涡轮叶片高温振动特性试验技术研究

目的获取涡轮叶片实际工作温度下的模态特性、探索高温模态试验技术。方法通过虚拟试验与物理试验相结合的方式进行叶片的高温振动特性试验,首先应用基于ABAQUS的有限元分析方法,进行叶片的虚拟热试验,得到叶片的温度分布后对其模态特性进行求解。搭建叶片高温振动特性试验系统,采用辐射加热的方式对叶片施加热载荷,同时采用高频电磁振动台激振叶片,利用激光测振设备来测试叶片的速度分布从而获取叶片的振动特性参数。结果最终对比两种试验结果,虚拟试验结果与物理试验存在一定的误差,但在允差范围内。结论所述的试验方法可以为叶片振动特性测试提供科学依据,并对叶片的疲劳试验研究具有良好的参考价值。     

高温环境下薄壁结构声疲劳失效验证技术研究

目的针对高温环境下薄壁结构声疲劳失效问题,研究分析薄壁结构在高温环境下的声疲劳失效特征,验证薄壁结构热声响应计算方法与疲劳寿命预估模型的有效性。方法较系统地阐述高温环境下薄壁结构声疲劳失效试验验证技术,重点总结热声疲劳试验环境建立与加载、高温环境下噪声测试、高温环境下动态响应测试和疲劳破坏寿命测试方法,并通过具体案例说明工程中试验验证方法的有效性。结果试验件在仿真计算与试验中的破坏位置一致,响应频率吻合较好,应力水平一致,疲劳寿命量级相当。结论薄壁结构热声响应计算方法与疲劳寿命预估模型的有效性高。     

基于数字图像相关方法的石墨高温杨氏模量测试

目的为了得到石墨在高温环境下的杨氏模量,为飞行器热防护系统和高温热结构的设计提供可靠的技术保障。方法基于数字图像相关(DIC)方法和通电电阻加热技术,建立一套测量材料在高温环境下力学性能的测试系统。利用该系统,测量高温下石墨试样的表面应变场和应力-应变曲线,计算相应温度下的杨氏模量。在1400℃实验环境下,采用基于DIC与高温引伸计的方法同时测量超高温陶瓷试件的拉伸应变数据,并进行比较验证。结果在1400℃实验环境下,采用基于DIC与高温引伸计方法测得超高温陶瓷的应变-时间曲线吻合良好,方差为1.3×10-7。1200~1900℃高温环境下,石墨的杨氏模量随温度的升高呈线性增长趋势。结论采用基于DIC方法准确有效,该方法可方便快速地实现对石墨材料在高温环境下杨氏模量的测量。另外,该方法也可应用于其他导电材料杨氏模量的测试。     

基于舵面振荡激励试飞的飞机动特性识别与修正

目的通过试飞的方法,识别飞机的动态特性,包括模态频率、舵面效率、阻尼等,用以修正飞机的动响应分析模型。方法舵面振荡虽然是电传操纵飞机的一种故障情况,但是可以主动地应用于试飞,作为频域激励施加于飞机上,获得飞行状态下飞机的频响特性。通过对比试飞数据和模型分析结果,识别并修正动响应模型的模态频率、舵面效率、阻尼等参数,来建立更接近实际飞机的动响应分析模型。结果舵面振荡激励试飞数据与动响应模型振荡分析的结果在趋势上较为一致,通过对动响应模型参数的识别和修正,提高了动响应模型的准确度。结论舵面振荡激励作为一种频域激励,是飞机地面共振试验(GVT)的补充和发展,可便捷地应用于飞机的试飞试验,从而识别和修正动响应分析模型。     

燃烧室复杂结构的热振特性研究

目的提高复杂飞行器结构在服役过程中的安全性和稳定性问题。方法以复杂结构燃烧室为例,从数值模拟和试验两方面入手,研究不同工况下结构的动力学参数随温度变化的规律。结果随着温度的升高,模态频率呈下降趋势,模态阻尼呈升高、下降再升高的趋势,加热对结构的模态振型无影响。结论对于自由-自由状态的燃烧室结构,在加热的过程中,影响模态频率下降的主要因素是弹性模量的变化,热应力和几何非线性的变化可以不考虑。同时通过开展燃烧室结构的自由-自由状态热模态试验验证了数值模拟方法的正确性。     

再入环境测量火箭测试平台总体设计与关键技术

目的研究弹头再入飞行时表面的脉动压力等参数特征及变化规律,借助火箭测试平台飞行试验,同步获取自由飞行状态下载荷段外部脉动压力、时均压力、温度与内部结构振动、冲击响应数据,认识和预测脉动压力载荷与结构响应的相关性,同时为结构响应等效的数值模拟验证提供支撑。方法根据飞行试验测试的目的和要求,计算火箭测试平台的总体参数和设计系统组成,开展总体设计技术、测试系统设计技术、防热设计技术、气动弹道设计技术等关键技术研究。结果设计了再入环境测量火箭测试平台,并完成了地面试验验证,用于开展飞行试验,获取典型再入环境下的气动力热数据、弹道参数和结构响应数据。结论通过地面试验,验证了再入环境测量火箭测试平台总体设计的正确性和系列关键技术的有效性。     

