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．

基于实验模态分析的点阵夹层结构动态性能预测

引入均一化等效理论,对金字塔型结构芯体夹层材料的芯体弹性常数进行均一化等效处理,并将其用于研究该夹层材料结构的动态性能.同时采用三维(3D)离散有限元模型计算了结构的动态性能.为验证了理论预测的正确性,设计并制备了金字塔点阵悬臂梁,进行了实验模态分析,将实验结果与理论计算的各阶自振频率进行了比较.结果表明:该模型对低阶自振频率的计算结果与实验结果、3D离散有限元模型计算结果吻合得都比较好,一阶自振频率误差不到5%,其它误差在10%左右.

层叠式聚偏氟乙烯主动约束层阻尼与圆柱壳结构的振动控制

设计一种层叠式聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)主动约束层阻尼结构,将其应用于圆柱壳结构,采用Hamilton变分原理,导出局部附加层叠式PVDF主动约束层阻尼(ALCLD)圆柱壳的振动控制方程。给出层叠式PVDF主动约束层作动力的解析表达式,对两端简支圆柱壳的振动控制进行模拟。研究表明,层叠式PVDF主动约束阻尼层结构产生的作动力与PVDF层数成正比,控制电压相同时,增大主动约束层层数和粘接层厚度,可以有效地增大作动力,显著提高振动抑制效果。研究发现,粘贴在壳曲面上的主动约束层能够在径向产生大的作动力,这对壳曲面面外的振动控制非常有利。

闭孔泡沫铝的孔结构控制

为适应高技术应用中超轻闭孔泡沫铝对孔结构更高的控制要求,对过去十余年中进行的相关研究工作进行了系统整理,发现了胞体尺寸、孔隙率和孔形貌三者之间的内在关系,确定了孔结构控制的关键步骤和相互关系,建立了熔体发泡法影响孔结构控制的工艺技术框架,结合该框架系统论述了3个关键孔结构控制参数(胞体尺寸、孔隙率和孔形貌)与实际应用、制备技术、工艺过程的关系.研究表明,孔结构演变和制备技术工艺中黏度、发泡时间、凝固方式等诸多因素相互影响,互为因果,使得发泡和凝固过程变得十分复杂,给孔结构控制带来困难.要获得高孔隙率泡沫铝,对于纯铝泡沫,不仅需要根据熔体泡沫化时间与孔隙率的对应关系精确控制孔隙率,而且要在孔隙率-时间平台段适时凝固以控制孔径和均匀性,而对于泡沫铝合金,还需要采用多向凝固模式,克服凝固过程中固-液两相区的附加力场引发的收缩问题.对于新型球形孔泡沫铝合金,则需要进一步控制适量的发泡剂(1.0%)和发泡搅拌时间(100 s),使平台段降至低孔隙率阶段.面对高技术领域新的需求,提出的二次发泡法较其他技术在制备异型件方面具有更大的优势,并且其延伸发展技术在多功能大型面板开发上具有进一步发展的潜质.

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。

通孔金属泡沫中的空气自然对流传热实验研究

对水平面上通孔铜金属泡沫中的空气自然对流进行了实验研究,研究了金属泡沫孔隙率和孔密度对总传热热阻的影响.研究结果表明:与光表面相比,金属多孔表面有效地强化了自然对流散热,使总热阻至少减小20%左右.金属泡沫传热面积和自然对流流动阻力均受孔隙率和孔密度的影响.在较小的孔隙率(ε=0.9)下,对所研究的两个孔密度(400 m-1和1600 m-1),格拉晓夫数Gr存在一个转折点,当Gr小于该转折点值时,孔密度较大的金属泡沫自然对流热阻较小,而当Gr大于该转折点值时,孔密度较小的金属泡沫热阻较小.在较大孔隙率(ε=0.95)及实验所测的Gr范围内,孔密度较大的金属泡沫热阻一直较小.在所研究的两个典型孔密度(800 m-1和1600 m-1)下,孔隙率较小的金属泡沫热阻较小,但是在1600 m-1时,其热阻减小量要明显大于800 m-1时对应的减小量.

