有限元仿真在振动结构疲劳分析中的应用

为了对某机载产品进行结构疲劳分析,采用有限元分析软件ANSYS对产品结构进行了模态分析和随机振动分析,结合模态试验修正了有限元模型。由随机振动分析得到应力响应功率谱,最后利用频域方法计算结构的疲劳损伤。仿真结果基本吻合强化试验结果,并给出了产品结构设计改进方案。     

疲劳损伤等效在随机振动试验中的应用

以疲劳损伤等价为基础的随机振动试验是评价结构振动环境适应性能力的重要手段.将基于位移模态和应变模态的模态叠加方法分别应用于结构振动位移响应和应力响应的分析中,建立了随机振动试验不同激励条件下,结构振动响应的关系;将结构随机振动应力响应的峰值概率分布通用关系应用于疲劳损伤评估,导出了振动疲劳损伤等效关系.以一个试验为例介绍了疲劳损伤等效原则在随机振动试验中的应用.     

考虑脉动压力相关性的自由体随机振动分析

目的获得自由体在脉动压力载荷作用下的结构响应。方法采用有限元方法,建立锥壳自由体结构的随机振动分析有限元模型,根据自由体的脉动压力载荷和随机振动分析理论,计算自由体在脉动压力下的加速度响应均方根值。结果载荷为一定程度相关时的计算结果在完全相关和不相关之间,最小相差约15%,最大相差约50%。结论在进行自由体结构脉动压力下的响应分析时,载荷间的相关性是不能忽略的,分区加载可改善计算精度。     

机载战术导弹挂飞环境地面振动试验方案研究

研究总结了某型机载战术导弹服役过程中所经受的振动激励主要来源,同时研究分析不同激励方式对战术导弹吊耳载荷响应效果的影响,确定该型机载战术导弹振动载荷加载方案。采用理论计算与有限元建模计算分析的方法,分析比较不同激励方式对导弹吊耳载荷响应效果的影响。总结确定了该型机载战术导弹振动载荷的主要来源,通过理论算例和有限元建模计算的方法分别计算了不同激励方式下导弹吊耳的载荷响应,并最终确定了振动载荷加载激励方式。     

某车载油箱在随机振动环境下的疲劳寿命研究

目的 针对某车载油箱高周疲劳寿命难以预测问题,研究该设备在随机载荷环境下的疲劳寿命。方法 首先通过模态试验得到油箱固有频率及振型,然后利用Solidworks建立该车载油箱的仿真模型,在ANSYS Workbench软件中进行模态分析、随机振动分析、谐响应分析。最后利用ANSYS Workbench软件中的nCode SN Vibration (DesignLife)模块,在随机振动疲劳寿命频域分析法基础上,通过nCode模块中的Narrowband法进行油箱在多个加速度功率谱密度下的疲劳寿命研究。结果 该油箱在约束模态试验和仿真分析下所表现的动力学特性基本相同,油箱纵向为振动严酷方向。在已知加速度功率谱密度下,油箱疲劳寿命随低阶固有频率处功率谱密度幅值的增加而降低,但油箱薄弱部位始终保持不变。结论 建立的仿真模型准确,可为油箱优化设计及后续油箱疲劳试验提供参考。     

随机振动加速度响应谱及与冲击等效性分析

目的 获得随机振动的加速度响应谱,提升随机振动与冲击的等效性分析精度。方法 首先,基于维纳-辛钦定理,推导单自由度系统在随机振动基础激励作用下加速度响应均方值的通用表达式;其次,分别推导单自由度系统在理想白噪声和限带非均匀谱随机振动基础激励作用下的加速度响应均方值;再次,基于3σ准则,推导限带非均匀谱随机振动的3σ加速度响应谱;最后,基于加速度响应等效,通过将装备随机振动条件的3σ加速度响应谱与冲击条件的冲击响应谱进行等效性分析,对GJB 150.18A—2009中的冲击试验剪裁条件进行精细优化。结果 精细优化后,可有效改善冲击试验剪裁条件的工程实施精度。结论 获得了限带非均匀谱随机振动的3σ加速度响应谱,并基于此对GJB 150.18A—2009中的冲击试验剪裁条件进行了精细优化,对于装备合理剪裁冲击试验具有借鉴意义。     

