频域子结构方法在力学环境预示中的应用研究

目的利用频域子结构方法(FBSM,FRF Based Sub-structuring Method)对结构的力学环境进行准确高效地预示。方法分别对处理子结构间为刚性连接和弹性连接两种问题的FBSM进行理论推导。为了验证FBSM的正确性,设计连接为刚性连接和弹性连接两种算例结构,并将FBSM对算例结构频响函数的计算结果与有限元方法(FEM,Finite Element Method)的对应计算结果进行对比。其中,弹性连接利用空间梁单元进行等效,并将该等效方法与利用六自由度标量弹簧的等效方法进行对比。结果对于刚性连接和弹性连接两种情况,FBSM对频响函数的计算结果均与FEM的对应计算结果吻合程度良好。此外,空间梁单元的结点刚度矩阵为非对角阵,与六自由度标量弹簧相比,可更为准确地等效工程实际中的弹性连接。结论FBSM可对结构的力学环境进行准确高效的预示,且在处理具有弹性连接结构的力学环境预示问题时,可采用空间梁单元等效弹性连接。     

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。     

航天器火工冲击载荷减缓设计及验证

目的研究航天器火工冲击缓冲方案,降低火工冲击对航天器上设备的影响。方法根据火工冲击环境防护设计原则设计3种系统级缓冲方案,由NASTRAN软件进行响应预示,用星箭分离局部结构解锁分离试验数据进行验证及模型修正。结果在星箭连接界面增加间断面的加速度响应最大衰减量为62%,增加复杂构型结构的加速度响应最大衰减量为82%,采用冲击隔离的加速度响应最大衰减量为60%。结论在星箭连接界面增加间断面、复杂构型结构或减小星箭界面接触面积均有一定的缓冲效果,系统缓冲设计时应综合考虑质量、结构连接刚度、缓冲效果、卫星状态、运载火箭状态约束等条件。冲击响应预示计算结果与试验结果基本吻合(在±6 d B内),表明这种预示方法能够较准确预示某卫星结构火工冲击响应。     

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.     

基于动力学仿真的激光器平台稳定性设计改进

目的评估某光学平台初始设计方案在随机振动条件下的稳定性是否满足设计指标,并提出设计改进方案。方法基于随机振动条件下结构相对位移的理论研究,建立动态载荷下结构相对变形的计算方法,并采用有限元数值仿真对光学平台的镜面转角响应进行分析。结果对初始方案的数值模拟结果表明,不满足镜面角位移小于10μrad的指标要求,主要是因为结构的整体鼓曲模态被激发,并提出了通过增加螺栓连接改变结构对动力学特性的改进思路,目的在于通过提高结构的刚度,以提高安装平台的平整性。结论对改进方案进行数值仿真表明,通过增加基础底部对螺栓连接,有效提高了安装平台在随机载荷下的平整性,并使得安装平台角位移响应大幅下降,为3.4μrad,满足了设计要求。     

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。     

高温环境下薄壁试件随机振动疲劳研究

目的研究高温环境下薄壁试件的随机振动疲劳问题。方法综述国内外随机振动疲劳研究现状,制定有效的研究方案。首先,通过有限元法完成薄壁试件的动力学响应数值仿真计算与分析,基于改进的雨流循环计数法预估薄壁试件的疲劳寿命。然后,开展高温环境下薄壁试件随机振动疲劳试验,获取危险位置动力学响应与疲劳寿命。结果高温强振动环境下,结构的危险位置主要出现在固支边界或形状突变位置,且基频处的动力学响应峰值是结构疲劳寿命的主要影响因素,随温度和振动量级的增加,结构疲劳寿命呈抛物线降低趋势。结论通过仿真与试验的比对,验证了高温环境下薄壁试件随机振动疲劳仿真计算方法的有效性与可靠性。     

