力学学报, 2019, 51(2): 569-576 DOI: 10.6052/0459-1879-18-337

动力学与控制

航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究 1)

李青2), 邢立坤, 柏江, 邹元杰

北京空间飞行器总体设计部,北京 100094

METHOD STUDY ON RESPONSE PREDICTION OF STRUCTURAL VIBRATIONS IN SPACECRAFT ACOUSTIC TESTS 1)

Li Qing2), Xing Likun, Bai Jiang, Zou Yuanjie

Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China

收稿日期: 2018-10-16   接受日期: 2019-01-23   网络出版日期: 2019-03-18

基金资助: 国家重大科技专项工程资助.  

Received: 2018-10-16   Accepted: 2019-01-23   Online: 2019-03-18

作者简介 About authors

2)李青,高级工程师,主要研究方向:航天器总体设计与仿真、力学分析与环境试验研究.E-mail:lqcast@163.com

摘要

航天器在随运载火箭发射过程中要承受严酷的噪声环境,需通过噪声试验来检验航天器承受噪声环境并能正常工作的能力.航天器噪声试验中结构振动的响应特性是结构强度设计应该考虑的因素之一,更是制定器上组件随机振动试验条件的重要依据,因此有必要在航天器研制初期对噪声载荷作用下的结构振动进行响应预示.文章应用商用有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立了某型号航天器结构舱板的有限元模型,将噪声载荷声压谱转换为脉动压力功率谱密度,进而采用模态法分析结构在噪声载荷作用下的随机振动响应,并将仿真预示结果与试验结果进行对比研究,在仿真分析中考虑阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响;通过研究表明:采用阻尼比随频率提高而减小的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果.文章提出的仿真分析方法建模简便、计算成本低,适用于在航天器研制初期对航天器噪声试验中的结构振动进行响应预示.

关键词: 噪声试验 ; 随机振动 ; 模态阻尼 ; 虚拟质量法 ; 响应预示

Abstract

Spacecraft suffer severe acoustic environments in the course of launching along with launch vehicles. Acoustic tests should be done to check up whether the spacecraft work well while suffering acoustic environments. Response properties of structural vibrations during acoustic tests for spacecraft should be considered in the structural strength design. Moreover, they are important foundations for specifying the random vibration test conditions of the spacecraft equipment mounted on the structural boards. Therefore, it is necessary to predict the structural responses due to acoustic loads in the preliminary stage of spacecraft development. In this paper, a finite element model of a spacecraft structure is built using the commercial finite element analysis software MSC.Patran and MSC.Nastran. The sound pressure level spectrum of acoustic loads is transformed to the power spectrum density of fluctuating pressure. And then, the random vibration responses of the spacecraft structure under the acoustic loads are analyzed using the modal method. The simulation results are compared with the acoustic test results. In the simulation analysis, the effects of the damping ratio model and the fluid added mass are studied. The research shows that: using an empirical damping ratio model that the damping ratio decreases with the rising of the frequency can do a better response prediction for the medium-high frequency properties as well as for the total root mean square results; further using the virtual mass method to consider the fluid added mass effect can do a better response prediction for the power spectrum density results. The proposed simulation method in the article is convenient for modeling and efficient for computation, which is appropriate for the response prediction of structural vibrations in spacecraft acoustic tests in the preliminary stage of spacecraft development.

Keywords: acoustic tests ; random vibrations ; modal damping ; virtual mass method ; response prediction

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本文引用格式

李青, 邢立坤, 柏江, 邹元杰. 航天器噪声试验中结构振动响应预示方法研究 1). 力学学报[J], 2019, 51(2): 569-576 DOI:10.6052/0459-1879-18-337

Li Qing, Xing Likun, Bai Jiang, Zou Yuanjie. METHOD STUDY ON RESPONSE PREDICTION OF STRUCTURAL VIBRATIONS IN SPACECRAFT ACOUSTIC TESTS 1). Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics[J], 2019, 51(2): 569-576 DOI:10.6052/0459-1879-18-337