基于Matlab/Simulink的导弹运输振动载荷分析

目的分析导弹在车辆运输中的振动载荷情况,为开展导弹结构可靠性分析和寿命预估提供输入条件。方法根据导弹运输车的动力学模型,利用Matlab/Simulink对不同路况条件下导弹运输车振动响应情况进行仿真计算,获得不同路况和运输车速时的振动响应情况。结果随着路面等级下降和车辆速度的增加,导弹运输车振动的幅值也相应增加。结论滤波白噪声方法模拟得到的时域路面功率谱与标准等级功率谱一致性较好,可以作为振动响应分析的输入激励。     

公路运输振动环境下发动机粘接界面受载情况分析

目的 基于实测数据,分析公路运输时发动机粘接界面处受振动载荷情况,为振动试验提供依据.方法 采用加速度传感器记录公路运输下加速度数据,对信号进行时域统计分析,并完成载荷谱的构建,通过有限元软件,构建发动机简化模型,进行发动机模态分析和振动过程模拟.结果 对消除趋势项后信号进行统计分析,信号峰值大于3倍均方根值,表明振动数据中包含数值急剧变化的部分,信号峭度为9.34,属于超高斯分布,采集信号中包含冲击信号.将简化后PSD作为输入进行模态分析,结果表明,后封头底端粘接界面位移较大,通过选取的4个参考点上看,位移和加速度均方根值突变的频率在33 Hz附近.模拟实际振动过程发现,前封头及筒段处粘接界面所受应力较为均匀,约为25 kPa,在封头和圆筒段相接处应力值较大,特别是在后封头顶端,存在应力集中,应力值最大可达130 kPa.从应力历程上可以看出,药柱的松弛效应使得冲击过后应力幅值迅速变小.结论 通过实测数据与有限元软件结合,完成了发动机粘接界面模态分析和实际振动过程模拟,为后续振动试验提供了基础.     

驾驶舱空气动力源致振动响应分析研究

目的分析驾驶舱外形上多处凸起对驾驶舱内若干重要部位的振动响应的影响。方法首先采用大涡模拟方法,计算多种飞行工况下分离气流产生的作用于机身前段外表面的非定常脉动压力载荷,然后将所得载荷作用于前机身详细有限元模型上,获得所关心的驾驶舱内部分站位的加速度响应。结果通过对加速度响应结果的分析处理及与试飞测试数据对比,可知驾驶舱外形上多处凸起对驾驶舱内的振动量值影响比较大,气流分离对驾驶舱舱内振动贡献,峰值位置处达到了25%左右。结论相关计算结果可用于驾驶舱工效性评估和驾驶舱外形优化。     

单轴虚拟振动试验技术研究

目的 探索结合有限元和闭环随机振动控制方法搭建的随机振动虚拟试验系统是否可信,以及其限制条件,并明确下一步的工作方向。方法 搭建虚拟振动,并获得虚拟试验结果,并和实物试验结果进行比对。分别搭建随机振动控制仪模型和振动系统有限元模型,再组合成整个闭环随机振动虚拟试验系统。对振动台、夹具、产品进行有限元建模后,再根据模态试验结果对其修正。振动台、夹具、产品的有限元模型修改到位后,组合成振动系统有限元模型,振动系统有限元模型联合控制仪模型,构建闭环随机振动虚拟试验系统,并将虚拟试验结果和实物试验结果进行比对。结果 在400 Hz之前的低频段,虚拟试验结果和实物试验结果的一致性较好。结论 这种方法搭建的虚拟振动系统,在400 Hz前的低频段,可信度较好。     

复合隔振器隔振装置的性能研究

目的为提升隔振装置的隔振性能,研发具有优良隔振性能的隔振装置。方法在20~1600 Hz频段内,利用有限元分析软件对某新型复合隔振器隔振装置进行谐响应分析,并进行整体隔振试验,得出隔振装置在外激励下频域上的振动响应。结果对比分析有限元仿真结果与隔振试验数据,在20~80 Hz内,振级落差大于15 dB,在200~1600 Hz上,振级落差也在24 dB以上,在200~1000 Hz上加速度振级落差仿真和实验的RMS值分别为36.6 dB和38.9 dB,结论该复合式隔振器隔振装置具有优良的隔振性能。     