加速度信号积分求解位移方法研究

目的 研究动力学环境试验分析中时域积分算法和频域积分算法两种加速度信号积分求解位移方法.方法 动力学环境试验中,利用不同算法对被试品测点处所采集到的加速度信号进行二次积分处理,计算求解位移.采集过程中,再利用激光传感器测量位移,以激光所测位移为基准,对比分析不同算法求解结果的准确性,并分析其结果的误差来源、其优缺点及适用范围.结果 在动力学环境试验的不同工况下,两种不同积分法得到的位移数据与激光测定数据基本重合,积分得到的位移最大误差均小于5％,符合实际应用需求.时域积分算法在两次积分中受到噪声以及直流分量误差的影响较大;频域积分算法的计算结果相对更加准确,但是受到低频误差影响较大,具有低频敏感性.结论 在动力学环境试验中,时域积分算法适用于噪声和直流分量可忽略的情况,频域积分算法适应于低频误差较小的情况.对加速度信号数据进行必要且有效的预处理后,时域积分算法和频域积分算法的位移积分结果都具有较高的准确性,能够满足一般工程实际中的测试需求.     

考虑试件与夹具动力学特性的随机振动试验推力估算

分析了随机振动试验中试件和夹具的一阶频率对振动台推力的影响,提出了一种考虑试件、夹具一阶频率的随机振动试验推力估算方法。就一个算例用仿真计算的方法,得到了振动台推力随试件和夹具一阶频率的变化情况。最后通过一个应用实例,验证了该方法的准确性。该方法比传统的刚性假设方法更接近实际,可为大型试件随机振动试验设计提供参考。     

基于最大谱的非平稳随机振动数据分析处理方法研究

目的解决非平稳随机振动环境实测数据无法采用功率谱密度分析方法的问题。方法基于最小均方误差准则,归纳总结FFT和数字滤波两种最大谱分析方法。通过对比两种方法在不同分辨率带宽时计算的优缺点,并分析其误差。对优选出来的最大谱分析方法进行举例验证。结果理论分析和仿真结果均表明基于比例分辨率带宽的FFT最大谱分析方法的误差最小。将FFT最大谱分析方法应用于某型炸弹9个架次自由飞振动数据的处理和环境条件确定中,结果合理有效。结论可用比例分辨率带宽的FFT法分析非平稳随机振动环境实测数据,为基于最大谱制定型号振动环境试验条件提供指导。     

基于临界面的多轴振动疲劳寿命预测

目的提出一种新的基于临界面正应力的高周多轴疲劳寿命预测方法。方法通过对主应力进行投影,得到各时刻下临界平面内的应力大小,利用雨流法计算不同临界面下的疲劳损伤,并通过权函数,得到主应力的角度期望值,进而预测结构的疲劳寿命。结果通过试验件进行仿真模拟,对底端作用两个方向PSD频率范围为8～200 Hz,大小为0.006、0.003、0.008 g~2/Hz的强制加速度激励得到多轴应力响应,以此计算4种工况下的随机加速度振动疲劳试验预测寿命,对比试验寿命误差基本处于2倍界以内。结论新的基于临界面正应力的疲劳寿命预测方法能有效预测多轴振动疲劳寿命。     

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。     

典型仪器支架动力学管控方法研究

航天工程中普遍采用支架进行设备的安装,但是支架对振动环境的严重放大会影响设备的工作可靠性,给飞行器飞行带来极大隐患,需要开展典型支架的动力学管控方法研究。提出面向支架动特性管控的动力学特性指标,可以全面表征仪器支架在随机振动激励下的动力学特性,并可据此构造优化目标,以对支架动力学特性进行有效管控。提出典型仪器支架的动力学管控方法,实现了将支架动特性设计融入支架结构设计流程中。针对一种典型的仪器支架开展了随机振动试验与有限元仿真分析,验证了随机振动响应预示方法的准确性,并以此为基础,对其进行了动力学管控。以某型支架为对象开展的动力学管控,将支架上相对安装基础的振动量级放大倍数从4.2降低到1.67。结果表明,提出的典型仪器支架动力学管控方法可在研制初期改善仪器支架的动力学特性,对提高飞行器可靠性和环境适应性具有重要意义。     

