旋转变截面梁自由振动特性研究

本文以中心刚体-变截面柔性梁为对象,研究由中心刚体引起的动力学耦合效应对变截面柔性梁的自由振动特性影响.首先基于哈密顿原理,考虑中心刚体和旋转梁之间的耦合作用以及中心刚体的离心力作用,建立中心刚体-柔性梁的动力学模型;然后,利用傅里叶变换将动力学模型的偏微分方程转换为频域上的常微分方程,并通过数值差分法求解旋转变截面梁的固有频率和振动模态;最后,将本文中的动力学模型经退化后与已发表的不同类型变截面梁自由振动特征进行对比验证,其结果吻合一致.通过数值计算,进一步系统地揭示了变截面的几何特性、中心刚体的旋转速度以及中心刚体-柔性梁的惯量比对振动频率和模态的影响规律.本文的研究工作证实了存在耦合效应的非线性系统的稳态响应反映的是系统宏观的振动特征,这一特征不仅依赖于柔性结构本身固有的振动特性,也依赖于柔性结构的外部运动环境.     

简支-挠性支撑梁的振动特性与轴向压缩稳定性研究

针对可移动简支具有挠性/不确定性的简支梁系统, 采用柔性多体系统动力学相对描述方式, 建立可描述其整体转动和相对变形的非线性动力学模型, 解析结合数值分析了可移动简支刚度对系统模态和轴向压缩稳定性的影响。研究表明, 简支梁可移动简支刚度相对梁刚度偏小时, 对系统低阶频率、低阶振型和失稳模式影响显著, 主要体现在梁的整体转动特性上, 且相对描述方式中的低阶振型也与经典梁的模态不同, 体现了整体运动对相对变形模态的影响特性; 简支梁可移动简支刚度相对梁刚度偏大时, 主要对系统高阶频率和振型有一定影响, 而对低阶频率、振型和失稳模式的影响很小。此研究成果和认识对于梁构件约束边界设计与柔性多体动力学理论的应用具有重要意义。     

半刚性连接钢框架频率的研究

通过对焊接连接、端板螺栓连接、角钢螺栓连接钢框架进行动力试验,同时结合工程实际设计的不同框架进行有限元模态分析,研究了框架层数、框架跨数,尤其是梁柱连接节点的转动刚度等参数对钢框架频率、周期等动力特性的影响.试验和理论分析表明:梁柱节点分别为焊接连接、端板连接、角钢焊接时,其结构的周期依次增大;半刚接钢框架的周期、频率介于刚接和铰接框架之间,节点存在的柔性将降低结构的自振频率,特别是对结构的基本频率影响较大.     

螺栓联接的有限元建模方法研究

对螺栓联接的有限元建模方法进行研究和评估.以螺栓-法兰联接为例,基于有限元分析软件ANSYS,建立了3种螺栓联接的有限元模型,即实体螺栓联接模型、梁单元联接模型和刚性单元联接模型.模态试验和应力分析表明,实体螺栓联接模型和梁单元联接模型具有广泛的适用性,可准确分析螺栓联接结构的静态特性和动态特性.相比实体螺栓联接模型,梁单元联接模型在保留了关键细节的同时提高了建模和计算效率.刚性单元联接模型不能模拟螺栓预紧和接触,只适用于模态分析.试验和仿真均表明,螺栓预紧力的大小对结构模态影响很小.仿真表明,螺栓联接表现出复杂的非线性特性,如应力的非线性变化、法兰之间接触状态的变化、螺栓总拉力的非线性变化等.      

作大范围运动弹性结构振动频率及模态的摄动解

根据参数摄动理论,建立了作大范围运动弹性结构特征频率与模态的摄动理论,推导了作大范围运动弹性结构的特征频率与模态的1阶、2阶摄动方程.以作大范围运动弹性梁为例,求解了作大范围转动弹性梁振动频率与模态的1阶、2阶摄动近似解,并与结构动力学意义下的频率与模态进行了比较.该方法解决了在柔性多体系统中大范围运动对柔性体变形运动的振动频率与模态的影响这类刚 柔耦合问题,同时为任意柔性多体系统刚 柔耦合动力学程式化建模提供了高效、精确的离散方法.     

剪切变形与转动惯量对超声波电机振动特性的影响

从梁的振动基本理论出发,寻求适合不同结构超声波电机的振动理论与振动方程,分析和计算了环形和柱体两类超声波电机的振动模态和固有频率,研究了剪切变形与转动惯量对超声波电机振动特性的影响.结果表明:估算大直径环形超声波电机的振动特性可采用伯努利欧拉梁理论;计算柱体超声波电机的振动特性时,必须考虑剪切变形和转动惯量的影响,即应采用铁木辛柯梁理论.     

