强度与振动教育部重点实验室近期研究工作进展

本实验室于1985年由原国家计委投资建设，主要支撑学科为力学，其中：固体力学为首批博士点、首批国家重点学科．实验室主任和学术委员会主任分别由王铁军教授和杜善义院士担任．实验室总体定位是面向国家重大需求和国际学科前沿，开展应用基础研究．重点研究重大装备、国家安全、交叉边缘及其它领域中的关键力学问题，强调理论、方法与技术创新．主要研究方向为：（1）固体变形与强度理论；（2）复杂系统动力学与振动控制；（3）超轻多功能结构及多场耦合；（4）结构安全与监检测．

孔板消减气流脉动的数值模拟及实验研究

添加孔板是一种消减压缩机管道系统内气流脉动有效而简便的方法,尽管在工业生产中已被广泛应用,但是其设计和制作所需的各个参数尚处于靠经验取值的阶段。针对这种情况,首先阐述了孔板消减管道内气流脉动的机理;然后使用流体仿真计算软件Fluent建立了管道内气体的二维非稳定流动模型,计算了孔板对管道内气流的压力脉动的影响;并在数值模拟的基础上,搭建了往复式压缩机管道系统实验平台,在进气管线研究了孔板对气流脉动的消减作用。通过数值模拟和实验研究分析了孔板孔径比对气流脉动的影响,并指出选用恰当孔径比的孔板不仅能有效降低主管线和缓冲器至孔板段管线的压力脉动幅度而且对压缩机进口段管线内压力脉动同样具有良好的消减效果。

激光激励微型硅悬臂梁的振动特性研究

用光学探测方法研究了半导体硅悬臂梁的振动问题;运用基于外差干涉原理的实验装置得到了悬臂梁在激光激励下的振动响应(振动振幅和相位随调制激光频率的变化);采用等离子波和热弹性波的数学模型,对悬臂梁的振动进行了理论分析;实验与理论模拟结果吻合得很好,同时通过分析可得:振动相位与调制激光频率的平方根之间有线性关系.

基于振动信号神经网络层合板分层损伤检测研究

基于振动信号应用神经网络研究层合板分层损伤的检测方法.对层合板分层损伤区域,采用相同坐标不同节点建立了分层损伤处的有限元模型;通过数值模拟提取结构无损和不同程度面积分层损伤的全局振动标识量;重点研究神经网络对层合板分层损伤位置和损伤程度的检测技术.研究表明,用结构全局振动标识量作为人工神经网络的输入,对层合板结构分层损伤检测是一种很有效的工程实用技术,可应用于实际结构的在线损伤检测.

轻质金属三明治板的隔声性能研究

基于金属三明治板的周期特性,建立了其夹芯层等效弹簧和扭簧组合模型。利用所建立的模型和空间谐波展开法,首先研究了中间为空气腔的双层板的隔声性能,理论结果与实验结果取得较好的一致,验证了模型的合理性;并进一步研究了中间层为瓦楞加筋三明治板的隔声性能。结果表明,声波入射角以及瓦楞加筋板与平板的夹角对其隔声性能影响显著,适当改变瓦楞加筋板与平板的夹角可以有效避开结构的隔声低谷;三明治板对垂直入射声波的隔声效果最好。

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。

功能梯度材料板中Lamb波传播特性研究

对材料性能参数沿厚度连续变化的横观各向同性热应力缓和型功能梯度材料板中Lamb波的传播问题,采用幂级数法,求得其相速度方程.借助数值算例,分析了参数梯度变化对Lamb波频散曲线的影响,并与相应陶瓷板和金属板中的频散曲线进行了对比.进一步研究了参数梯度变化对波结构的影响,揭示了Lamb波在这种非均质板中的传播行为,所得结果可以为功能梯度材料及结构的超声表征与检测提供理论依据.

