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航空学报 2024年第13期45卷 296-308页

作者：谭星陈卫婷王陶何欢南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 南京航空航天大学振动工程研究所南京210016 南京工业大学应急管理学院南京210024

为了提高局部非线性结构的动响应计算效率,提出了一种考虑一般黏性阻尼的自由界面子结构模态综合法。首先,将整体系统按照局部非线性的位置划分为各个线性子结构。然后,利用一种不需要考虑子结构是否有刚体模态的剩余模态集构造方式,构... 详细信息

为了提高局部非线性结构的动响应计算效率,提出了一种考虑一般黏性阻尼的自由界面子结构模态综合法。首先,将整体系统按照局部非线性的位置划分为各个线性子结构。然后,利用一种不需要考虑子结构是否有刚体模态的剩余模态集构造方式,构造出用于降阶的缩减模态集。在降阶过程中,通过忽略与高阶模态相关的阻尼力和惯性力,建立了非线性界面力和模态位移、模态速度之间的近似关系式。基于此关系式,将非线性界面力、模态位移和模态速度作为变量放入状态空间,并利用界面协调关系进行子结构降阶模型综合。最后,通过一个含立方非线性弹簧与阻尼连接的弹簧质量块系统和一个含非线性中介支承的双转子系统对所提方法的有效性进行了验证。

关键词：局部非线性一般黏性阻尼子结构模态综合自由界面双转子系统

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一种改进的Kron形式子结构模态综合法

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宇航学报 2017年第6期38卷 566-573页

作者：崔杰王光远郑钢铁清华大学航天航空学院北京100084 北京空间飞行器总体设计部北京100094

基于Kron形式子结构方法提出一种近似自由界面子结构模态综合法(Component modal synthesis,CMS)。为提高求解精度,在不提高缩减系统特征方程阶数的情况下,将自由界面剩余附着模态的惯性贡献引入了Kron形式CMS方法。同时,对广义坐标按... 详细信息

基于Kron形式子结构方法提出一种近似自由界面子结构模态综合法(Component modal synthesis,CMS)。为提高求解精度,在不提高缩减系统特征方程阶数的情况下,将自由界面剩余附着模态的惯性贡献引入了Kron形式CMS方法。同时,对广义坐标按照频域贡献进行了凝聚,以降低最终缩减模型的维数。数值算例的结果表明,当截断准则相同时,该方法计算量与传统的基于静态近似的CMS方法基本一致,但求解精度显著提高,因此计算效率更高。

关键词：结构动力学模型缩减子结构模态综合动力子结构方法 Kron形式子结构方法

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考虑不确定因素影响的子结构模态综合法

考虑不确定因素影响的子结构模态综合法

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作者：陈卫敏南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着工程结构复杂程度的加深,其材料属性、加工制造误差等不确定性因素对结构特性的影响越来越显著,采用不确定性模型对结构进行分析已经逐渐受到重视。同时,针对大型复杂结构,由于其模型规模巨大,如何高效而准确地对其进行不确定性分... 详细信息

随着工程结构复杂程度的加深,其材料属性、加工制造误差等不确定性因素对结构特性的影响越来越显著,采用不确定性模型对结构进行分析已经逐渐受到重视。同时,针对大型复杂结构,由于其模型规模巨大,如何高效而准确地对其进行不确定性分析就成为现阶段研究的重点。本文在改进的自由界面子结构模态综合法的基础上,结合区间摄动对结构几何、材料等参数以及子结构界面弹连的不确定性问题进行了讨论。具体内容可归纳为以下几点:1)讨论了子结构模态综合法的基本思想、分类、研究现状,介绍了针对不确定性问题的几种分析模型。2)提出一种改进的自由界面模态综合方法,该方法给出一种新的构造高阶假设模态集的方法,有效解决了子结构存在刚体模态时的剩余柔度矩阵的求解问题。数值算例分析表明,该方法在保证计算精度的同时,计算效率得到很大提高。3)对考虑了区间参数的子结构模态综合法进行了讨论。首先对考虑了结构参数区间不确定性的子结构进行摄动,然后通过子结构模态综合技术对子结构进行组装得到综合方程。通过数值算例讨论了结构参数不确定性对综合结构模态的影响,采用Monte Carlo模拟验证了该方法的有效性。4)研究了子结构界面为弹性连接且连接处具有区间不确定性的子结构模态综合问题。通过数值算例讨论了弹连不确定性对综合结构模态的影响,同样采用Monte Carlo模拟验证了该方法的有效性。