引 言

在大气层内高速运行的物体都会受到气动效应的影响,如高速列车[1-2]、高速飞行器[3]等.航天器受到的噪声载荷主要来自于运载火箭发动机的喷气噪声和大气层内飞行的气动噪声[4],它对航天器结构产生随机振动激励,其频率范围大致为20~2000 Hz[5].噪声载荷是航天器结构强度设计的输入条件之一,应根据其产生的结构应力分布开展强度裕度分析;同时,噪声载荷作用下航天器结构振动响应对结构舱板上安装的航天器组件产生随机振动激励,需根据响应情况制定组件随机振动试验条件并作为组件开展抗力学设计和力学环境试验的输入条件之一[6].因此,在航天器研制初期对噪声载荷作用下航天器结构振动进行响应预示具有重要的工程意义.

前人在噪声载荷作用下结构振动响应预示方面做了一些研究工作.文献[7,8]采用半解析的方法分别给出了薄壁板结构和薄壁柱壳结构在噪声载荷作用下的随机振动响应谱估算公式.对于一般构型的结构,业界普遍采用数值仿真分析方法,主要分为有限元分析(FEA)方法和统计能量分析(SEA)方法两种[9].前者理论上可以计算出结构任意一点的响应并获得响应分布情况,但随着分析频率的提高,网格密度的增加和结构中不确定性因素影响的增加会大幅提高计算成本并降低分析精度[10],因此不适用于高频段振动响应预示;后者在高频段振动响应预示方面具有理论优势,在面对结构的连接方式、制造工艺等不确定性因素时,不需要复杂精确的模型就可以高效地计算出振动响应的统计平均结果[11-14],但也正因如此,不能给出具体位置的响应和响应分布情况,并且中低频段计算精度较差[15].文献[16]采用MSC.Nastran对某飞行器进行了自由——自由状态下的模态分析和气动噪声作用下的随机振动响应分析,并且与模态试验和噪声试验结果作了比较,验证了使用三维有限元模型进行振动环境预示方法的有效性,但在其方法中没有研究模态阻尼参数和流固耦合作用的影响.文献[17]应用AutoSEA2统计能量分析软件对某喷流噪声产生的结构振动进行计算分析,并与试验结果作比较,发现预示结果与试验结果在趋势上大致相当,预示结果高于试验结果,尤其低频段相差较大. 文献[18]采用VA One软件提供的混合有限元——统计能量分析(FE-SEA)方法建立整星级和系统级航天器(整流罩——卫星——仪器 舱——适配器组合体)的混合预示模型,将预示结果与噪声试验数据进行对比,验证了预示方法和模型的有效性.FE-SEA方法是目前研究结构声振力学响应问题的热门方法,它集合了有限元分析和统计能量分析的优点,理论上为结构的宽频振动响应分析提供了一种有效手段[19-22],但在有限元子系统和统计能量子系统的划分问题上没有确定的方法,且划分方法不同对分析结果影响很大[23].在实际应用中,一般将航天器结构建成有限元子系统、声场建成统计能量子系统,建立结构与声场双向能量流动的耦合界面,这种方法既保留了航天器结构响应细节又大幅缩减了声场的计算量,实质上是一种考虑流固耦合作用[24]的方法,对航天器结构模型本身面对的高频段计算成本和精度问题并无改善;如果将航天器结构局部或全部建成统计能量子系统,将丢失结构响应细节,则势必会与结构强度设计和组件力学环境条件设计的工程需求产生矛盾;另外,受到软件工具的限制,将航天器结构有限元模型转换为FE-SEA混合模型的过程繁琐、工作量较大. 由于上述原因,FE-SEA方法在航天器研制初期的应用并不广泛.

