动车组头车声固耦合模态分析及多目标优化

目前针对高速列车领域声固耦合共振现象的产生机理和影响因素尚缺乏深入探讨,并且基于声固耦合共振理论的车体优化设计也需进一步开展。该研究基于模态等效和质量等效原则建立动车组头车有限元模型,分别进行结构模态、声场模态和考虑内外声场影响的声固耦合模态分析。分析结果表明:结构模态频率符合头车设计规范;声场模态存在与结构模态相近的特征频率,为后续耦合共振优化提供依据;内外声场的耦合作用导致结构和声场系统的模态参数变化,论证了模态分析中考虑声固耦合因素的必要性。基于模态分析结果,对动车组头车结构进行了两项优化设计:以车体质量最小化为目标,车身厚度为设计变量,在满足一阶垂弯模态频率约束条件下进行车体减重设计;为避免耦合共振影响,提取结构和声场固有频率值接近的模态阶次,将二者的频率差最大化作为优化目标,引入车体减重设计模型,形成头车轻量化与舒适性指标同步提升的多目标优化体系。

HRM立磨机架动力学耦合模态分析

当立磨机架固有频率与特征频率接近,会因共振加剧振动,缩短使用寿命。为了提高机架动态性能,以某型号HRM立磨为研究对象,采用有限元法对现有机架进行动力学耦合模态分析,以立磨整体机架结构尺寸为目标函数,机架等效应力和综合位移为约束条件,将力学计算与模态优化加权处理,在有限元软件中构建耦合模态有限元模型进行迭代优化求解。优化结果表明,优化后的机架固有频率与特征频率接近率为34%,与优化前接近率13%相比较效果有明显提升,经测试验证,优化后振动值较优化前降低了17%~29%。

弹性地基输流管道的耦合模态颤振分析

推导出了弹性地基输流管道的固_液耦合振动微分方程 ,用幂级数法计算了Winkler模型地基和双参数模型地基输流管道的临界流速和复频率 ,分析了弹性地基对输流管道静力稳定性与动力稳定性的影响· 结果表明 ,与不考虑弹性地基的情况相比较 ,弹性地基的作用可使管道发生静力失稳和动力失稳的临界流速增大 ,并且增大弹性地基参数可提高静力失稳和动力失稳的临界流速 ,从而推迟发散与颤振的发生· 当质量比 β较大时 ,管道会在某个地基参数组合下 ,在发生静力失稳后 ,会在较高流速下出现再稳定和再发散现象 ,然后发生耦合模态颤振·

基于PolyMAX的声固耦合模态试验研究

白车身的结构模态频率和模态振型反映了汽车车身结构的固有特性,对车内噪声有重要影响。车内空腔跟车身结构一样,同样拥有模态频率和模态振型。采用LMS数据采集系统对某国产SUV进行车内空腔声学模态试验。首先基于传声器阵列的方法获取响应点的信号,然后利用PolyMAX方法提取声学模态频率及振型。将声学模态频率与白车身结构模态频率进行对比分析,结果表明:车内空腔的第一、二阶声学模态分别跟白车身的第四、十阶结构模态有很强的耦合。最后通过实车测试验证了声固耦合共振时低频轰鸣的存在。可以在关键部件增加板厚、顶盖和地板附加阻尼层、顶盖加加强筋等方式改变车身结构的局部模态来破坏车身结构模态和声腔模态的强耦合状态,降低车内的低频轰鸣声。

1998年东亚夏季风环流相互作用的低频耦合模态及其位相特征

利用1998年SCSMEX试验期降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料, 将物理量场在降水EOF分析得到的时间系数上展开,分析东亚夏季风环流低频变化特征。在揭示环流及我国东部降水异常观测事实的基础上,研究了它们之间相互作用的低频耦合模态及其可能机理,并讨论了低频位相变化与长江流域降水的关系,指出暴雨期次级环流是高低空环流相互作用的可能纽带。

车内噪声控制中的结构-声场耦合模态分析方法

车内噪声中的结构噪声是由车身结构振动与车内空腔声场的耦合产生的 ,传统的振动模态分析方法在针对车内噪声控制时由于没有考虑这种耦合特性而存在很大的局限性。本文在介绍结构 -声场耦合模态分析方法的原理基础上 ,研究了该方法在车内噪声测试分析与控制中的应用与工程实现 ,并开发出了相应的测试分析系统。该系统在某车车内噪声控制中取得了明显的降噪效果。

结构振动的独立模态和耦合模态的组合控制

基于模态空间控制的基本原理 ,提出了一种将独立模态控制与耦合模态控制相结合应用于结构振动主动控制中 ,得以利用两者的优点而使控制更加有效和稳定的方法。利用该组合控制法 ,可实现在一个控制过程中实时跟踪主被控模态的变化从而对其实施独立模态控制以达到有效地抑制结构的主要振动。而对其它非主控模态则实行耦合模态控制。这样 ,可使控制系统的稳定性提高、减少作动器 /传感器的数量、降低控制能耗 ,并能在不同的激励下达到最佳的控制效果。数字仿真的结果表明了这一方法的可行性与有效性 ,并与相应的独立模态和耦合模态控制下的结果进行了比较。

