混合弹性边界下板类结构的动力学分析方法

板结构与其他构件的装配关系可用不同的边界条件进行模拟,然而针对不同边界条件的板结构进行动力学特性分析,目前缺乏统一的数学建模方法。以混合弹性边界条件下加筋、开孔的板类结构的横向振动为例,利用Rayleigh-Ritz法和模态叠加法求解矩形加筋多孔板在简谐激励下的动力学响应问题。采用将开孔板与加强筋沿交界面进行分离,结合改进的傅里叶级数设定开孔板的横向振动位移函数,利用不同刚度弹簧模拟混合弹性边界,推导加筋矩形开多孔板和边界弹簧系统的动能与势能,求解其在简谐激励下的动力学响应。经对比,理论计算结果与有限元(Finite Element Method,FEM)结果吻合良好。此外,用同样的方法分析不同孔尺寸对结构固有频率和响应的影响。研究发现,可通过改变加筋板的开孔形状、尺寸对结构的振动特性进行调整。研究成果可为混合弹性边界板结构动力分析提供一种新的技术途径,可以简化加筋开孔板结构动力分析的步骤。

大型双板导波天线对核电磁脉冲传输损耗和畸变特性

大型导波核电磁脉冲模拟器可为系统级装备试验提供自由空间辐照环境。针对此类模拟器常用的双板导波天线可能存在的传输损耗和波形畸变问题,以电磁仿真软件和算例对比分析研究了3种主要的影响因素,包括土壤的介电损耗及其抑制、前锥板向平行板转折的结构不连续、线栅阵列代替金属板的缝隙泄漏。研究结果表明:对上下极板等宽的情形,土壤损耗可使电压传输效率降低25%以上;适当展开下极板宽度可屏蔽土壤损耗;上极板转折处的结构不连续可导致平行段试验空间内电场呈现双峰交叠、幅度降低、波形畸变等特征;最大线间距0.3 m不会导致前沿显著变化。作为工程应用案例,设计了前锥长度60 m、顶高15 m、下极板拓宽3 m、由100根线栅阵列构成上极板的导波天线,试验空间超过20 m×20 m×10 m,实现了前沿2.5~3.0 ns双指数脉冲的无损耗、无畸变传输。

基于Lamb波与虚拟时间反转的延时叠加成像算法

针对传统的延时叠加成像容易产生伪像而导致缺陷不易识别且成像清晰度差的问题,提出采用虚拟时间反转技术与椭圆定位法初步定位损伤区域,进而在对应的时间窗内截取差信号,最后结合延时叠加成像技术解决了伪像和清晰度问题。以ABAQUS软件仿真的方式模拟Lamb波在损伤铝板中的传播过程,首先利用虚拟时间反转法对初次响应信号进行处理而获得聚焦重构信号,然后利用准确的时间延时作椭圆以初步定位范围,从而得到对应的时间窗来截取差信号,最后结合延时叠加成像技术对损伤进行成像。仿真和试验结果表明:该方法降低了操作难度,提高了成像清晰度,能准确有效地识别损伤位置,提高了铝板的损伤定位检测精度。

长周期波作用下平板阵列防波堤消浪特性数值模拟研究

如何有效地抵御长周期波浪是目前海岸工程所需解决的难题。板式防波堤对长周期波浪具有一定的消浪效果,且施工方便、造价低廉、适用范围广,对其进一步的研究具有重要意义。本文基于数值模拟软件FLOW-3D,建立数值造波水槽,以防波堤相对板长L_(0)/L、相对板间距j/L、相对板厚d/H及板数N为研究参数,给出平板阵列防波堤最佳布置方案及尺寸。模拟结果表明:结构参数相对板厚d/H=0.1,板数N=4,相对板间距j_(1)/L=0.3,j_(2)/L=0.1,相对板长L_(0)/L=0.6,非均匀布置四板型式平板阵列防波堤的消浪效果最好,说明该布置形式对周期小于8 s(原型周期T=25.28 s)的长周期波有良好的消浪效果。

CAP 1400蒸汽发生器干燥器性能分析及试验研究

针对CAP1400蒸汽发生器汽水分离装置干燥器的研发设计,本文从汽液分离机理、研发方式、工程设计等方面对国内外研发设计机构开展了广泛调研,并创新性地提出一种适用于先进核电厂蒸汽发生器干燥器的研发技术.本文采用数值模拟分析替代传统冷态试验对波形板进行选型研究,并采用各向异性多孔介质模型对干燥器整体三维结构模型进行数值计算,得到干燥器波形板入口蒸汽速度分布.根据计算得到的最高流速,对汽水分离装置试验件开展有针对性的热态性能试验,得到其在不同入口蒸汽流速、不同入口蒸汽湿度下的工作性能曲线,确定该型号干燥器的允许工作范围,以论证干燥器所有波形板入口处的蒸汽流速均在试验件热态试验确定的临界蒸汽流速以内,确保蒸汽发生器出口蒸汽的品质满足电厂安全稳定运行要求.