无限元方法及其应用

无限元是几何上趋于无穷的单元,它是一种特殊的有限元,也是对有限元在求解无界域问题上的有效补充,并可实现与有限元间的无缝连接．无限元分为映射无限元和非映射无限元:映射无限元需要引入几何映射,在局部坐标系中构造插值形状函数,如Bettess元和Astley元;非映射无限元则直接在整体坐标系中构造插值形状函数,如Burnett元．本文评述求解无界域问题的无限元方法的研究现状和最新发展．首先介绍无限单元的概念和无限元方法的特点;围绕求解以Helmholtz方程控制的波动问题,评述几种常规无限单元的优劣,这些单元包括Bettess元、Astley元和Burnett元．然后介绍新近提出的广义无限元方法,以及与常规无限元方法的区别与联系．最后对无限元方法在各种问题中的应用做了总结．

具有温度自补偿功能的高分辨力倾角传感器的设计

基于微加速度倾角测量原理,研制了一种高分辨力数字式倾角传感器。针对温度漂移现象,采用MSP430微处理器和DS18B20温度传感器进行了温度补偿智能化设计。针对嵌入式单片机编写了实时IIR数字滤波算法,有效抑制高频振动噪声干扰。通过分段线性化标定的方法,对传感器进行零位设置和倾角标定。实测结果表明:传感器倾角测量精度可达0.001°。

PC及PC/ABS共混物的疲劳裂纹扩展研究

研究了聚碳酸酯(PC)和PC/ABS高分子材料的疲劳裂纹扩展规律,利用改进柔度法测量其裂纹扩展速率,采用扫描电子显微镜(SEM)观察其断口形貌,分析疲劳裂纹扩展机理.在较大裂纹扩展速率(10-6～10-3mm/cycle)范围内,PC/ABS的疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式da/dN=9·5587×10-5(ΔK)2·88381来描述.高分子材料PC的疲劳裂纹扩展速率约为高分子材料PC/ABS的3倍.高分子材料PC/ABS疲劳裂纹面上的特征以韧窝为主,较低裂纹扩展速率对应较小的韧窝,较高裂纹扩展速率对应较大的韧窝.高分子材料PC疲劳裂纹面有明显的不连续裂纹扩展带,其裂纹面相对较平.

基于涡流信号的应力腐蚀裂纹区域电导率特性研究

对应力腐蚀裂纹进行涡流检测定量重构时,因裂纹区域电导率特性尚不明确,影响了裂纹的定量精度.本文将裂纹考虑成由多个等厚层组成的模型,采用高频涡流检测仪器和高精度涡流检测数值模拟程序对应力腐蚀裂纹区域的电导率特性进行了分层研究.通过计算和实验,初步验证了检测方法的可行性,并给出了应力腐蚀裂纹电导率值初步结果.

基于骨骼自适应理论优化模型的骨重建数值模拟

我们根据骨重建的自适应理论以及结构优化方法,建立了骨重建数值模拟的反问题求解模型和算法。由材料密度分布描述骨内部重建,材料密度的变化通过优化方法求解。股骨、长骨干和腰椎体冠状面(外部形状和内部结构)重建模拟的计算结果,符合实际情况,反映了骨结构对荷载环境的自适应特征,表明本文方法是骨重建研究的一种有效数值方法。

力锤敲击作用下内嵌自主移动钢球欧拉梁碰撞减振性能研究

结合内嵌自主移动质量子系统梁/板实验平台实验结果,对力锤敲击作用下,内嵌自主移动钢球欧拉梁碰撞减振系统进行研究。采用线性弹簧-阻尼模型模拟钢球与梁之间的碰撞机制,通过分析建立了整个碰撞系统的分段线性动力学方程;运用无量纲化、假设模态法及高阶模态截断等方法导出系统的状态空间方程。数值计算结果表明,内嵌自主移动钢球对欧拉梁残余衰减振动在幅值上有较好的碰撞阻尼减振效果,但对低幅衰减振动的时间有所延长。钢球在梁的碰撞作用下获得初始动能,反过来对梁实施碰撞减振,碰撞的频率与幅度随梁振动的衰减而减弱;钢球质量增加,碰撞阻尼减振效果增强。