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.

轻质材料和结构在机床上的应用

概述国内外机床制造业的发展趋势,并就机床材料和构件所面临的基础研究问题进行了阐述.重点介绍机床中的材料和结构演变发展,概括了轻质材料和结构在机床行业的研究现状,讨论并展望面向高档精密数控机床应用的轻质材料和结构研究发展趋势.

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。

通孔金属泡沫表面的池沸腾实验研究

本文对烧结有厚度为30 mm的高孔隙率通孔铜泡沫的水平表面的池沸腾进行实验研究.并采用高速摄像仪对泡沫表面的汽泡生长形貌进行了可视化研究,研究了壁面过热度对热流密度、汽泡脱离直径、汽泡生长周期的影响关系。结果表明由于本文所研究的通孔泡沫厚度较大,限制了汽泡的脱离,使传热性能低于光表面,但是使沸腾起始点降低至3℃。

一种不完备测试数据下的结构损伤识别方法

在单元刚度损伤系数和振型扩阶的基础上,建立了单元的损伤控制方程,提出了一种不完备测试自由度下的损伤识别方法。该方法以单元刚度损伤系数作为识别量,通过计算结构损伤前后频率和振型的改变,然后利用控制方程反解出损伤系数,从而确定出结构损伤位置和大小。悬臂梁桁架结构的数值模拟表明,在一定的噪声水平下可以同时成功地识别出的损伤位置和程度,而且对噪声有较强的鲁棒性。

超轻金属点阵三明治板结构抗侵彻性能分析

利用有限元模拟软件(LS-DYNA),基于超轻金属点阵材料的可设计性,选取空心金字塔点阵三明治板,在四边固支受钢性弹丸垂直中心侵彻条件下研究其抗侵彻性能。三明治板中金字塔结构排列为5×5形式,靶板长为14.5 cm、宽为10.5 cm.通过分析期望从中得出各子结构在三明治板抗侵彻过程中的吸能表现,分析三明治板的总体抗弹性能及各子结构对抗弹性能的影响。弹丸作用于板的入射速度及出射速度也是我们关注的重要参数,用以量化确定三明治结构对于入射弹丸的弹道极限速度及抗侵彻能力。研究发现由于金字塔结构的特殊性,可对弹丸实现偏航,从而使得三明治板的抗侵彻性能得以显著提高。

基于统一强度理论的岩质边坡稳定动安全系数计算

岩质边坡稳定性分析中常用的Mohr-Coulomb、Drucker-Prager屈服准则,其未考虑中间主应力效应或拉压不等效应,较难反映三维复杂边坡空间应力状态。统一强度理论包含了一系列破坏准则,通过调整参数b可反映中间主应力或中间主切应力的影响程度。利用ABAQUS开发了基于统一强度理论材料子程序(UMAT),首先以三维含结构面岩质边坡为例,采用强度折减法,分别计算b为0、0.25、0.5、0.75与1共5种考虑中间主应力不同程度情况下三维含结构面岩质边坡动安全系数曲线。计算结果表明:不同b值情况下所得动安全系数数值不同,但曲线变化形状一样,最小安全系数均发生在相同时刻;另外,为更清晰地了解三维真实应力状态对安全系数的影响,从三维岩质边坡中抽取二维剖面进行了同样的计算。结果表明,在相同b值情况下,三维模型计算所得安全系数较二维模型大;随着b的增大,安全系数增大,说明不考虑中间主应力的二维计算结果低估了安全系数的大小,即三维真实应力状态下的边坡应具有更高的稳定性。

