基于传递矩阵法的指向式旋转导向工具主轴振动特性

指向式旋转导向工具应用于井眼轨迹控制时,其主轴的动力学特性将直接影响到井眼轨迹控制效果及作业安全,而在钻进工况下,工具钻压传递机构在主轴上的位置对主轴的动力学特性起着重要的作用。因此,为了分析钻压传递机构的位置对主轴动力学特性的影响,利用多体系统传递矩阵法建立了指向式旋转导向工具外壳-轴承-主轴系统的动力学模型。通过推导主轴上任意节点的几何和力学方程,该研究能够评估钻压传递机构的位置对主轴动态性能的影响规律。结合实例运算分析了钻压传递机构的安装位置对主轴固有频率和振型的影响,探讨了工具造斜时,钻压传递机构安装位置对主轴动态位移的影响。结果表明,随着钻压传递机构安装位置距离钻头越远,主轴固有频率和动态位移均增大,因此在满足工作要求下,推荐钻压传递机构安装位置尽可能靠近钻头端。为验证基于传递矩阵法建立的主轴动力学模型的正确性以及钻压传递装置安装位置对主轴动态位移影响规律,在指向式旋转导向工具试验台架上进行了钻进工况下主轴测点偏移量测试试验,结果表明,试验测得的数据与理论计算的数据基本吻合,误差最大仅为6.47%。

压电复合材料梯度分布声学特性研究

目前,压电复合材料在吸声降噪领域应用广泛,但其低频吸声性能并不理想。为解决此问题,以0-3型压电复合材料为研究对象,提出使压电陶瓷体积含量呈梯度分布以提高其低频吸声系数的方法。首先,基于声电类比法和传递矩阵法,推导多梯度分布的理论公式,并通过文献构型对其进行验证;其次,将均匀分布与梯度分布的吸声系数进行比较,发现梯度分布会改变材料的声阻抗,从而改变吸声系数。最后,进行梯度分布压电复合材料数值分析,结果表明,同等条件下,当压电陶瓷体积含量呈梯度递减,且梯度差和第一梯度的厚度增加时,可明显提高低频吸声系数。

平面柔性微定位平台的设计分析与优化

为设计具有良好静动态特性的柔性微定位平台,提出了两种基于柔性梁与圆弧形柔性铰链所组成的柔性模块的柔性运动副。首先,基于该运动副设计了新型平面2自由度微定位平台结构;其次,采用柔度矩阵法建立了平台力-位移关系及输出位移的理论模型,基于传递矩阵法建立了平台固有频率与瞬时动力响应的理论模型,并通过有限元仿真验证了理论模型的正确性。理论研究与仿真验证表明,平台具有较高的静动态性能,其输入输出完全解耦,在0.3mm输入位移下丢失运动不超过1.8%;1阶固有频率为320.34 Hz,在0.1 s时间内动力响应与仿真趋势一致。最后,进行了平台静、动态性能的灵敏度分析和参数优化。结果表明,优化后的平台在同样驱动下丢失运动和固有频率分别优化提升了1.95%和43.9%,进一步提升了平台的动态性能。

基于传递有限条薄壁构件弹性屈曲分析

目的为研究薄壁构件的弹性屈曲问题,提高其计算效率。方法根据有限条传递矩阵法的相关理论知识编写了基于传递有限条程序(简称TFSM)。该程序不需要建立整体刚度矩阵,降低了系统矩阵的阶数,通过输入相应的截面参数和材料参数便能对薄壁构件进行弹性屈曲分析,大大提高了计算效率。结果为验证程序的可行性,首先对划分不同条形单元数的薄板构件进行屈曲分析,将计算结果与理论值进行对比,考察不同条形单元数对计算精度的影响。然后采用精度较高的条形单元划分方法对冷弯薄壁型钢构件弹性畸变屈曲进行了研究,并与有限元方法和经典有限条法的计算结果进行了对比。数据表明TFSM程序具有较高的精度。结论TFSM程序可以应用于冷弯薄壁构件的弹性屈曲分析。

基于微波光子晶体的温度传感方法研究

针对基于电子技术的测温传感器灵敏度低、尺寸大和易受环境影响等缺陷,提出一种基于镜像型一维微波光子晶体模型的温度测量方法。利用传输矩阵法计算了一维缺陷微波光子晶体在不同环境温度条件下的带隙和缺陷峰频谱,建立了缺陷峰波长或缺陷峰偏波长移量与环境温度之间的关系;通过自由空间法测量缺陷峰波长在待测温度条件下的缺陷峰波长或其偏移量,则可以反演环境温度。结果表明,该温度测量方法具有较好的温度传感灵敏度和较大的温度测度范围,为设计微波传感器提供了一种新理论和实践案例。