含非线性柔性约束梁结构的多稳态响应实验研究

运用实验方法研究含非线性柔性约束梁结构的多稳态响应特征.实验主要研究了柔性约束的预变形和激励力幅值对梁结构多稳态响应特征的影响规律.实验结果表明,梁结构的频响特征与预变形改变的方向无关;选择梁结构频响中不稳定区间内的频率点进行定频激励实验,对得到的时域数据进行分析,结果表明,在不稳定区间内,梁结构的位移响应表现出两个或多个稳态现象,各稳态间的位移幅值相差几倍甚至十几倍,在外部扰动作用下,各稳态之间会发生相互切换.研究结果为非线性系统多稳态现象的研究提供了丰富的实验支撑.     

预应力薄膜充气梁模态的分析方法及特性

为有效揭示预应力薄膜充气梁的模态特性,文中首先根据柔性薄膜结构的受力特点,考虑大变形、初始预应力等几何非线性效应,通过小杨氏模量法找形分析得到平衡形态,继承其位形与初始平衡应力;然后采用分块兰索斯法对薄膜充气梁模态进行数值计算分析,考察了影响薄膜充气梁模态特性的主要因素:压力、薄膜厚度、管径;最后,提出薄膜结构湿模态概念,考虑外流场对薄膜充气梁的耦合作用,分别采用拟密度法和流固耦合法计算了薄膜充气梁的湿模态,通过与干模态的比较验证了外流场对薄膜充气梁的耦合效应.     

扭力梁横梁结构参数对模态频率的影响分析

作为扭力梁的关键组成部分,横梁对扭力梁模态频率有着重要影响,为从本质上探究横梁结构大变形下对模态频率的作用机理,以在概念设计阶段为扭力梁结构提供设计参考,开展了扭力梁横梁结构参数对模态频率的影响分析.将扭力梁模型抽象为具有定性特点的简化模型,采用Hypermesh建立了相应有限元模型;选取横梁水平位置、开口方向以及开口角度大小等横梁主要参数作为研究对象,采用Hypormorph网格变形以及模型重建的方法改变横梁结构参数,分析了这些参数对扭力梁扭转以及垂直弯曲模态频率的影响规律,得到了以上横梁参数与相关模态频率的特性关系曲线.结果表明：扭力梁模态频率随着横梁开口角度的增大呈线性递减,随着横梁开口方向的改变其各阶模态频率呈正弦变化,以及横梁在远离衬套后会使扭力梁各阶模态频率呈下降趋势.根据扭力梁作用机理分析上述结论,对扭力梁简化模型进行了优化,在不改变横梁质量的情况下,仅优化上述三项横梁结构参数即可较大幅度提高扭力梁模态频率,有效论证了作用机理分析的准确性.     

薄膜充气梁模态分析方法及特性研究

薄膜结构模态特性是研究其动力性能的基础,本文首先根据柔性薄膜结构受力特点,考虑大变形、初始预应力刚化几何非线性效应,通过小杨氏模量法找形分析得到平衡形态,继承其位形与初始平衡应力,然后采用分块兰索斯法对薄膜充气梁模态进行数值计算分析,考察了影响薄膜充气梁模态特性的主要因素：压力、薄膜厚度、管径（长细比）。提出薄膜结构湿模态概念,考虑外流场对薄膜充气梁的耦合作用,分别采用拟密度法和流固耦合法计算了薄膜充气梁的湿模态,通过与干模态的比较验证了外流场对薄膜充气梁的耦合效应。     

基于Iwan模型的螺栓非线性接触建模与参数辨识

螺栓连接在使用过程中会产生非线性现象，主要包括微观碰磨与宏观滑移等。本文主要建立了基于Iwan模型的螺栓连接结构动力学模型，并通过实验研究实现了模型的参数辨识。引入六参数Iwan模型，对力-位移方程进行数值求解，绘制Iwan模型非线性位移与非线性力关系曲线，解决了传统螺栓连接模型计算精度不高的问题。针对螺栓结构动力学模型参数辨识问题，采用万能试验机拉伸实验与振动实验平台激振试验结合，识别构建的模型参数，实现模型构建。实验结果表明随着螺栓直径的增加，宏观滑移残余刚度会随之增加。研究结果可为螺栓结构设计分析与计算提供参考。     

频闪全息测振的误差分析

本文讨论了频闪全息干涉测振技术在进行模态分析时,由于采用激振频率离散步进的方式进行激励,在共振区往往会产生峰值测量误差,提出如何根据最大允许测试误差选择合适的离散频率增量;文中还探讨了文献[1]中所提出的复模态分析方法,由于被测系统有一定的非线性而产生的理论误差,和当激励信号本身存在一定的失真度时,由于高阶次谐波分量与系统的高阶共振频率一致而引起的系统共振响应对测试结果的影响;指出了影响测试结果最严重的是较低阶次非谐振分量.     