坡形加热下的二维广义磁热黏弹性问题研究

运用具有一个热松弛时间的广义热黏弹性理论,研究了处于均布磁场中的二维磁热黏弹性问题．运用 Laplace变换(对时间变量)和Fourier变换(对于一个空间变量),得到了变换域内场量的精确表达式,并把结果应用到表面受到坡形加热的半空间问题．应用数值逆变换得到了时间-空间域内场量的解,对丙烯酸塑料给出场量的响应图．并把运用广义热黏弹性理论所得的结果与传统热黏弹性理论及热弹性理论下的结果进行了比较．

高速列车车厢结构声-振耦合响应数值分析

为研究高速列车运行时结构表面产生的强声压对乘坐环境和结构破坏的影响,针对某型高速列车建立车厢声-振耦合有限元模型,研究车厢的结构模态、室内声场模态及结构-声场耦合系统模态;针对其所处特殊动态环境,计算耦合系统谐响应,考察其振动特点及室内噪声分布情况.计算结果表明,车厢结构低阶模态显示出良好的整体性,在较高频段内以局部模态为主;空腔声场各阶模态振型对称,耦合系统模态大部分与结构模态相似;车厢结构的振动以车头、车顶、侧墙为主,其中车头鼻锥处、车底及车顶局部位移响应较大,车头鼻锥及其车厢壁板处声压响应较大.

一种频域载荷识别的优化方法

从优化的角度出发,利用遗传优化算法得到频域载荷谱,使得其产生的响应谱与实际的测量结果之间的误差足够小,这样可以认为所得到的载荷谱也就反映了实际的激励,即达到了载荷识别的目的,仿真结果说明了这种优化方法的有效性。

电磁超声的数值模拟方法

电磁超声检测技术由于无需媒介以及与被测物体非接触,不但可提高检测效率,而且可将超声检测技术的应用扩展到高温、高速和在线检测。根据电磁超声传感器的工作原理,建立了基于有限元的电磁超声无损检测数值分析方法,开发了相应的计算程序,验证了其有效性。应用开发的电磁超声数值模拟程序,研究了不同激励方式对电磁超声波的影响,得到了相应超声波在均匀各向同性金属介质中的传播过程。该计算方法和程序为实际电磁超声检测中缺陷的定量和探头优化提供了手段。

主共振激励下内嵌流体悬臂欧拉梁自适应减振性能研究

结合内嵌自主移动质量梁/板实验平台实验结果,对一、二阶主共振激励下内嵌流体悬臂欧拉梁自适应减振模型进行了数值模拟。通过简化,将实际的流固耦合模型近似转化为具有活动边界的流体动力学模型。模拟结果与实验现象吻合较好,揭示了封闭腔内流体在梁作用下的三种运动特征。分析了流体壁面压力曲线特征,并建立了它与流体运动特征间的联系。通过与梁振动位移比较后发现,壁面压力曲线在时间上存在有明显的滞后特性。基于能量耗散的观点,针对简化的流体动力学模型,提出了流体运动能耗量化准则,从流体运动层面给出了判定减振性能的量化标准。

低密度开孔泡沫蠕变松弛特性分析

利用三维Voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明,低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度较低时(低于1%)开孔泡沫的松弛模量与胞壁材料的松弛模量和泡沫相对密度平方成正比.此外,计算结果还表明,低密度开孔泡沫在较小的初始应力条件下具有与其胞壁材料相同的延迟时间,其蠕变柔度与胞壁材料的蠕变柔度和泡沫相对密度平方倒数基本成正比.但随着初始应力值的增大,泡沫的延迟时间将会显著增加.

基于MSP430的高精度倾角测量系统设计与实现

针对数字化火力对抗系统中装备倾斜角度精确测量的要求,设计了一种高精度的倾角测量系统。系统包括以加速度计SCA103T和微处理器MSP430为核心的硬件电路,以A/D转换器ADS1110采样控制、温度传感器DS18B20温度补偿和全双工异步通信为核心的下位机软件,以及以微软基础类为核心的上位机软件。编写IIR数字滤波算法,充分抑制振动噪声干扰。实测结果显示,本系统倾角测量精度可达0.002°,具备环境温度补偿功能,满足实际火力对抗的需求。