振动时效法在薄壁铸件上的应用

介绍了振动时效法消除残余应力的机理以及在薄壁铸件上的应用。通过对振动时效工艺参数,包括激振点、支撑点、激振频率、激振力和激振时间等的分析,优化出了薄壁铸件的振动时效工艺。振动时效后薄壁铸件残余应力降低35％以上,应力分布得到了均化,同时与热时效相比,节约工艺成本70%以上,大大地缩短了处理时间。     

基于频率管理的装备振动环境适应性提升

梳理总结了航天结构、轨道车辆和汽车等不同领域的频率设计、频率管理和模态匹配等方法,给出了频率管理的流程、准则和原则.基于频率管理的思路和原则,采用虚实结合的方法,对某火箭发动机蓄压器系统进行了结构动力学优化设计和验证.根据局部结构频率隔离准则,将蓄压器导管主要频率从1826 Hz降低到1520 Hz,与激励源频率完全隔离.最终经过仿真计算分析和试验验证,满足实际使用环境的考核要求.采用频率管理的思路和方法能够切实提高装备的振动环境适应性水平.     

基于三维动力学模型及试验数据重用技术的全箭模态分析

目的在运载火箭设计过程中,获得精确的全箭模态数据,为火箭总体设计提供关键输入参数。方法针对全箭动特性数据的高效高精度获取问题,提出并实践基于三维动力学模型和试验数据重用相结合的模态参数获取方法,包括高精度全箭三维动力学模型建模技术、数据重用技术、多状态模型修正技术、模型综合技术。结果解决了界面连接刚度未知条件下的全箭模态精确预示难题。在设计阶段给出了高精度的动特性数据,分析结果与靶场试验结果比对,一阶弯曲频率误差在2%以内,斜率误差在4%以内,分析结果通过了靶场竖立模态试验验证,最后进一步通过型号首飞成功验证。结论靶场竖立模态试验验证和型号首飞成功验证说明提出的获取全箭动特性参数方法高效可靠。     

车用柴油机湿式气缸套振动特性分析

目的通过对柴油机湿式气缸套振动特性的计算分析,研究气缸套失效的主要原因,以提高柴油机结构的可靠性。方法基于16V280ZJ型柴油机气缸套的结构参数,采用有限元法建立气缸套有限元分析模型,对其进行模态分析,包括自由模态以及约束模态,分析气缸套的固有振动特性。然后基于16V280ZJ型柴油机的性能参数,计算气体力与惯性力,从而计算得到气缸套承受的交变侧压力。通过时-频转化将交变侧压力谱转化为频域谱,以分析气缸套承受的激励特性。结果气缸套的模态振型主要为径向弯曲振动,说明径向刚度小于轴向刚度。气缸套承受的交变侧压力的频率低于气缸套的固有频率。结论柴油机湿式气缸套受活塞侧向激振力不会发生共振,缸套的径向刚度较小,导致激振力传递给冷却水后缸套会发生穴蚀。     

振动-离心复合下土工离心机的 工作模态试验分析

目的获得离心机静止及不同运行状态下的动态特性。方法通过离心机常规模态试验,采用SIMO识别方法,利用力锤产生瞬态激励,计算出激励点与响应点之间的频响函数,通过模态拟合,得到结构的模态参数(频率、阻尼和振型)。进行离心机工作模态试验,测量结构响应并经放大变换,选择2个以上参考点进行互谱分析,获得工作模态参数。结果离心机静止时前两阶模态为绕y轴和绕x轴偏摆,频率分别为3.23、9.94 Hz,本身一阶弯曲频率为11.17 Hz。不同转动加速度下,离心机一阶工作频率为转动频率;二阶工作模态振型为绕y轴偏摆,频率随着转速的升高而增大。结论通过模态试验分析,获得了该离心机静止及不同运行状态下的模态参数,可为有限元模型修正、结构设计及优化提供参考。     

基于模态分析的某振动试验方法改进

目的对该试验夹具进行改进设计,使试验夹具首阶模态频率大于60 Hz。方法基于模态分析方法,分别采取改进夹具结构形式和改变夹具边界条件两种改进方式进行优化设计。结果根据模态分析结果发现,夹具结构形式改进对模态频率提高的效果不明显,改变边界条件能够显著提高夹具频率。改进后试验夹具首阶模态频率为69.5 Hz,大于试验输入载荷频率范围。结论试验夹具的固有频率应避开振动试验输入载荷频率范围,避免对试验结果造成影响。     