东亚-北太平洋副热带海气耦合模态及其对降水的影响

利用53年的NCEP/NCAR再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,使用SVD方法研究了东亚-北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态。分析结果表明,中纬度北太平洋地区存在两种主要的海-气耦合模态,第一模态是海温异常分布的纬向型,第二模态主要表现为经向海温差异分布。两种空间耦合模态共同反映出中纬度北太平洋地区大气和海洋的异常中心有很强的局地耦合性。在第一模态的正(负)异常年,东亚-北太平洋地区主要为负(正)的降水异常,在第二模态的正(负)异常年,东亚和北太平洋的大部分地区出现降水正(负)异常,北美西岸及以西的部分区域出现降水的负(正)异常。两个模态所对应的降水差异显示,海气耦合模态的循环变化有利于形成我国降水分布南北差异的改变。

基于PZT扭振模式的纵-弯耦合模态驻波型直线超声波电机

基于耦合振动理论设计出一种新型偏心式结构的驻波型直线超声波电机,其工作模态为包含一阶纵振成分与二阶弯振成分的耦合振动模态。与纵振和弯振的复合振动模态不同的是,该研究所设计超声波电机的工作模态通过构造定子的质心偏移条件,将这两种振型成分耦合,形成定子的耦合模态。其中,二阶弯振成分由金属弹性体两端压电陶瓷(piezoelectric ceramics,PZT)的扭振模式(d_(15)模式)激励产生,一阶纵振成分通过耦合同时产生。设计了工作于d_(15)模式的压电陶瓷的极化以及电源激励方案,详细阐述了电机的工作原理。利用有限元分析软件对定子的结构尺寸进行了设计,并对定子进行瞬态分析以得到各驱动足的运动轨迹。制作电机的试验样机并搭建试验平台,测试了样机的频率特性、电压特性以及机械特性。

西北太平洋水汽输送异常及其与中国夏季降水的耦合模态

基于长时间序列的大气资料,计算了西北太平洋地区的水汽输送通量,分析了水汽输送通量场的时空变化特征,并给出了西北太平洋水汽输送通量与中国夏季降水异常的耦合模态。结果显示:西北太平洋水汽输送通量场具有显著的经向型、辐散型和纬向型3个主要的空间型,这三种模态的年循环特征都很显著。夏季,西北太平洋水汽输送通量异常以辐散型为主,且具有显著的准两年周期振荡特征和明显的年代际变率;在西北太平洋水汽输送通量与中国夏季降水异常前三类主要的耦合模态中,水汽输送通量异常以纬向型和辐散型为主。分析表明,西北太平洋水汽输送通量变化是影响中国东部降水异常的重要因素之一,而西太平洋暖池区、黑潮流域和中国近海尤其是南海海域则是向中国输送水汽的关键区域。这可为西北太平洋海气相互作用过程及其对中国气候的影响研究提供了必要的科学依据。

长江中下游夏季降水与西北太平洋海温的耦合模态分析

利用NOAA_ERSST海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,借用多种统计方法研究了夏季长江中下游地区降水与西北太平洋的耦合关系。奇异值分解(SVD)和相关分析显示出长江中下游夏季降水与西北太平洋夏季海表温度(以下简称"海温")密切相关,而与其他海区没有明显的关系,并且这种关系主要反映年代际变化;夏季多变量经验正交函数展开(MV-EOF)分析结果证明夏季长江中下游降水、东亚-太平洋地区上空850hPa风场、西北太平洋海温之间存在显著的耦合模态,这种耦合模态反映出长江中下游夏季降水异常偏多时,东亚-太平洋上空自南向北有异常的反气旋、气旋、反气旋波列(即东亚-太平洋型遥相关或P-J波列),东亚夏季风偏弱、北界位置偏南。依赖季节的多变量经验正交函数展开(SRMV-EOF)分析结果表明,长江中下游夏季降水与西北太平洋的耦合模态与前期ENSO密切相关:前一年秋季,赤道东太平洋开始出现ENSO信号,冬季发展成熟,同时在菲律宾以东的西北太平洋上空有一个反气旋形成;春季,ENSO开始减弱,西北太平洋出现暖海温异常,反气旋发展;夏季,ENSO信号消失,西北太平洋异常暖海温范围扩大,反气旋发展很强,同时在东亚-太平洋上空出现P-J波列,华南上空的西南风与来自北方的偏北风在长江中下游地区辐合,造成长江中下游夏季降水偏多。

基于耦合模态控制算法对空间结构主动控制的试验研究

模态空间控制方法是将系统方程转化到模态坐标下得到解耦的以模态坐标表示的方程组,根据一定的控制方法得到模态控制力从而实现了实时控制。本文通过对一个三层桁架结构进行了主动控制试验,介绍了耦合模态控制理论及其实现算法,阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置。采用五点滑动平均平滑法进行了频谱分析,分析结果表明智能结构通过有效的主动控制可以对相应的模态响应进行有效的抑制。并使得模态阻尼系数得到不同程度的提高。