基于系统响应的模态截断方法的研究

该文以欧拉－伯努力梁为模型,推导出基于系统响应梁的模态截断准则,根据模态价值大小取舍模态,其结论可推广到大型复杂结构系统。该法考虑了可观性向量、模态增益、结构阻尼系数及模态频率,较简单地频率截断法是一个很大的改进,降价后的模能很好地近似原系统性能。文末给出了一个简支梁模态截断的例子。     

高速列车半主动悬挂系统的振动及主动控制

本文对两自由度高速列车半主动悬挂系统的垂向振动进行研究,考虑了二系悬挂中的刚度三次非线性。采用模态设解法、多尺度法得到了振动系统的二次近似解析解及振动系统的平均方程。振动系统的二阶模态振幅远远大于一阶模态的振幅,重点讨论了外激励频率趋近振动系统二阶模态频率时的振动控制情况。对线性系统的时滞反馈控制表明,存下一个最佳的反馈增益系数,无论时滞量如何取值,当反馈增益系数取得该值时,车体的振幅达到最小。对非线性时滞反馈控制,针对某一反馈增益系数,存在时滞的某些减振区间,当时滞量在该区间取值时能够抑制车体的振动。并且存在一些时滞的最佳值,车体的振幅达到最小。研究结果表明,能够利用时滞反馈控制改善悬挂系统的振动特性,达到抑制车体振动的目的。     

考虑温度梯度的氧化锆整体叶盘振动特性分析

为了研究温度场对热障涂层(thermal barrier coatings, TBC)整体叶盘振动特性的影响,考虑温度梯度在叶片厚度方向的非线性分布,并建立TBC整体叶盘有限元模型。基于热-固耦合原理和稳态热传导理论,采用有限元方法分析了TBC整体叶盘模态特性,绘制坎贝尔图研究频率转向,并在频率转向区进行响应分析。结果表明：非线性温度分布的温度场会降低TBC整体叶盘的模态频率;其模态频率转向区的转向间隙因温升而逐渐降低;在激振力作用下,受迫响应曲线因温升而出现左倾趋势且响应峰值逐渐增大,影响范围在10%以内。可见温升对TBC整体叶盘振动特性影响显著。     

电动轮刚性环耦合特性模型建模与分析

为进行电动轮高频转矩激励下的振动响应分析,基于刚性环轮胎模型假设,考虑轮辋与轮毂电机弹性连接关系建立了电动轮刚性环耦合特性模型.通过电动轮工作模态试验对模型主要刚度参数进行了识别,并结合胎面参数分析了模型的固有特性.所建立的电动轮模型能够准确描述胎面径向一阶平移频率和周向旋转频率,且考虑轮辋与轮毂电机连接柔性改变了原有的轮胎环、轮辋固有频率分布,可以避开原有峰值频率.根据电动轮轮毂电机实测激励频率特征,对所建立的电动轮刚性环耦合特性模型进行了相应频率的转矩激励.分析表明,考虑轮辋与轮毂电机间弹性连接耦合特性关系,能够减小原有电动轮一阶径向平移频率附近的轮胎与车身的振动加速度响应,为电动轮结构设计提供理论指导意义.     

一种三自由度并联机器人的动力学分析

介绍了一种三自由度并联机器人系统,建立了系统固定坐标系和运动坐标系.使用有限元法和弯曲振动法分析了机器人的动力学特性,建立了机器人的动力学方程,并对比了假设模态法的动力学特性.通过机器人的实验系统获得了机器人的共振频率和阻尼比,并分析了共振模态.将三种计算方法得到的固有频率与实验值作了比较,结果表明假设模态法获得的固有频率更接近于实验值.     

摩托车振动分析与改进

针对某摩托车手把振动存在的问题,从手把结构动特性和发动机激励间的匹配关系入手,分析与改进摩托车的振动。某125 mL摩托车振动舒适性的道路试验评价表明其手把振动较差,尤其在55 km/h左右时振动剧烈,严重影响了舒适性。路试还揭示了摩托车的高频激励主要表现为发动机的1阶往复惯性力。而结构模态分析表明手把管与56.7 km/h左右时的发动机激励会发生共振。因此修改手把管结构以提高其固有频率,最后进行了实车振动舒适性道路对比试验。结果表明修改后手把振动的共振车速提高了,改善了常用车速下的手把振动。分析结果表明手把管动态特性对手把振动具有重要影响,应避免与发动机激励发生共振。     

基于模态灵敏度分析的某轻型卡车驾驶室结构优化

建立了某轻型卡车的驾驶室白车身有限元模型,并对其进行了数值模态与试验模态的计算和分析。基于模态匹配原则对驾驶室进行动态特性分析,并对该卡车驾驶室进行基于模态一阶频率灵敏度分析的驾驶室结构优化,降低了驾驶室的一阶扭转频率,增大了其与发动机怠速激励频率的差值,一定程度上达到了减振降噪的目的。