从机理上讲,噪声载荷作用下航天器结构振动响应预示的难点在于如何选取阻尼参数模型和考虑流固耦合作用,对高于2000 Hz频段的响应预示意义一般不大;从需求上讲,航天器结构关键部位的响应细节是研究的主要对象,必须采用有限元分析方法建模.本工作基于有限元分析方法开展研究,采用MSC.Patran/Nastran有限元软件建立某型号航天器结构舱板有限元分析模型,将噪声试验条件的声压谱转换为脉动压力功率谱密度并施加在该结构舱板上,计算了一些关键部位的随机振动响应,并将计算结果与噪声试验结果进行了对比和分析,研究了阻尼参数模型和流场附加质量效应等因素的影响,以期为航天器噪声试验中结构振动响应预示方法的选用提供参考.

1 有限元分析模型

某型号航天器由多个结构舱段组成,首先采用MSC.Patran建立航天器结构的几何模型,然后进行有限元网格划分,主要采用板壳单元和梁单元建模,对于大型组件按其设计状态建成有限元模型、对于小型组件采用集中质量元或非结构质量来模拟,整个有限元模型共有322 604个单元、337 703个结点. 为了减少计算量、便于开展研究,仅针对其中的一块结构舱板进行分析,如图1所示,图中Node 153 334和Node 151 624为关注的两个响应输出点(以下简称为响应点1和响应点2),该舱板与其他舱板的连接边界均处理为固支.

图1

图1   航天器结构舱板有限元模型

Fig.1   Finite element model for a spacecraft structure board


采用MSC.Nastran分析程序的模态法(SOL 111)进行频率响应计算,再采用MSC.Patran的Random后处理模块实现随机振动响应计算,计算频率范围为20~2000 Hz,步长为4 Hz,与噪声试验数据的频率范围和步长保持一致.

2 噪声载荷

噪声试验条件按声压谱形式给出,如表1所示.

表1   噪声试验条件

Table 1  Acoustic test conditions

Octave center frequency/Sound pressure level/Test tolerance/
HzdBdB
31.5128±5.0
63132±5.0
125135±3.0
250138±3.0
500137±3.0
1000136±3.0
2000134±3.0
4000132±5.0
8000130±5.0
total sound pressure level144±1.5

Note: 0 dB reference pressure is 2.0x10-5Pa.

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为了能采用MSC.Patran/Nastran进行噪声激励下的随机振动响应分析,就必须将声压谱转换为脉动压力功率谱密度,转换公式如下

$ \varphi (f_c) = \frac{P_0^2 }{\Delta f_{\rm c} }10^{0.1 L_{P} }$

式中,$f_{\rm c}$为倍频程带中心频率,$P_{0}$=2.0×10$^{-5}$Pa,$\Delta f_{\rm c}$为倍频程带的带宽,$L_{\rm P}$为倍频程带声压级.

利用转换 式(1)将噪声试验条件声压谱的标称值转换为脉动压力功率谱密度曲线,如图2所示. 将其施加在整个结构舱板的表面,计算得到各响应输出点的加速度功率谱密度曲线.

图2

图2   脉动压力功率谱密度曲线

Fig.2   Power spectrum density of pulsating pressure


3 阻尼参数模型

在没有模态试验数据的情况下,频率响应分析中的模态阻尼比一般取常值0.03. 采用该常值阻尼比计算了响应输出点的加速度功率谱密度曲线,并与试验结果进行对比,如图3所示(图中g为重力加速度,本文依照行业习惯用作单位).可见,仿真结果在中高频段明显低于试验结果,并且仿真得到的总均方根加速度也明显低于试验结果.

图3

图3   仿真结果(阻尼比取0.03)与试验结果对比

Fig.3   Comparison between simulation results (damping ratio 0.03)-1mm and test results


一般来说,结构阻尼会随着振幅的增大而增 大[25-26].而在航天器结构振动中,振幅一般随着振动频率的提高而减小. 因此,采用一个随频率提高而减小的阻尼参数模型是合理的.根据对大量不同型号航天器噪声试验数据的统计分析结果,对于航天器结构的随机振动响应预示建立如图4所示的阻尼参数模型,称为经验阻尼参数模型.