刚性隔热瓦对舱段结构动特性影响规律分析

目的 分析刚性隔热瓦尺寸、瓦间缝隙大小及热环境对典型舱段结构动特性的影响规律。方法 以刚性隔热瓦式热防护系统的高超声速飞行器舱段结构为研究对象,建立其动力学模型,分别研究自由-自由边界条件下刚性隔热瓦尺寸及瓦间缝隙大小对舱段结构动特性的影响规律。开展热环境下舱段结构的稳态热传导分析,获得热环境下舱段结构的温度场分布,然后将温度场作为载荷,进行舱段结构自由-自由边界条件下的热模态计算,分析热环境对刚性隔热瓦式热防护舱段结构动特性的影响规律。结果 刚性隔热瓦尺寸从150 mm增加至250 mm时,舱段第1阶弯曲模态频率从114.40 Hz提高至114.55 Hz,提高了0.13%。刚性隔热瓦间缝隙大小从0.8 mm增加至1.5 mm时,舱段第1阶弯曲模态频率从114.50 Hz提高至114.77 Hz,提高了0.24%。典型热环境下舱段结构最大热应力为0.014 4 MPa,最大热变形为0.206 mm,刚性隔热瓦间缝隙尺寸取0.8 mm时,满足要求。常温和热环境下,舱段结构第1阶弯曲模态频率分别为114.50、114.48 Hz,温度载荷导致舱段结构弯曲模态频率降低0.017%。结论 自由-自由边界条件下,在合理的设计范围内,刚性隔热瓦尺寸及刚性隔热瓦间缝隙大小对舱段结构动特性影响均较小。线性温度梯度工况下,温度场引起的热变形和热应力也很小,因此热环境对舱段结构热模态特性的影响亦很小,可以不予过分考虑。     

火箭发动机贮箱振动特性分析

为了研究某发动机充液和空载2种工况下贮箱的振动特性,利用流固耦合理论计算了2种工况下贮箱的模态和频率响应。结果表明：在充液工况下,各阶湿模态频率是空载时候干模态的0．5倍;在5—800Hz的激振条件下,空载工况下贮箱在第4阶模态处与外界振动激励发生共振;充液工况下贮箱在第3阶模态处与外界振动激励发生共振,空载状态下贮箱的频率响应的位移最大值为1×10mm,充液状态下贮箱频率响应的位移最大值为1×10^-57mm;充液使贮箱振幅减小,但使贮箱更容易与外界发生共振。     

基于振动台试验的结构模态参数辨识

根据采用振动台环境试验数据,得到了以振动台台面与被测对象之间连接点为激励点,测点为响应点的被测结构频率响应函数,从而获得了结构的模态参数。以模态试验的结果作为衡量标准,验证了利用振动试验的力控数据进行模态分析的正确性和可行性。     

具有零频特性的隔振器设计与减振性能研究

目的 开展零刚度隔振器的结构设计与减振性能试验验证.方法 现有隔振器在超低频下很难具备良好的隔振特性和较宽的隔振频率.在准零刚度技术的基础上,通过仿真计算和试验分析相结合的方法对零刚度隔振器进行了深入研究.结果 首先,建立了零刚度隔振器的物理模型,对其进行了静力学计算,分析了系统的刚度特性,给出了系统的零刚度条件,从而完成了隔振器的结构设计.然后,通过Adams仿真软件对隔振器进行了动力学分析,得出了其在超低频振动环境下具有较好的隔振效果.最后,对零刚度隔振开展了静力压缩试验、正弦振动试验以及随机振动试验,通过试验验证了隔振器的零刚度特性和优良的隔振性能.结论 实现了零刚度隔振器的结构设计,且该隔振器在0.2～2000 Hz范围内都处于减振状态,传递率未出现大于1的情况.     

复合材料与高温合金螺栓连接结构高温振动防松试验研究

目的 针对温度补偿垫块和碟形垫片2种防松形式的复合材料与高温合金螺栓连接结构,进行高温振动环境下的防松试验研究。方法 推导连接结构预紧力与固有频率的关系,表明固有频率的变化可作为连接结构是否松动的判据。研究常温环境下螺栓预紧力对复合材料连接结构固有频率的影响,以及在常温、高温振动环境下温度补偿垫块和碟形垫片2种防松形式的热防松效果。结果 在常温振动环境下,2种防松形式的防松效果接近,在高温振动环境下,温度补偿垫块方案的防松效果优于碟形垫片方案。结论 复合材料与高温合金螺栓2种材料的热膨胀系数不一致引起的热适配问题是导致的螺栓松动的主要原因。     

基于有限元分析的橡胶减振器优化设计

目的加快橡胶减振器的设计过程。方法分析橡胶材料及Mooney-Rivllin橡胶本构模型特点,介绍橡胶减振器应用特点及隔振设计的相关理论,采用Mooney-Rivllin模型模拟橡胶材料的力学特性,通过引进有限元优化技术,在设计初期保证减振器的刚度特性。结果在某设备减振设计中,采用单轴拉压曲线获取了橡胶材料的Mooney-Rivllin模型参数,以减振器的部分结构尺寸为设计参数,减振器的三向刚度为设计目标,获取了三轴向频率近似相等的隔振系统(轴向频率40 Hz、径向频率40.9 Hz)。通过试验测试,减振系统频率与试验值差别较小,其中轴向差别为2%,径向差别为1%。结论通过引进有限元优化技术,采用合理的橡胶本构模型,可以满足工程精度要求,加速了橡胶减振器的设计过程。