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性,利用向量代数方法,对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析;根据有限元形函数理论,建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法;在几何运动学分析的基础上,基于力矩平衡原理,分别进行正向与逆向动力学分析;利用线性变换原理并结合传递矩阵法,建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型,并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型,进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明,所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。

基于声电类比的低频消音结构优化设计

基于声电类比,设计了与电滤波器性能相似的低频消音结构,并结合传递矩阵法和模拟退火法,构造了声学结构的优化设计策略。首先,采用归一化方法,以四阶切比雪夫高通电滤波器为基准,设计了电学带阻滤波器;然后,基于声电类比,将电路中的电感电容转换为声学结构中的细管和圆柱腔,构造了消音结构原型,并利用传递矩阵法,建立其数学模型,推导声波传递损失表达式;最后,结合声学结构的数学模型和模拟退火法,以有效衰减带宽最大为目标,以消音结构的尺寸参数为变量,对原型结构进行优化设计。结果表明:基于声电类比,能获得合理的消音结构原型,克服了仅依靠经典消音结构进行设计的局限;结合推导的传递损失数学模型和模拟退火法,对消音结构原型进行参数优化,能显著提高其消音效果,表现在传递损失超过20 dB的带宽拓宽至410~2 165 Hz,是优化前带宽的202%,特别是优化后的结构克服了原型结构在466~537 Hz频率内不能实现有效消音的缺陷,获得了连续的大跨度有效带宽,且传递损失曲线平均增幅达22.8%。

透平试验件对试验台横振不平衡响应的影响

重型燃气轮机透平试验台系统由试验台和试验件两部分构成。对于已经建成的试验台,需要考虑不同试验件对试验台横振不平衡响应的影响。本文利用机械阻抗综合法的阻抗匹配原理,将未知试验件的动力学特性模化为交界面上的机械阻抗,来确定试验件对试验台横振不平衡响应的影响,得出未知试验件的设计限制范围。同时,建立了某个试验件和试验台的动力学模型,分析了该系统的横向振动不平衡响应,验证了试验件不平衡响应的设计限制范围的有效性。

分数阶粘弹性地基上裂纹梁的自由振动

本文研究了分数阶粘弹性Pasternak地基上含多裂纹Euler梁的自由振动问题.首先,引入分数阶导数概念,建立粘弹性Pasternak地基模型,推导出地基应力-应变本构的复模量以及地基反力.其次,将裂纹等效成无质量扭转弹簧,借助于裂纹能量释放率和应力强度因子的关系,推导出梁的局部柔度.然后,基于传递矩阵方法,建立含多裂纹梁的分段传递矩阵进而得到总体传递矩阵.最后,基于梁的边界条件,建立求解裂纹梁的复固有频率及振型的线性代数方程组,数值求解得到含多裂纹梁的固有频率及振型.以含双裂纹的两端简支Euler梁为例,数值计算了复固有频率和振型.并基于曲率模态分析裂纹位置对复固有频率和振型的影响.数值结果揭示了粘弹性地基的分数阶系数、粘性系数以及裂纹位置和裂纹深度对复固频率和振型的影响规律.

双功能梯度石墨烯片增强金属-陶瓷基圆柱壳的行波振动分析

采用Halpin-Tsai微观力学模型和传递矩阵方法,开展了旋转态双功能梯度石墨烯片增强复合材料圆柱壳体的行波振动特性研究。描述了金属-陶瓷功能梯度基体和5种石墨烯片分布模式的材料属性,基于Love壳理论和传递矩阵方法,考虑转速影响推导了任一截面状态向量的常微分方程和整体传递矩阵关系。以固支-自由(悬臂)边界条件为主,对动力学微分方程进行求解计算,验证了分析方法的合理性。结果表明:低阶模态以轴向半波数为1和周向模态的振动为主,转速引起的科氏力使行波曲线出现分离现象;行波频率随着石墨烯质量分数的增加而增大,分布模式对振型顺序的影响较小,基体体积分数指数对振动特性的影响较大,而石墨烯片层数对振动特性的影响很小,不同倍频激励对共振特性的影响不同。

基于幅相解耦调制的透射型声超表面的声波调控

文章构造了一种复合型无源结构,利用该结构设计的声学超表面能够实现透射相位和幅度的解耦调控。研究表明,当声波入射至该复合结构后,多腔体结构具有接近于1的透射率和接近于2π的全相位变化,而开孔结构单元可以提供恒定不变的相位和0~1范围内变化的透射率。此外,根据Airy函数的波曲线,选择合适的结构参数,构造出的超表面可以在空气中生成Airy波束,同时利用两个对称的超表面可以实现具有自愈性声聚焦特性的透镜,通过与纯相位调控方法生成的波束现象进行对比,进一步说明幅相解耦方法对于声波精确调控的重要性。文章对于幅相解耦超表面的研究在声波定向传输、全息图像、医学超声成像等方面具有潜在的应用前景。