关键词：子结构模态综合区间分析不确定参数摄动法 Monte Carlo模拟

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基于子结构模态综合法识别桥面板柔度的理论和试验研究

基于子结构模态综合法识别桥面板柔度的理论和试验研究

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作者：蒋运忠湖南大学

学位级别：硕士

钢-混凝土组合结构是桥梁结构中的一种常见形式,对其进行结构识别研究有着重要的意义。本文在总结之前研究成果的基础上,对一块实验室钢-混凝土组合桥面板和一座钢-混凝土组合结构桥梁进行静动载试验及子结构模态柔度识别研究。具体研... 详细信息

钢-混凝土组合结构是桥梁结构中的一种常见形式,对其进行结构识别研究有着重要的意义。本文在总结之前研究成果的基础上,对一块实验室钢-混凝土组合桥面板和一座钢-混凝土组合结构桥梁进行静动载试验及子结构模态柔度识别研究。具体研究内容如下:(1)在理论上总结了两种模态柔度计算方法,提出两种模态识别方法在本质上进行模态柔度的求解是一致的。利用两种方法相互转化的特点,可以得到结构的质量归一振型。同时,提出了利用分片测试获取结构整体模态柔度的理论。其过程是对子结构质量归一振型进行拼接得到扩充的整体振型,再利用拼接的振型计算结构的整体柔度矩阵。(2)对一混凝土板有限元模型和一实验室钢-混凝土组合板进行脉冲锤击测试实验,表明单点输入单点输出(SISO),单点输入多点输出(SIMO)和多点输入多点输出(MIMO)等方法均能较为准确地获取模态柔度系数,并能通过子结构振型拼接的方法获得与静力方法相差很小的模态柔度矩阵。通过对一座实际桥梁的脉冲锤击法分片测试,验证了该方法在实际运用的可行性。同时,进行了随机振动测试下的振型质量归一研究。通过有限元数值试验和实验室的随机振动试验表明,基于集中质量矩阵假设,可以利用随机振动测试获取结构的模态柔度,其结果比实际结构要柔。(3)基于模态柔度方法进行结构损伤识别研究。首先,设计了支座刚度变化、连接件损伤和横向支撑破坏这三种损伤工况用来模拟实际桥梁结构可能出现的损伤状况。通过对比结构损伤前后的模态柔度位移信息,成功实现了组合板的损伤识别。结果表明模态柔度是极好的损伤指标,其对损伤的敏感程度比频率和振型大得多。其次,通过静力加载造成试验板的静力损伤,并利用模态柔度方法成功地识别出静力损伤的位置和损伤程度。(4)基于Strand7有限元软件和Mat lab应用程序的API交互访问技术对钢-混凝土组合板结构进行有限元模型修正。首先,比较了三种不同建模方式的钢-混凝土有限元模型,结果表明壳-实体模型能够很好地反映出组合结构的真实静动力性能。然后,基于静动力数据对基准模型的物理参数进行灵敏度分析,选取灵敏度高的4个参数进行多参数模型校验。最后,基于获得的静动力试验数据和Strand7模型分析结果,通过引入Teughels损伤函数识别出了试验板的刚度退化分布。

关键词：结构识别模态柔度子结构模态综合模型修正钢-混凝土组合结构

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混合空间复模态综合法在局部非线性问题中的应用

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振动工程学报 2018年第6期31卷 1006-1012页

作者：王陶何欢何成陈国平南京航空航天大学无人机研究院江苏南京210016 南京航空航天大学中小型无人机先进技术工业和信息化部重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京210016 南京航空航天大学振动工程研究所江苏南京210016

提出了一种针对含有局部非线性特性的一般黏性阻尼系统的混合空间复模态子结构模态综合法。首先根据局部非线性结构的特点,将其分为线性子结构与非线性子结构。然后,将线性子结构转换到状态空间中,通过解得的复模态对其进行模型减缩;在... 详细信息