组合式密排桩基防波堤透浪特性研究

针对新型组合式密排桩基防波堤的透浪特性问题,基于现有密排桩基防波堤研究成果,通过物理模型试验,开展此新型结构透浪特性的多因素分析研究,并在试验结果的基础上,拟合出组合式密排桩基防波堤透浪系数的计算公式。结果表明,增设桩间肋板和桩后插板等组合式措施对减少透浪系数均有影响,其中增设桩间肋板对于相对桩间距小的密排桩基结构效果甚为明显。

防波板连杆机构启闭过程动态优化设计

随着潜航器功能的复杂化,其内部可用空间高度紧张,可携带的能源受到极大的限制。为减少潜航器防波板启闭机构能源消耗及空间尺寸,针对防波板启闭机构开展了受力状态分析,基于Fluent仿真分析了防波板开启过程中所受的水动力,得到防波板水动力-开度函数,由此搭建了防波板启闭机构ADAMS动力学模型,基于控制变量法分析了不同结构参数条件下,防波板启闭全过程所需驱动力矩的变化规律,得出了使得防波板启闭全过程驱动力矩较小的结构参数。结果表明:采用优化结构参数后,其最大驱动力矩减小为8.812 kN·m,较现有结构最大驱动力矩(17.934 kN·m)减少了50.86%,优化效果较为显著。工作综合考虑了防波板启闭全过程中的动态受力情况,并优化得出了防波板启闭全过程驱动力矩均较小的结构参数,该方法对同类结构的全过程动态设计有借鉴意义。

冲击波作用下变形圆板表面载荷研究

为了能够快速确定爆炸冲击波作用下变形圆板表面的载荷大小,首先,通过数值模拟方法探究了爆炸冲击波与固支圆板的相互作用过程,获取了变形圆板表面爆炸载荷的分布规律。然后,引入量纲分析,探究了圆板半径、厚度、爆心距圆板的距离、目标点距圆心的距离以及TNT当量等因素对变形圆板表面爆炸载荷的影响。最后,结合数值仿真和量纲分析,推导了变形圆板表面任意一点处爆炸载荷(最大冲量)的计算公式。结果表明,在变形圆板表面,爆炸载荷的分布非均匀,圆板中部压力峰值和冲量较边缘高;推导的公式能够较好快速计算出圆板表面载荷。研究结果可为相关防护结构设计和安全评估提供快速简单的参数输入。

基于声阻抗匹配理论的弹性吸收体研究

基于时域耦合模型理论的吸收体研究,不适用于所有模型,且基于此理论的设计过程复杂,难以在工业工程得到广泛应用。因此提出一种基于声阻抗匹配理论的弹性吸收体的研究方法,并通过理论计算、数值仿真以及实验对吸收体的吸收曲线进行验证。结果表明:本文提出的方法能够快速、简便地实现弹性吸收体的结构设计,无需额外附加阻尼材料,更有利于满足航空工程中对于结构轻量化的要求,为振动波吸收领域,尤其是弯曲波的高效吸收和减振设计研究带来了新的可能性。

进水池吸气涡控制方法

以进水池模型为研究对象,探索有效的吸气涡控制方法,基于计算流体动力学(CFD)技术,分析消波板与幕墙2种方法对吸气涡的抑制效果,并重点研究关键几何参数的影响.采用开源CFD软件OpenFOAM进行数值模拟,基于三方程的Bifurcation湍流模型求解湍流场以及CLSVOF方法捕捉气液交界面,从吸气涡形态、涡量、流线和出口吸气率等多角度对计算结果进行处理和对比分析.研究结果表明:深度为0.25 D 1的幕墙可以有效抑制进水池吸气涡,且吸气率可降低一半;随着幕墙深度增大,吸气率上升;参考海洋工程领域提出的消波板仅能推迟吸气涡的出现与发展,但无法起到抑制作用;在消波板中心位置和长度不变的情况下,改变消波板宽度均对吸气涡无明显抑制效果.研究结果可为进水池及相关工程设施优化设计提供一定的借鉴和参考.