传递矩阵法在计算输流管路高频振动时的稳定性改进

传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)是研究结构振动时常用的计算方法,但在计算大跨度输流管路高频横向振动时,TMM存在数值不稳定的现象,制约了其进一步应用。基于无量纲化计算结果得到的子单元划分准则的全局传递矩阵法(global transfer matrix method,GTMM)、混合能传递矩阵法(hybrid energy transfer matrix method,HETMM)和结合变精度算法的传递矩阵法(variable precision algorithm-transfer matrix method,VPA-TMM)等三种方法解决了这一问题。GTMM是最常用的TMM计算稳定性改进方法;HETMM系首次从层状介质中的波传播计算扩展到管路系统的振动分析领域,计算矩阵的维度和形式不随子单元数的变化而变化,计算时间最短;VPA-TMM无需进行子单元划分,可以看作是从根源上解决了TMM的长跨度高频计算失稳问题,但计算时间会大幅度增加。

基于混合FTMM-SEA法的高速列车真空玻璃车窗隔声特性预测与分析

真空玻璃在轻质高隔声方面的性能优势尤为突出,将其用于高速列车车窗是轻量化高速列车车内噪声控制的新型解决方案。将声波在真空玻璃中的传播分解为沿真空层和沿声桥结构的两条独立传播路径,分别使用有限传递矩阵法(FTMM)和统计能量分析法(SEA)计算两条路径的声功率传递系数,建立基于混合FTMM-SEA法的真空玻璃车窗结构隔声量预测模型,并通过实测真空玻璃混响隔声量验证模型的准确性。进一步调查分析声桥结构刚度对耦合板间能量传递、真空玻璃隔声特性的影响。结果表明:减小声桥结构刚度是提高真空玻璃车窗隔声性能的一种有效的方法。与刚性声桥相比,柔性声桥具备更好的能量吸收能力与隔振特性。

用于分析单轴/双轴双各向异性媒质电磁特性的快速传输矩阵法

提出了一种高效分析单轴/双轴双各向异性媒质电磁特性的快速传输矩阵法(rapid-transfer matrix method,R-TMM).该方法基于旋度麦克斯韦方程,构造了关于电场的齐次微分方程,并通过复杂的矩阵运算,导出用于特征值求解的布克四次方程.随后,从特征方程中提取单轴/双轴双各向异性媒质的特征值.在此基础之上,通过对层状结构中电磁场在分界面处切向连续性的深入研究,构建了适用于多层媒质中平面波传播的传输矩阵.结合上下行波在不同区域的传播关系,推导出单轴/双轴双各向异性传播系数的计算公式.最后,设计了单轴/双轴双各向异性材料模型,并对R-TMM和传统传输矩阵法(conventional-transfer matrix method,C-TMM)的计算结果进行了分析.数值实验表明,R-TMM不仅能够精确计算单轴/双轴双各向异性媒质的传输系数,而且可以实现计算效率的大幅度提升.该方法为科研人员开展单轴/双各向异性媒质电磁特性的研究提供了可靠且高效的计算策略.

吸波涂层应用方案自动寻优方法

在有限质量约束下实现宽频隐身性能最优,是隐身飞机吸波涂层应用方案设计所追求的目标。本文针对多种吸波涂层的最优化分区应用问题开展研究,建立了一套吸波涂层应用方案的自动优化方法。首先,基于时域有限差分法计算模型在不同频率、方位、极化下的电磁场,对各状态电磁场做归一化和加权计算后得到总电磁场。然后,将总电磁场按照特定方向、数量进行分区,并将每个分区分别赋予相应的吸波涂层,采用传输矩阵法计算吸波涂层的反射系数以将吸波涂层的影响叠加到电磁场中。对加载吸波涂层后的总电磁场进行近-远场变换,实现模型雷达散射截面(radar cross section,RCS)的快速计算。基于改进的单纯形法和Karush-Kuhn-Tucker条件建立自动优化方法,以降低RCS或减轻吸波涂层质量为目标函数,优化吸波涂层分区方案。最后,以行波板为例,开展包含3种厚度吸波涂层的应用方案减质优化。结果表明,优化方案相比1.5 mm厚吸波涂层方案可实现吸波涂层减重50%,且行波板RCS均值提高不超过1 dB,优化效果显著。