提出了一种针对含有局部非线性特性的一般黏性阻尼系统的混合空间复模态子结构模态综合法。首先根据局部非线性结构的特点,将其分为线性子结构与非线性子结构。然后,将线性子结构转换到状态空间中,通过解得的复模态对其进行模型减缩;在减缩过程中,构造了一组与系统低阶模态加权正交的假设高阶模态集使得在求解剩余柔度矩阵时避免了对系统矩阵直接求逆的过程。非线性子结构依然保留在物理空间中,通过子结构之间的界面协调关系将非线性子结构与减缩后的线性子结构进行综合。为了可以通过直接积分法对其进行动响应分析,将得到的二阶微分方程再次转换为一阶微分方程。最后,通过典型数值算例对本文方法的有效性进行了验证。

关键词：局部非线性一般黏性阻尼自由界面子结构模态综合

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火箭结构动力学建模及模态偏差分析

火箭结构动力学建模及模态偏差分析

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作者：赵曦明哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

火箭是进行太空探索的重要工具,亦是国家综合国力的重要标志。全箭动态特性分析是火箭姿控系统设计和载荷分析的基础,在总体设计中有着重要地位。然而,一方面,随着火箭尺寸和重量的增大,全箭模态试验成本越来越高,难度也越来越大;另一方... 详细信息

火箭是进行太空探索的重要工具,亦是国家综合国力的重要标志。全箭动态特性分析是火箭姿控系统设计和载荷分析的基础,在总体设计中有着重要地位。然而,一方面,随着火箭尺寸和重量的增大,全箭模态试验成本越来越高,难度也越来越大;另一方面,在工程实际中,均存在一定程度的不确定性,火箭作为一个极其复杂的结构系统尤其如此。因此如何高效、精确地建立火箭结构动力学仿真模型,科学地评估不确定参数对结构动态特性的影响,是火箭建模和分析领域中的重要课题。本文基于模态综合法进行试验-有限元混合建模来降低复杂子结构建模偏差的影响,并采用代理模型优化方法进行含不确定参数结构的模态偏差分析。试验-有限元混合建模是基于子结构模态综合法完成的,首先利用子结构的试验频率、振型等数据构造试验子结构,然后替换掉分析模型子结构并进行模态综合。本文在原有双协调自由界面模态综合法基础上,系统推导了生成第二次坐标变换矩阵的一步方法,使之能够应用于多个子结构在一个面对接的复杂对接情况。并设计了三种混合建模方案,通过全箭算例模型对三种混合建模方案进行了对比探讨。使用区间参数描述不确定性,含不确定参数结构固有频率的求解对应于广义区间特征值问题。传统的遗传算法等优化方法求解区间分析时虽然能避免区间扩张,得到高精度解,但计算量非常大。本文将径向基代理模型优化方法应用到广义区间特征值问题中,通过框架结构算例与矩阵摄动法、遗传算法等方法进行对比,并对火箭惯性器件舱段进行模态偏差分析,验证了本文方法求解的精确性和高效性。基于Patran二次开发语言PCL和C++语言跨平台开发库QT,针对火箭的纵横扭一体化、惯性器件舱段、捆绑连接结构等的建模,进行了快速建模软件的开发,并将试验-有限元混合建模和模态偏差分析功能集成到该软件中,完成了一套用于火箭结构动力学建模和模态偏差分析的工程软件。以纵横扭一体化建模模块为例展示了软件功能的验证与测试,软件操作界面良好,运行流畅,具有较强的工程应用价值。

关键词：火箭建模子结构模态综合代理模型偏差分析软件二次开发

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水下发射动力学分析与缓冲减振设计

水下发射动力学分析与缓冲减振设计

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作者：张亚静上海交通大学

学位级别：硕士

弹体水下发射会产生巨大的冲击载荷作用在发射筒内壁,引起发射装置的剧烈振动,对发射装置及未发射弹体的结构强度和安全产生重大影响。连射时,前面弹体发射引起的振动余响应会叠加,影响后续弹体发射的精度和可靠性,严重削弱水下打击能... 详细信息