水下非接触爆炸下冲击波载荷与速度场等效关系研究

对于平板在水下非接触爆炸下的结构响应问题,学界目前常采用仿真和试验手段开展研究。但目前的仿真手段主要采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法进行,计算效率低且在中远场计算中难以得到真实的结果,而试验手段成本较高。基于能流密度公式和TAYLOR板理论对平板水下非接触爆炸冲击波载荷与速度场等效关系展开研究,提出了冲击波载荷和等效初速度场的等效换算方法,建立了平板初速度场与水下爆炸参数的等效关系并开展试验验证。结果表明,基于能流密度的冲击波等效初速度场具有更好的计算精度和效率,这一方法可作为研究平板或者简单板架在水下爆炸冲击波作用下结构响应的一个重要的等效计算方法。

基于波包络和相位失配的兰姆波缺陷定量反演方法

针对金属板中缺陷定量评价问题,提出了一种基于波包络和相位失配的兰姆波缺陷定量反演方法;通过有限元仿真,研究了缺陷几何参数与兰姆波瞬时相位和波包络的关系;结果表明,兰姆波瞬时相位和波包络与缺陷尺寸参数的变化有较好的相关性,根据两个特征参数计算的瞬时相位累积误差和幅值累积误差可以定量表征缺陷尺寸参数的变化;在此研究基础上,结合贝叶斯理论,提出了一种基于波包络和相位失配的兰姆波缺陷定量反演方法;开展金属板中缺陷反演实验,验证了该方法对金属板中缺陷大小和位置反演的有效性和可行性,其中平面槽型、阶梯槽型和圆形腐蚀缺陷的各种反演误差均小于3%;研究工作为金属板中缺陷定量识别与评价提供了可行方案。

冲击波和破片联合作用下U型夹层板毁伤特性研究

为提升舰船抗爆防护性能,探究船用夹层结构在冲击载荷下的毁伤机理,本文设计并开展船用U型折叠式夹层板近距空爆试验,分析夹层板在冲击波载荷作用下的变形及破坏模式,并进行有限元仿真分析。在此基础上,通过在炸药底部预制破片群,研究冲击波与破片联合作用下夹层板的毁伤特性,从面板破口大小、竖向位移和能量吸收三个方面,讨论面板厚度和爆距对夹层板抗爆性能的影响规律。结果表明:在冲击波与破片联合作用下,夹层板上面板的破坏形式为挠曲大变形、边界撕裂、冲塞破口和分散穿孔;下面板以挠曲大变形和凹坑为主;上面板破口形状随上面板厚度增加由“蝶形”向“类圆形”转变,此时上面板和芯层为主要吸能构件;夹层板中心区域的变形对爆距减小较为敏感,而边缘区域变形量无显著变化。夹层板的总吸能、下面板和芯层的吸能量和占比均随上面板厚度减小而增大,下面板和芯层厚度的改变对夹层板整体吸能及各部分占比影响较小。

基于S_(0)波的正交铺层复合材料板拉伸弹性模量的测量方法

提出了一种基于兰姆波的正交铺层复合材料板弹性模量测量方法。正交铺设层合板相当于具有9个独立弹性常数的单层正交各向异性板。研究了正交各向异性板中S_(0)模态兰姆波(S_(0)波)群速度对9个工程弹性常数的敏感性。研究发现,在低频率厚度积下,S_(0)波的群速度仅与正交各向异性板的拉伸弹性模量和面内泊松比有关。通过分析正交铺设层合板等效工程弹性常数的变化范围,发现正交铺设层合板的面内泊松比变化很小,足以忽略其对S_(0)波群速度的影响。因此,可以用S_(0)波的群速度来估计正交铺层复合材料板的拉伸弹性模量,并建立了S_(0)波群速度与拉伸弹性模量的映射关系。该方法已在碳纤维增强正交铺设层合板上进行了数值模拟和实验验证。数值模拟和传统的静态拉伸实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法得到的复合材料板拉伸弹性模量与实际值的误差小于10%,为航空航天等工业领域相关结构参数的测量提供了方便。