航天器相对大角度姿态跟踪非线性控制器设计

采用修改的Rodrigues参数表示相对姿态矩阵,结合相对姿态运动学方程和相对姿态动力学方程,利用Lyapunov理论的控制方法设计了非线性控制器。该方法的一个重要的优势是可以将姿态状态的跟踪控制设计问题转变成姿态状态控制的调节器设计问题,使得设计过程将大大简化。采用机动角速度受限的控制算法对控制器进行了仿真试验。验证了此控制器鲁棒性和抗干扰性较强,姿态角速度在陀螺的饱和范围以内,具有一定的工程应用价值。

松装叶片燕尾型叶根干摩擦力模型及振动响应分析

建立了叶片燕尾型叶根与轮缘接触面干摩擦力宏滑移迟滞模型,推导出了干摩擦力的数学表达式.采用一阶谐波平衡法和集中质量弹簧模型对燕尾型叶根叶片系统进行了强迫振动响应分析.计算结果表明:随着离心力增大,燕尾型叶根的等效刚度单调地增大,存在一个渐近值;等效阻尼先增后减,存在最大值;叶片系统的共振频率随离心力增大而增大,存在最优的离心力使叶片系统阻尼效果最佳.所提出的干摩擦力模型可应用于燕尾型叶根叶片振动响应分析.

长周期地脉动观测在西安地区地下构造调查中的应用

通过对西安两个区域(西安交通大学校园、市区东西与南北轴线)进行长周期地脉动观测、数据采集与分析,得到西安地区地下构造固有频率特性,进而推断出观测区地下软土层厚度分布趋势。经过对数据进行Nakamura法处理可以清晰看出:地基土层起着滤波器作用,有选择地滤掉某些成分,放大了某些频谱成分,使谱型局部受到改造;不同场地土质对地脉动的响应具有频率依赖性以及频率选择效应。同时探明观测区长周期地脉动的空间变化规律,了解了沉积层厚度以及横向变化规律,可为西安地区工程抗震提供参考依据。

时频域交互法在微滑移干摩擦阻尼叶片振动分析中的应用

为准确揭示叶片阻尼系统的动力学特征,首次引入融合时域法(描述非线性力的准确性)和频域法(求解线性系统的高效性)为一体的时频域交互法,对基于微滑移摩擦模型的凸肩阻尼结构叶片系统进行了动力响应分析,并与时域法、频域法的计算结果做了比较.计算结果显示:在一定的参数条件下,时频域交互法的计算时间与一阶谐波平衡法相近,仅相当于四阶Runge-kutta法的1/10,相对误差值却不到一阶谐波平衡法的1/2,且保持稳定.研究表明:时频域交互法对于计算微滑移干摩擦阻尼叶片振动响应具有可用性,该方法克服了一阶谐波平衡法无法将微滑移模型的准确性体现在动力学分析中的不足,而且计算效率高.

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.

高强度自润滑涂层PM304的制备

通过高能球磨与粉末冶金技术制备高强度自润滑PM304涂层,PM304涂层相对密度达到93%、抗拉伸强度达47MPa,相比等离子喷涂制备的PS304涂层,相对密度与抗拉伸强度明显提高。并且,涂层中的自润滑成分尺寸细小且分布均匀,其中Cr2O3粒子尺寸为100nm左右,BaF2/CaF2粒子为1μm左右。

内嵌流体欧拉梁减振评价及残余振动衰减分析

为了评价内嵌式黏性流体单元自适应减振方法(IVFUM)消减运动柔性结构残余振动的效果,进行了内嵌黏性流体欧拉梁在旋转态下的自适应减振试验,并对试验所测试的残余振动衰减信号进行了处理.针对旋转态下内嵌黏性流体欧拉梁残余振动信号具有刚体衰减转动的慢变信号与柔性结构残余振动快变信号相耦合的特征,提出一种简明、实用和精度良好的减振效果评价体系——单自由度等效阻尼比法,结合非线性最小二乘法对信号进行处理,并编制了相应的程序.信号分析结果可有效地评价结构内嵌黏性流体方式对运动的工程柔性欧拉梁残余振动的减振效果.