弹体水下发射会产生巨大的冲击载荷作用在发射筒内壁,引起发射装置的剧烈振动,对发射装置及未发射弹体的结构强度和安全产生重大影响。连射时,前面弹体发射引起的振动余响应会叠加,影响后续弹体发射的精度和可靠性,严重削弱水下打击能力和作战威力。对水下发射引起的冲击响应进行计算分析和控制是水下发射动力学的主要研究内容之一,具有重要国防意义。本文研究难点在于,水下连射时,随着弹体出筒、海水涌入、纵向减振器锁死及发射载荷陆续作用在发射装置上,系统的质量、模型结构、刚度及外载荷都发生变化,是一个复杂的非线性时变过程,涉及冲击载荷下复杂系统的动力学建模及分析、冲击响应求解和缓冲减振优化等。本论文以具有连续发射能力的水下通用发射平台为研究对象,研究了水下连射时的动力学问题和缓冲减振优化设计。首先,建立通用发射平台各工况结构系统和流-固耦合系统有限元模型,得到其固有振动特性和动态特性;然后,对弹体出筒过程的瞬态冲击载荷仿真求解,采用有限元显式动态分析法得到每个弹体发射后系统的冲击响应及特性;接着,考虑水下连射时的振动叠加和时变非线性效应,提出基于模态综合的子结构法,建立三维复杂弹性耦合的水下连射机理模型,采用状态空间法进行时域求解,通过与有限元计算结果对比验证机理模型的有效性;最后,提出水下发射缓冲减振优化方法,从通用发射平台横向适配器内减振环位置和纵向减振器刚度阻尼参数优化两方面出发,对通用发射平台水下发射缓冲减振进行研究和优化设计。研究表明,通用发射平台不同工况下的固有振动特性与弹体和水体的不同组合有关,其弯曲振型较多,对横向激励更敏感,艇体振动环境下系统对发射筒的模态比较敏感;通用发射平台受到弹体发射时的瞬态冲击载荷时,产生的主要应力和应变集中在受冲击区域,随着弹体发射,纵向减振器相继锁死,系统冲击响应衰减幅度减小;与有限元软件计算结果的对比验证了本文建立的水下连射机理模型的有效性;对通用发射平台的缓冲减振优化结果表明,通用发射平台增加一个横向适配器或调整下横向适配器的位置有明显缓冲减振效果,纵向减振器刚度为初始刚度的0.64-3.7倍,阻尼系数为初始刚度的0.004-0.007倍时,减振器具有较好的综合减振性能,该结论可为复杂水下垂直发射装置的结构设计和缓冲减振提供明确指导方向。本文对水下发射进行动力学分析和缓冲减振优化,提出的水下连射机理模型是本文重要创新,该模型不仅可对复杂垂直发射装置进行动力学建模,还可考虑连射过程的振动叠加和时变非线性效应,研究水下连射整个时间历程的动力学特性及响应。同时,该方法在参数讨论时灵活性大,计算效率高,可作为高效分析手段有效指导水下发射的结构设计和缓冲减振优化。

关键词：水下发射动力学流-固耦合冲击连射子结构模态综合缓冲减振

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一种利用子结构综合技术的模型修正方法

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振动与冲击 2017年第2期36卷 147-152,164页

作者：王陶何欢闫伟陈国平机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 南京航空航天大学振动工程研究所南京210016

提出了基于改进自由界面子结构模态综合法的结构模型修正方法。首先给出了一种改进的自由界面子结构模态综合法,该方法通过构造一组与系统低阶模态加权正交的向量集,有效地解决了含有刚体模态时系统剩余柔度矩阵的求解问题。然后利用摄... 详细信息

提出了基于改进自由界面子结构模态综合法的结构模型修正方法。首先给出了一种改进的自由界面子结构模态综合法,该方法通过构造一组与系统低阶模态加权正交的向量集,有效地解决了含有刚体模态时系统剩余柔度矩阵的求解问题。然后利用摄动法对每个子结构进行摄动,并计算灵敏度,通过子结构综合技术得到由摄动量表示的综合系统方程和灵敏度方程,给出了基于灵敏度分析的修正计算方法。该方法仅需对综合方程进行修正,极大的减缩了待修正问题的计算规模,提高了修正效率。最后,以典型数值算例验证了该方法的有效性。