图4

图4   经验阻尼参数模型

Fig.4   Empirical damping ratio model


采用该经验阻尼参数模型,重新计算了响应输出点的加速度功率谱密度曲线,并与试验结果进行对比,如图5所示.可见,中高频段的响应曲线符合情况得到明显改善,并且仿真得到的总均方根加速度也与试验结果比较一致,但加速度功率谱密度峰值的预示结果比试验结果高.

图5

图5   仿真结果(使用经验阻尼参数模型)与试验结果对比

Fig.5   Comparison between simulation results (using empirical damping ratio model) and test results


4 流场附加质量效应

在上一节的分析中,完全没有考虑流固耦合作用. 本节先从理论上推导流固耦合动力学方程,然后介绍在仿真分析中考虑流固耦合作用的应用方法.

假设流体为无黏、可压缩和小扰动的,固体则考虑为线弹性的,对流固耦合系统的基本方程和边界条件采用加权余量的迦辽金提法,可得到位移——压力格式的有限元方程为[27]

$$ \left[ \begin{array}{cc} {{\pmb M}_{\rm s} } & 0 {-{\pmb Q}^{\rm T}} & {{\pmb M}_{\rm f} } \end{array} \right]\left[ \begin{array}{c} { \ddot{\pmb u}_{\rm s} } { \ddot{\pmb p}_{\rm f} } \end{array} \right] + \left[ \begin{array}{cc} {{\pmb K }_{\rm s} } & \frac{1}{\rho _{\rm f} }{\pmb Q } 0 & {{\pmb K }_{\rm f} } \end{array} \right]\left[ \begin{array}{c} {{\pmb u }_{\rm s} } {{\pmb p }_{\rm f} } \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} {{\pmb F}_{\rm s} } 0 \end{array} \right]$$

其中,${\pmb u}_{\rm s}$为固体单元结点位移向量,${\pmb p}_{\rm f}$为流体单元结点压力向量,${\pmb M}_{\rm s}$和${\pmb K}_{\rm s}$分别为固体的质量矩阵和刚度矩阵,${\pmb M}_{\rm f}$和${\pmb K}_{\rm f}$分别为流体的质量矩阵和刚度矩阵,${\pmb Q}$为耦合矩阵,$\rho _{\rm f}$为流体质量密度,${\pmb F}_{\rm s}$为固体外载荷向量.${\pmb M}_{\rm f}$通常由两部分组成,即

$$ {\pmb M}_{\rm f} = {\pmb M}_{{\rm fV}} + {\pmb M}_{{\rm fS}}$$

式中,${\pmb M}_{{\rm fV}}$为由流体可压缩性引起的质量矩阵,${\pmb M}_{{\rm fS}}$为流体自由表面波动引起的质量矩阵.

对于噪声试验所用的混响声场而言,可以假定流体是不可压缩的,同时又不考虑流体自由表面波动的影响,则方程(2)中的${\pmb M}_{\rm f}$项为零,从而可消去流体结点自由度,得到解耦的方程为

$$ ({\pmb M}_{\rm s} + {\pmb M}_{\rm s}^{\rm f} ) \ddot {\pmb u}_{\rm s} + {\pmb K}_{\rm s} {\pmb u}_{\rm s} = {\pmb F}_{\rm s}$$

其中

$$ {\pmb M}_{\rm s}^{\rm f} = \frac{1}{\rho _{\rm f} }{\pmb Q \pmb K}_{\rm f}^{-1} {\pmb Q}^{\rm T}$$

式(5)代表流体对固体的作用,称为附加质量矩阵. 这时流固耦合问题退化为考虑流体附加质量效应的结构动力学问题.

基于上述附加质量理论,MSC.Nastran采用边界元法得到附加质量矩阵,并称之为虚拟质量法(virtual mass method). 下面对虚拟质量法的理论做一个简要介绍[28].