振荡器驱动方板的有限元模型和克拉尼图形

振荡器驱动的方板在稳态振动时所形成的克拉尼图形(驻波节线图形)在噪声源识别和颗粒移动操控等领域得到广泛应用。现有的对方板克拉尼图形的研究多采用实验和近似的理论分析方法。基于参数分析建立振荡器驱动方板的简化有限元模型和适当的边界条件,进而通过固有频率和振型分析,根据振型有效质量的大小预测和再现多组实验中出现的共振频率和克拉尼图形。对薄板在任意驱动频率下的稳态振动,通过振型叠加法快速准确计算出其振幅节线图形,与实验中相同频率下的克拉尼图形几乎相同。振荡器驱动的方板在共振频率下的克拉尼图形可解释为固有频率对应的振型,在非共振频率下的克拉尼图形可以解释为多个振型的叠加。通过建立具有适当边界条件的有限元模型,对振荡器驱动方板的克拉尼图形给出具有明确物理意义解释。

周期约束阻尼设计板结构减振降噪特性分析

为了探究更加高效的阻尼减振降噪结构设计,结合人工周期结构特性与约束阻尼减振降噪技术,通过对基体板和不同约束阻尼板结构的振动与声辐射进行有限元仿真计算和实验测试,分析周期约束阻尼设计板结构的减振降噪特性。研究结果表明,相比于传统约束阻尼设计,周期约束阻尼设计可以在附加阻尼质量相同的情况下,更加有效抑制基体板宽频振动与声辐射,尤其对350Hz以下的低频振动与噪声状况具有一定改善作用,并有助于实现阻尼结构的轻量化。同时,周期约束阻尼设计也可能会增大约束层的振动与噪声以及改变结构的声辐射效率。总体而言,周期性设计对于改善约束阻尼减振降噪性能具有积极意义。

基于幂级数-波动法的功能梯度圆环板结构振动模型建立与特性研究

提出一种可用于计算功能梯度圆环板结构在不同边界条件下振动特性的幂级数-波动法。基于一阶剪切变形理论框架,将位移函数设置为幂级数的形式,结合波动列式构建功能梯度圆环板结构振动特性分析模型。通过与有限元计算结果进行对比,验证所建立振动特性分析模型在固有频率、自由模态以及频率响应计算的正确性和准确性。以此为基础,开展参数化分析工作,研究了不同结构参数对不同边界条件下功能梯度圆环板结构固有频率和频率响应的影响情况。结果表明,基于提出的数值计算方法建立的功能梯度圆环板结构振动特性分析模型可行有效,不同结构参数对结构固有特性及频率响应均存在不同的影响规律和效果。

战斗部近距爆炸舰船舱壁破口尺寸计算方法

利用能量守恒和动量定理,通过计算靶板塑性变形挠度,以极限塑性应变为准则,建立了爆炸冲击波载荷作用下舱壁结构中心区域破口尺寸的计算方法,并开展了近距离空爆模型试验。试验结果表明,本文建立的计算方法具有一定准确性,理论计算结果与本文试验结果相对误差为14.2%,与参考文献试验结果对比误差为10.9%,可对舱壁结构在爆炸冲击波作用下产生的破口尺寸进行快速估算。

青藏高原及其周缘的各向异性研究

本文利用中国国家台网在青藏地区布设的台站记录到的近5年震级在5.8以上、震中距在东经88°~120°之间的39个远震地震事件进行SKS横波分裂测量,来研究青藏高原及其周缘地区的各向异性及变形特征。在青藏内部地区,SKS横波分裂测量的快轴自西向东逐渐从NE—SW向转为E—W向,再转为NNE向,与GPS速度场方向基本一致,呈顺时针方向变化。造成此地区SKS分裂测量结果的原因可能为缅甸板块向东俯冲时发生向西的后撤运动,使得此区域的岩石圈产生环状变形。川滇地区南部的GPS数据显示了近ES向的地表形变且走滑断层走向为NW—SE向,Pms地壳各向异性快轴方向主要为S—N向或NNE—SSW向,SKS分裂结果揭示了E—W向的上地幔各向异性特征,与Pms快轴方向以大角度相交或垂直,说明云南地区深部软流圈地幔流动场与地壳及地表变形特征不一致,地幔和地壳的变形机制和各向异性来源不同,发生解耦变形。

基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究

为了分析Lamb波在健康铝板和通孔铝板上的传播规律,提出基于Lamb波的损伤信号获取仿真方法。首先绘制3 mm铝板的群速度和相速度频散曲线,然后调制激励信号,在有限元软件Abaqus中建模仿真,获得Lamb波在铝板上的信号,最后再将各信号带入损伤因子公式中计算SDC值。研究结果表明:距离激励点的位置越远,Lamb波衰减的越厉害;相同位置,接收到完整板的信号幅值大于损伤板;传感器距离损伤位置越近,损伤因子越大。研究结果为无损检测成像技术提供理论支持。