关键词：自由界面子结构模态综合摄动法模型修正

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混合空间复模态综合法在局部非线性问题中的应用

混合空间复模态综合法在局部非线性问题中的应用

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第十二届全国振动理论及应用学术会议

作者：王陶何欢陈国平机械结构力学及控制国家重点实验室南京航空航天大学振动工程研究所

提出了一种针对含有局部非线性特性的一般黏性阻尼系统的混合空间复模态子结构模态综合法。首先根据局部非线性结构的特点,将其分为线性子结构与非线性子结构。将线性子结构转换到状态空间中,通过解得的复模态对其进行模型减缩;在减缩... 详细信息

提出了一种针对含有局部非线性特性的一般黏性阻尼系统的混合空间复模态子结构模态综合法。首先根据局部非线性结构的特点,将其分为线性子结构与非线性子结构。将线性子结构转换到状态空间中,通过解得的复模态对其进行模型减缩;在减缩过程中,构造了一组与系统低阶模态加权正交的假设高阶模态集使得在求解剩余柔度矩阵时避免了对系统矩阵直接求逆的过程。非线性子结构依然保留在物理空间中,通过子结构之间的界面协调关系将非线性子结构与减缩后的线性子结构进行综合。为了可以通过直接积分法对其进行动响应分析,将得到的二阶微分方程再次转换为一阶微分方程。最后,通过典型数值算例对本文方法的有效性进行了验证。

关键词：局部非线性一般黏性阻尼自由界面子结构模态综合

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基于模态综合法2MW风电增速箱柔体动力学分析及优化设计

基于模态综合法2MW风电增速箱柔体动力学分析及优化设计

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作者：颜诚湘潭大学

学位级别：硕士

近年来风力发电得益于人们对环境问题的重视,传动技术的进步和发电效率的提高,已再次进入高速发展的快车道。风机中的增速齿轮箱(下文简称增速箱)是整个风电系统的核心设备,因为其常年工作在严寒酷暑、载荷多变、多复杂工况的恶劣环境,... 详细信息

近年来风力发电得益于人们对环境问题的重视,传动技术的进步和发电效率的提高,已再次进入高速发展的快车道。风机中的增速齿轮箱(下文简称增速箱)是整个风电系统的核心设备,因为其常年工作在严寒酷暑、载荷多变、多复杂工况的恶劣环境,所以其各方面性能好坏直接决定了整机的整体性能。而发生共振又是导致系统故障的主要因素,所以有必要对其进行较准确的动力学分析,预判共振点,进而有针对性地进行优化,保障风力发电机增速箱的平稳运行。本课题来源于株洲高精传动技术有限公司2MW风电齿轮箱研发项目。为采用柔性体建模和求解,引述了动态子结构法中的模态综合法,采用该方法对传动系统进行柔性化处理。将传动系统按部件划分为若干子结构,运用有限元软件ABAQUS计算各子结构自由模态,并在多体动力学软件SIMPACK中进行模态综合,计算系统固有频率。运用甄别共振点的四条原则,排查出系统潜在共振点。采取系统固有频率与激励产生的扰频相互错开的措施,对其进行优化。通过试验验证了本文计算方法与系统优化方法可行。本文主要研究内容与成果如下:(1)在动力学问题中,滚动轴承的刚度计算是否准确直接关系到系统动态响应解的真实性。本课题从滚动轴承静力学和运动学分析方法着手,综合考虑各滚动体所受载荷和实际接触角均不相同等因素,采用变形协调原理和Hertz弹性接触理论,推导其基于时变载荷的5乘5刚度矩阵。(2)本课题选用基于模态综合法理论的动力学系统建模方式,旨在计算出更接近真实的系统频率特性。结合ABAQUS和SIMPACK联合仿真计算,求解得整个风电增速齿轮箱的固有频率。再根据频率原则、阻尼原则、能量原则和同一速度级能量原则,结合系统Campbell图,排查其潜在共振点。(3)通过优化结构以调整系统固有频率。通过改变与共振点频率相对应的传动轴齿轮副的大齿轮齿数以调整激扰频率。以系统固有频率和激扰频率错开的方式,作为移除共振点方法,使系统不在共振点工作。(4)参照行业内振动测试国际标准,确定试验方案。通过采用专业测试设备,采集振动数据,分析系统响应情况。在预测出系统共振点之后,采用本课题提出的优化方法对系统进行优化,通过振动测试发现潜在共振点已经移除。

关键词：模态综合法子结构模态综合柔体滚动轴承刚度共振点振动测试

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