基于传递矩阵法的Timoshenko裂纹梁自振特性分析

首先基于传递矩阵法,将裂纹截面假定一无质量扭转弹簧,通过扭转弹簧建立起各段子梁在裂纹截面处的矩阵传递关系,推导出含任意裂纹Timoshenko梁及无裂纹Timoshenko梁的传递矩阵,引入边界条件简化矩阵方程,并利用Matlab对方程进行求解。其次讨论了裂纹位置和相对深度对单裂纹简支梁自振频率的影响,与文献结果进行对比,误差最多不超过1%;然后通过ABAQUS建立悬臂梁及两端固支梁有限元模型,分析相对裂纹深度对自振频率的影响,计算结果与有限元结果进行对比,误差不超过3.86%;最后研究了不同跨高比下相对裂纹深度对Timoshenko简支梁自振频率的影响,计算结果与文献最大误差为4.56%,验证了本文方法的有效性及适用性。

非均匀变温环境中简支层合拱热弹性力学解

具有轻质高强、可设计强、耐高温等优良特性的复合材料层合结构在我国被广泛应用于航空航天、建筑结构、公路桥梁等工程领域。该文基于热传导方程和热弹性理论,建立变温环境中层合拱结构理论计算模型,研究了变温环境中二维层合拱的热力学行为,得到结构温度、热应力和位移解析解。利用线性叠加原理,将层合拱非齐次温度边界转化为齐次温度边界,基于结构内层间温度和径向热流密度的连续性,建立内、外侧温度和热流密度关系,联合内、外侧温度边界条件,得到层合圆柱拱内温度场解析解。以位移和应力作为状态变量,建立状态空间方程。基于层间位移和径向应力的连续性,借助传递矩阵法,推导出两端简支层合圆柱拱内外侧位移和应力关系,并同时对层合拱内外侧应力边界条件进行傅里叶级数展开,最终得到位移和热应力解析解。收敛性分析和数值结果比对表明了该方法的有效性和准确性。利用该文方法,探讨了外部温度环境、结构尺寸、结构层数及材料组分,对结构内温度、热应力及位移分布的影响,为变温环境下层合拱的设计提供了理论依据。

基于精细传递矩阵法的气囊隔振器横向刚度特性分析

构建并求解了预载条件下气囊隔振器的囊体力学模型,提出了一种气囊隔振器横向刚度特性的参数化计算方法。在考虑囊体预应力的条件下构建了囊体力学模型,引入位移中间向量并采用精细积分法推导了囊体状态向量间的传递矩阵,利用迭代法解析了囊体状态向量、内部压力以及结构参数之间的耦合变化关系,基于边界条件完成了囊体刚度的参数化求解,结合理想气体刚度模型完成了气囊隔振器横向刚度特性的计算分析。对比试验结果,验证了横向刚度特性计算方法的正确性,探究了主要设计参数对刚度特性的影响规律。

用于充液管路管内声传递特性分析的声传递综合法

为了研究充液管路管内声学传递特性,该文基于传递矩阵法、四端网络模型提出计算管内声学传递特性的声传递综合法,并提出了3种方法用于处理复杂管路部件与其他管路部件的连接,有效地将理论解析法和数值法或实验法获取的管路部件声学阻抗特征参数结合起来。使用理论解析法、数值法对单个管路部件的声阻抗参数、声传递响应进行了对比分析,二者计算结果吻合良好;对多直管部件的声传递特性分析结果表明:该文提出的管路部件连接处理方法1在计算管内声传递特性时能获得更好的计算精度;进一步分析直管-蝶阀-直管多管路部件串联管路系统声传递特性,计算结果与数值法吻合良好,验证了提出的声传递综合法在多部件充液管路系统声学特性分析时的正确性。

具有弹性支承的周期性输流直管的振动分析

利用Laplace变换法对修正流动模型的输流直管的流体诱发振动微分方程进行推导,得到位置相关项的解的具体表达式,基于欧拉-伯努利梁理论并经过化简最终导出输流直管的传递矩阵表达式,进一步获得整个管路系统的特征方程。相比于基于波动方法的传递矩阵法,该方法的特征方程仅为2阶,大大节省计算时间。通过与微分变换法对比发现,运用两者计算输流管路固有频率所得结果几乎一致。考虑到制造误差能够导致管路材质不均匀,用周期性来近似描述材质的不均匀性,利用该方法计算具有弹性支承的周期性输流直管的颤振临界流速,发现材质的不均匀段长度越小,结果越接近纯悬臂式输流直管,运用该方法可以优化弹性支承(包括弹性系数和安置位置)和材料特性,可将其推广至复杂结构的输流管路的动态特性研究,其可为设计人员提供精确的计算结果。