县域环境功能区划中环境支撑能力评价指数计算方法研究

环境功能区划是环境实现科学管理的一项基础工作,而环境支撑能力评价指数是其区划的重要内容之一,研究针对县域环境功能区划中环境支撑能力评价指数计算中存在的相关统计数据缺乏,《环境功能区划编制技术指南(试行)》应用针对性不强等问题,针对性的提出所需统计数据的获取途径及估算方法,并以汝州市为例,进行了环境支撑能力评价指数估算方法应用,对比汝州产业发展、环境状况,该方法总体符合汝州实际.     

一种模拟动力学边界条件的环境振动试验方法研究

目的提高环境振动试验的可靠性。方法以某典型钛合金蜂窝夹芯壁板试验件为例,提出一种模拟试验件动力学边界条件的试验方法,在试验件周围引入弹性连接件,再通过刚性转接工装与振动台台面连接,以试验件在试验安装状态下的共振频率及振型节线位置为优化目标,以弹性连接件的外形尺寸及厚度为优化变量,对弹性连接件进行优化设计,从而模拟试验件真实的动力学边界条件。结果弹性连接件的优化设计使得试验件在试验安装状态下前两阶共振频率与试验要求相差小于8%,而且振型节线位置与试验要求基本重合,达到了模拟试验件真实动力学边界条件的设计目标。结论对于壁板类试验件,在传统刚性夹具的基础上引入弹性连接件的试验方法,可以较好地模拟试验件真实动力学边界条件,提高环境振动试验的可靠性,并且这种方法对试验费用及试验周期影响较小,具有良好的工程应用前景。     

板壳结构在声振联合试验下的振动响应耦合分析

目的 研究具有工程实践意义的板壳组合结构在声振联合作用下的响应预测方法。方法 在噪声试验、振动试验和声振联合试验响应曲线的基础上,分析板壳组合结构在噪声和振动同时激励下的响应耦合规律,并根据噪声试验和振动试验的响应极值包络法,来预测在声振联合试验作用下板壳结构的响应分布。结果 声振联合试验响应曲线近似于噪声试验和振动试验的最大值包络线,噪声的面激励和随机振动的基础激励在不同的频率范围内对结构响应起着主要影响。试验件的噪声试验和振动试验响应曲线在给定的频率点出现相交,小于交越频率的声振联合试验响应与振动试验高度吻合,高于交越频率的响应则以噪声试验为主。结论 在工程实际中,可以直接利用振动试验和噪声试验的响应数据对声振联合试验的响应进行预测。由于交越频率难以事先获得,因此响应叠加法在实践中更易于实现。     

舰船设备振动试验方法的探讨

目的探讨舰船设备振动试验中的几个问题并提出解决方法。方法分析GJB 150.16A,GJB4.7—83和MIL-STD-167-1A等振动试验标准,找出其中存在的缺点。阐述实验室模拟与实际环境的差异,提出改进建议。结果 GJB 150.16A中没有明确说明随机部分和正弦部分是单独试验还是叠加试验,GJB 4.7—83和MIL-STD-167-1A中没有给出随机振动的条件,只有正弦振动部分。结论对于标准中存在的缺点,在每个轴向,首先进行一半的功能试验,再进行随机叠加正弦/随机振动,最后进行另一半功能试验。对于实验室模拟与实际环境存在差异的问题,通过采用力谱控制、采用模拟舰船结构的夹具、规定安装方式、对环境条件进行反复迭代等方法改进。     

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。     

车载物资振动环境谱的数据处理与归纳

车载物资或设备振动环境谱的数据处理与归纳是车载物资或设备环境可靠性试验的重要组成部分,对保障车载物资或设备的完整性和可靠性具有十分重要的意义。以货车为例,依据GB10593．3～90进行数据合并,然后采用统计容差法进行振动环境条件随机振动规范谱的估计。所得到的规范谱为车栽物资或设备振动环境的可靠性评定奠定了基础。