加筋板在复杂载荷下的振动疲劳寿命分析

目的研究航空工程结构部件——加筋板在准静态载荷和随机动载荷联合加载下的振动疲劳寿命预估问题。方法针对某铣制铝合金缺口加筋板,建立有限元模型,并采用时域法进行静动联合加载下的疲劳寿命分析。首先将准静态载荷分解为静力与正弦激励,以静力结果作为平均应力修正S-N曲线,再采用随机响应分析计算动载荷单独作用下结构危险点的应力PSD函数,通过逆傅里叶变换法,提取随机加载过程中的时域信号后,应用Von Mises等效准则,将其与正弦激励时域样本进行叠加,得到疲劳分析应力谱,再结合Miner线性累积理论和雨流循环计数法,计算得加筋板结构静动联合加载下的疲劳寿命。结果通过有限元仿真分析计算,得到加筋板在静动载荷共同作用下的疲劳寿命,对比试验寿命,误差基本在两倍界以内。结论由仿真与试验的结果对比说明,该方法可以有效预估试验件在静动载荷联合加载下的疲劳寿命,并能进一步推广到类似载荷下的疲劳寿命预估问题。     

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。     

某导弹振动夹具设计及测试分析

目的 设计符合某导弹振动试验要求的夹具.方法 采用SolidWorks和Workbench两种软件协同分析的方法,对振动夹具进行设计.首先使用SolidWorks建立导弹振动夹具的实体模型,之后在Workbench中采用有限元方法对夹具进行模态分析.根据模态分析结果,在对夹具进行多次的结构修改和分析计算后,得到满足设计要求的夹具.将设计合格的夹具加工制作后,在振动台进行传递特性分析,以验证设计和分析结果.结果 根据振动夹具模态振型的变化趋势,可以通过增加夹具的底板和立板的厚度来提高夹具的固有频率.通过计算,将夹具底板和立板的厚度均增加到30.0 mm时,夹具的固有频率达到了311.68 Hz.将加工好的夹具按照实际试验方式固定在振动台,并进行动态响应测试,得到夹具一阶频率为410.0 Hz.结论 设计方法达到了振动夹具的基频大于被试品3～4倍的目标,满足了导弹振动夹具的动力学特性要求.     

基于损伤等效的振动疲劳试验载荷转换

目的使用简谐激励替代随机平直谱激励进行振动疲劳试验。方法利用有限元仿真计算某典型铝合金试验件在简谐激励和随机平直谱激励下的疲劳寿命,分析2种工况下试验件寿命相等时激励的等效关系。进行一组定频激励试验和一组谱激励试验,对比试验结果,验证在某典型铝合金试验件上利用简谐激励替代随机平直谱激励进行振动疲劳试验的可行性。结果通过试验与仿真技术,对2024-T4铝合金试验件在一定频率非共振简谐激励和随机平直谱激励作用下的振动疲劳寿命规律进行研究,得出了不同激励作用下试验件寿命相同时载荷的等效关系。结论基于损伤等效,工程中可以使用简谐激励代替随机平直谱激励进行振动疲劳试验,从而解决了一类振动疲劳试验加载困难的问题,实现振动疲劳的试验加速。     

舵面结构热模态试验方法研究

目的 探究高温对舵面结构模态试验结果的影响.方法 以导弹舵面为研究对象,开展高温环境下结构模态试验方法研究.基于石英灯热辐射高温加热系统和模态测试系统搭建热模态试验测试平台,采用带水冷装置的耐高温加长激振杆实现激励的施加,设计耐高温陶瓷引伸杆进行振动信号的测试,通过有限元仿真分析与试验数据对比,验证所提热模态试验方案的可行性.结果 当激振杆的正弦扫频试验在20～1000 Hz范围内,其传递函数值接近于1,说明激振杆传递性能良好.陶瓷引伸杆对试验件前四阶模态频率及振型影响较小,验证了陶瓷引伸杆设计的有效性.试验数据表明,试验件材料的刚度随着环境温度的升高逐渐降低,导致各阶模态的频率呈逐渐降低的趋势.结论 高温会使舵面结构的模态参数降低,该研究为后续型号产品的热模态试验提供了的试验手段和技术支持.