5 MW风力发电机叶片耦合模态颤振参数研究

随着海上风力发电机叶片尺寸的增加,叶片柔性增大,在运行过程中容易受到气流流动引起结构的气动弹性不稳定性。长叶片由于弯扭耦合效应可能出现耦合模态颤振,导致叶片出现断叶等重大损失。叶片的结构型式不同导致结构特性不同。叶片结构参数的变化,对叶片耦合模态颤振特性有重要的影响。基于欧拉伯努利梁理论,结合Theodorsen非定常气动荷载,通过有限元方法,建立叶片颤振特征方程。研究叶片不同区域的结构参数变化,对颤振频率和转速的影响规律。结果表明,叶尖区域的参数变化对颤振结果影响较大;三个区域的颤振速度随挥舞刚度增大而减小趋于稳定值,扭转刚度提高可以增加叶片颤振速度;回转半径与颤振速度和颤振频率成反比;质心偏移对结构的颤振频率影响最小,叶尖部位的质心偏移对叶片的颤振速度影响较大。为避免耦合模态颤振发生,提高扭转频率将成为叶片颤振设计的重要因素。

Maxwell模型粘弹性输流管道的耦合模态颤振分析

推导了 Maxwell模型粘弹性输流管道的振动方程 .对简支 Maxwell模型粘弹性输流管道探讨了其动力特性和稳定性问题 .计算结果表明 ,松驰时间及质量比对其动力特性和稳定性有显著影响 .

汽车油箱流-固耦合模态及对外辐射噪声的仿真分析

以某款SUV车用油箱为研究对象,采用流-固耦合有限元和边界元分析方法,在Virtual.Lab仿真平台上分别对油箱的干模态、湿模态以及装满燃油时的流-固耦合模态进行仿真计算,得到3种情况下的油箱模态频率变化规律,并给油箱施加一定频率范围的激励力,研究其对外辐射噪声水平。结果表明,油箱干模态和湿模态的频率相差不大,而装入燃油后油箱的耦合模态频率大幅降低,油箱对外辐射噪声的高频成分得到很大衰减,但低频噪声成分有所增加。

水平地震激励下大型LNG储罐流固耦合模态分析

LNG工程是生命线工程,因此LNG储罐在地震作用下的分析要求准确和安全。首先探讨了LNG混凝土储罐模态分析中主要采用的方法,指出流固耦合模态分析的先进、准确性;其次,建立了流固耦合有限元的数值模型,给出了模型的分析结果,并进行了解释,证明了采用大型通用有限元软件Ansys分析LNG混凝土储罐的合理性;最后,比较了流固耦合模态分析的结果与理论结果,证明了数值模型的有效性,为供储罐结构后续的力学分析及相关规范编制参考。

中低纬海气相互作用的耦合模态变化研究

利用1948—2003年的NCEP再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,从整体分析地球中低纬三大洋海气耦合系统的角度出发,使用SVD方法研究中低纬海气相互作用的耦合变化。结果表明,中低纬海气相互作用是一个有机的耦合整体,其变化不管从年际还是年代际上都存在耦合相关性,这一点给我们提出了一个新的研究全球范围海气耦合变化的思路。提取的海气耦合基本模态的正、负异常年份的海温和风场异常合成分析结果显示,当赤道东太平洋的海水偏暖时,热带印度洋和热带大西洋的海水也偏暖,热带西太平洋直至中纬度太平洋的海温总体偏冷。就印度洋而言非洲大陆以南30~50°S的大片海区存在明显的海温负异常。北美洲大陆的东岸30°N以北和南美洲大陆的东岸30°S以南的海区都为明显的海温负异常。当赤道东太平洋的海水偏冷时各大海区的海温分布情况反之。

基于耦合模态的浮置板轨道减震性能研究

随着地铁列车运行速度的提高以及运行间隔的缩短,车辆与轨道之间的振动影响也越来越频繁。分析了城市轨道交通减振常用措施,针对浮置板轨道装置,通过ANSYS建立了模型,利用UM进行了数值分析,设计了基于耦合模态的弹性阻尼减振装置,进行了仿真实验对比分析,为减振设计提供参考。

西风与季风在青藏高原的耦合模态及其季节性变化特征

青藏高原是我国的水塔,西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981~2020年大气再分析资料,采用经验正交函数分解方法(Empirical Orthogonal Function,EOF)提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态,并对其季节变化特征进行分析。研究发现,第一主模态方差贡献率高达78.39%,主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流,范围从北纬5°至35°,对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统,热带和副热带地区为西南季风控制,冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看,各个季节耦合模态的强度偏强时,东亚季风和南亚季风均偏强,西风带位置偏北;反之,季风偏弱,西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o–Southern Oscillation,ENSO)是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫,拉尼娜(La Ni?a)事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强,冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风,以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%,表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势,尤其是在冬季。

一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法

针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题,本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法.将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和,对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影,推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组.耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献.为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题,将其重构为两个耦合的一阶演化方程组,引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解.利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场,并与COMSOL参考解比较,结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.