对于不可压缩、忽略自由表面波动的非黏性流体,流体力学的基本方程可以简化为Laplace方程. 用Helmholtz边界积分法求解Laplace方程,可得到流场边界上任意一点$ {\pmb r}_i$处的速度向量和压力向量分别为

$\dot{\pmb u}_i = \sum_j ∫_{A_j } \frac{\sigma _j {\pmb e}_{ij} }{\left| {{\pmb r}_i-{\pmb r}_j } \right|^2} d A_j$

${\pmb p}_i = \sum_j ∫_{A_j } \frac{\rho \dot {\sigma }_j {\pmb e}_{ij} }{\left| {{\pmb r}_i-{\pmb r}_j } \right|} d A_j$

式中,$\sigma _j$为流场在点${\pmb r}_j$处面元$A_j$上的流体通量,${\pmb e}_{ij}$为从点$j$到点i的单位向量. 将式(6)和式(7)在结构有限元表面进行积分,得到

$ \dot {u } = \chi \sigma$

$F = \varLambda \dot{\sigma}$

式中,矩阵${\pmb \chi }$和${\pmb \varLambda }$为积分系数矩阵,${\pmb F}$为流体作用在结构上的结点力. 联立式(8)和式(9),得到虚拟质量法的附加质量矩阵为

$$ {\pmb M}_{\rm s}^{{\rm vf}} ={\pmb F} \ddot {\pmb u}^{-1} = {\pmb \varLambda }{\pmb \chi }^{-1}$$

虚拟质量法避免了流体单元网格的划分,大大简化了建模过程,有利于工程应用. 该方法已成功用于充液容器液固耦合振动特性的仿真[29],本节将其用于噪声环境下结构振动特性的仿真.

在上节经验阻尼参数模型的基础上,再采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应,流体密度取为1.293 kg/m$^{3}$,重新计算响应输出点的加速度功率谱密度曲线,并与试验结果进行对比,如图6所示. 可见,考虑流场附加质量效应后,加速度功率谱密度的预示值有所降低,且与试验结果更为接近.

图6

图6   仿真结果(虚拟质量法)与试验结果对比

Fig.6   Comparison between simulation results (virtual mass method) and test results


5 误差分析

为展示响应预示的效果,本文仿真所建立的有限元分析模型并未经过模态试验等数据的修正,毕竟在航天器研制初期这些数据是无法获得的.因此,加速度功率谱密度响应峰频率的预示结果与试验结果存在差异,但这并不影响响应曲线趋势和总均方根值达到较好的一致.将上述仿真结果中的若干关键参数与试验结果的对比分析情况汇总于表2.可见,采用经验阻尼模型后总均方根加速度响应的仿真结果与试验结果的相对误差明显减小;响应点2的总均方根加速度响应的仿真结果普遍小于试验结果,这是因为该点离边界较近,受到固支边界条件的仿真假定影响较大,仿真结果与试验结果的相对误差也较大.另外,不论采用常值阻尼比0.03还是采用经验阻尼参数模型,功率谱密度峰值响应的仿真结果普遍大于试验结果,这是因为所用的模态阻尼无

表2   仿真结果与试验结果的误差分析

Table 2  Error analysis between simulation results and test results

Simulation resultsTest resultsRelative error/dB
response point 1total root mean square acceleration/gdamping ratio 0.03 empirical damping ratio empirical damping ratio & virtual mass method11.54
16.59
14.99
15.390
15.390
15.390
-2.5010 0.652 2
-0.2287
peak value of power spectrum density/(g2 • Hz-1)damping ratio 0.03 empirical damping ratio empirical damping ratio & virtual mass method4.77 6.546
4.077
3.890
3.890
3.890
0.203 9 2.260 0
0.203 9
total root mean squaredamping ratio 0.036.58510.72-4.2330
acceleration/gempirical damping ratio10.3710.72-0.2883
response point 2empirical damping ratio & virtual9.37010.72-1.1690
mass method
peak value of powerdamping ratio 0.031.0720.70921.794 0
spectrum density/(g2 • Hz-1)empirical damping ratio1.8110.709 24.072 0
empirical damping ratio & virtual1.5080.70923.276 0
mass method

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法反映结构发生模态谐振时随振幅增大阻尼增大的非线性现象.采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应后,功率谱密度峰值响应的仿真结果有所下降,仿真结果与试验结果的相对误差有所降低.

