噪声的试验研究,测量了不同头部线型、不同来流速度、不同测试点位置处水下航行器缩比模型的流噪声声压谱特性。试验结果发现,上述因素对模型流噪声均有显著影响:模型头部端面直径越小,头部曲线段越长,其流噪声声压级越小;流噪声声压级随着来流速度的增大而增大;相比头部端面其他位置,驻点处的流噪声声压级最小。同时,运用相似率估算了大尺度航行器的流噪声声压谱,获得了较好的预测值。该研究成果对水下航行器的声学设计具有一定的指导意义。

基于FBGF-P的全光纤井下声波传感器

研究了应用于油井井下流噪声探测的FBG F-P干涉仪。结合空气腔芯轴耦合的高灵敏度全光纤声波传感器,光纤FBG F-P干涉仪设计为弱反射的长腔长结构,以提高传感器声压相移灵敏度;对空气腔芯轴内外层骨架材料优化选取,结合质量控制改善其固有频率,提高传感器的频率响应特性。实验结果表明,传感器探测灵敏度约为-147dB,频率响应范围50Hz^20kHz。传感器为全光纤结构,进行耐压与防水封装后,能满足高温高压井测量工作环境的应用要求。

地质模型约束下的地震储层预测技术及其在梨树断陷中的应用

在钻测井约束下,结合梨树断陷有关探井资料和区域性沉积相研究,综合运用调谐频率加强法高分辨率处理技术和基于地震资料的时频分析技术、地震相技术、多属性分析技术及基于层序框架下的地震资料解释技术等,采取拟声波曲线重构地震反演技术和基于调谐频率加强法的高分辨率反演方法等,研究目的层岩性、物性和含油气性。同时,结合基于地震属性分析的人工智能技术的储层物性预测方法,预测砂体的空间分布和几何形态,落实隐蔽圈闭,完成了滚动勘探和开发2个阶段不同井区有利砂体分布规律评价及预测工作。

合成声波测井的薄层响应

合成声波测井是一种由地震反射数据转换成层速度的普遍应用方法。只有在零相位全通子波的情况下，利用此法才能得到正确反映层速度变化的结果。对于单个界面的响应，缺乏高频成分使界面清晰度变差；缺乏低频成分使速度值畸变；同时缺乏高频和低频成分，则兼有以上二者的影响、利用简化的界面响应图解可说明单层会成声波测井响应的特征。缺少高频成分对于厚层来说，只降低界面的清晰性，而对于薄层来说则会影响层速度和视厚度。缺个低频成分对甚薄层影响很小，而且随着层厚的增大，速度畸变也增大，甚至在层内出现很大的反向速度异常。同时缺个低频和高频成分，对薄层来说接近于缺个高频的情况，对于厚层则接近于缺少低频的情况。频带的相对宽度（高截频和低截频的比值）决定速度精度的上限。

飞行器声振动力学环境响应预示方法

在简要概述了统计能量分析法和相似结构外推法的基础上,可以看出:统计能量分析法已经成为高频声振环境结构响应预示的主要方法,而相似结构外推法因其简单易用且适用于全频域范围的特点,仍然应用于声振环境响应预示。分别利用两种方法对飞行器整流罩简化模型的声振环境响应进行了分析。最后通过对计算结果的对比分析,对外推法的缺陷进行了探讨。

高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%～2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%～3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3～3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。