【摘 要】
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飞行器、高铁等大型运载工具在经济建设以及国防军工领域发挥着重要作用。在这些机械系统中,为了实现轻量化、高机动性和高速化,系统内部往往存在大量轻质薄壁类结构,在外界宽频激励下产生较为严重的结构高频振动问题。结构的高频振动一方面可能引起零部件疲劳损伤,影响设备内部平稳运行以及疲劳寿命。另一方面,由结构振动产生的声辐射还可产生噪声污染,影响设备操作使用人员的舒适性。因此,对结构高频振动的预测分析,从而实
【基金项目】
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高铁等超大型结构宽频声振预报的混合能量流方法（国家自然科学金:51675306）； 高速精准型串联工业机器人全柔性动力学建模及其抖振控制技术研究（国家自然科学基金:52075294）；
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飞行器、高铁等大型运载工具在经济建设以及国防军工领域发挥着重要作用。在这些机械系统中,为了实现轻量化、高机动性和高速化,系统内部往往存在大量轻质薄壁类结构,在外界宽频激励下产生较为严重的结构高频振动问题。结构的高频振动一方面可能引起零部件疲劳损伤,影响设备内部平稳运行以及疲劳寿命。另一方面,由结构振动产生的声辐射还可产生噪声污染,影响设备操作使用人员的舒适性。因此,对结构高频振动的预测分析,从而实现此类复杂机械系统声振特性的优化设计,具有重要的理论及工程价值。能量流方法是近些年来发展起来的一种结构高频动力学分析方法。这一方法以结构的能量密度控制方程为基础,在预测结构高频响应的空间分布特性时具有独特的优势。然而,针对飞行器等大型运载工具的高频分析,现有的结构能量流方法存在模型过于简化、应用场景单一以及预测精度不足的问题。此外,现有的结构能量流模型适用于均匀结构,对于飞行器等大型运载工具中存在的功能梯度类结构尚缺少相应的理论模型。为此,本研究针对现有能量流方法中存在的不足,以该方法的实现原理为基础,提出相应的改进模型以提高该方法的预测精度和适用范围。在此基础上,将能量流方法拓展至功能梯度类结构,扩展这一方法的适用对象。本文的主要研究工作如下:对一维梁结构能量流方法中的能量传递关系、能量耗散关系以及功率输入关系展开理论研究,明确了上述关系建立过程中各假设的适用条件以及梁结构能量流方法的物理本质。对激励频率、阻尼损耗因子对梁结构能量流方法精度的影响进行研究。在此基础上,提出了基于波函数法的梁结构导纳修正方法,扩展其适用范围,使得梁结构的能量流模型亦适用于单一激励频率。为分析机械系统中耦合梁结构高频振动响应,建立了弹性关节耦合梁结构能量流模型。同时考虑耦合梁轴向的纵波以及横向弯曲波,建立了弹性连接耦合梁关节能量传递系数求解方法,对耦合梁承受横向激励以及轴向激励情形下的关节能量传递特性进行研究,并对耦合角度、关节刚度以及激励频率对能量传递的影响进行分析。基于对一维梁结构能量流模型物理本质的研究,借助于能量传递系数,构建了弹性耦合梁高频分析的的能量流方法。对二维板结构的能量流模型物理本质进行研究,并对现有的板结构能量流模型误差来源进行分析。明确了激励频率、板的特征尺寸以及阻尼损耗因子是影响板能量流模型预测精度的关键因素,忽略直接场是能量流模型在二维板结构中结果误差的主要原因。为提高现有的板能量流模型精度,提出了基于直接场和混响场叠加的混合求解方法,并通过有限元离散实现了建立了板的混合能量流模型,从而使得能量流方法的结果精度得到提高,适用范围得到拓展。建立了适用于任意连接形式的耦合板能量流模型。通过能量传递系数对耦合板关节的能量传递特性进行了分析,研究了激励频率、耦合角度等因素对耦合板间弯曲波、纵波以及剪切波振动能量传递与转换的关系。基于对板能量模型的物理本质和误差来源的研究,建立了考虑直接场影响和耦合边界滤波效应的耦合板混合能量流分析方法,使得能量流方法在分析耦合板结构时结果精度得到提高,适用范围得到扩展。基于上述对梁、板结构能量流方法物理本质的研究,将能量流方法拓展功能梯度结构的高频振动分析。建立了适用于功能梯度梁以及功能梯度板的能量流模型。同时,基于功能梯度结构常处于极端热环境的工程背景,考虑极端热环境产生的热应力以及功能梯度结构在极端热环境下的物性参数变化,建立了可应用于预测极端热环境中功能梯度梁、板高频响应的能量流模型。综上所述,本文的研究工作阐明了工程中梁、板这两类主要结构单元的能量流方法实现原理、适用范围以及误差来源,并提出了相应的改进模型,提高了这一方法的预测精度和适用范围,完善了该方法的理论体系。此外,本研究将该方法的适用对象拓展至功能梯度结构,为能量流方法在飞行器等大型运载工具高频分析中的应用奠定了基础。
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