6 结 论

本文基于MSC.Patran/Nastran软件,建立了噪声载荷作用下航天器结构振动的有限元分析模型,从机理上研究了阻尼参数模型和流场附加质量效应对仿真结果的影响,通过将仿真分析结果与噪声试验结果相比对的方法开展了误差分析和评估. 研究表明:采用随频率升高阻尼比降低的经验阻尼参数模型可以较好地反映中高频响应特性、得到较为准确的总均方根响应分析结果,进一步采用虚拟质量法考虑流场附加质量效应可以得到较为准确的功率谱密度响应分析结果. 文章所提出的仿真分析方法工程适用性强,可用于在航天器研制初期开展噪声环境响应预示,并为结构强度设计和器上组件随机振动试验条件制定提供支持和参考.

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

王英学, 高波, 任文强 .

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

力学学报, 2017,49(1):48-54

DOI      URL     Magsci    

<p>高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.</p>

( Wang Yingxue, Gao Bo, Ren Wenqiang .

Aerodynamic load and structure stress analysis on hood of high-speed railway tunnel

Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017,49(1):48-54 (in Chinese))

DOI      URL     Magsci    

<p>高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.</p>

安翼, 莫晃锐, 刘青泉 .

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

力学学报, 2017,49(5):985-996

DOI      URL    

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.

( An Yi, Mo Huangrui, Liu Qingquan .

Study on the influence of the nose slenderness ratio of high-speed train on the aerodynamic noise

Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017,49(5):985-996 (in Chinese))

DOI      URL    

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.

张子健, 刘云峰, 姜宗林 .

振动激发对高超声速气动力/热影响

力学学报, 2017,49(3):616-626

DOI      URL     [本文引用: 1]

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.

( Zhang Zijian, Liu Yunfeng, Jiang Zonglin .

Effect of vibration excitation on hypersonic aerodynamic and aerothermodynamic

Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017,49(3):616-626 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.

彭成荣 . 航天器总体设计. 北京: 中国科学技术出版社, 2011

[本文引用: 1]

( Peng Chengrong. System Design for Spacecraft. Beijing: China Science and Technology Press, 2011 (in Chinese))

[本文引用: 1]

李青, 任德鹏, 王闯 .

月球探测器力学环境研究及试验条件制定

航天器工程, 2018,27(1):137-142

DOI      URL     [本文引用: 1]

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验.文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法.对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件.所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证.

( Li Qing, Ren Depeng, Wang Chuang , et al.

Study on mechanical environment and test condition design for lunar probes

Spacecraft Engineering, 2018,27(1):137-142 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验.文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法.对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件.所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证.

马兴瑞, 韩增尧, 邹元杰 .

航天器力学环境分析与条件设计研究进展

宇航学报, 2012,33(1):1-12

DOI      Magsci     [本文引用: 1]

航天器力学环境条件是航天器及其部组件设计和地面试验验证的主要依据,直接影响着航天器的总体设计水平。随着我国航天事业的飞速发展,对航天器及其有效载荷的设计提出了越来越高的要求,而力学环境分析与条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高的瓶颈技术。本文重点针对航天器力学环境分析与条件设计技术所涉及的航天器力学环境预示理论方法,高精度有限元建模与模型修正技术以及航天器力学环境条件设计技术三个方面国内外研究进展进行了回顾,特别是对近五年来我国航天工业部门在航天器力学环境分析与条件设计领域取得的成就进行了综合评述。在此基础上,结合我国航天工程的实际需求,分析指出了今后在航天器力学环境分析与条件设计领域的主要研究方向。

( Ma Xingrui, Han Zengyao, Zou Yuanjie , et al.

Review and assessment of spacecraft mechanical environment analysis and specification determination

Journal of Astronautics, 2012,33(1):1-12 (in Chinese))

DOI      Magsci     [本文引用: 1]

航天器力学环境条件是航天器及其部组件设计和地面试验验证的主要依据,直接影响着航天器的总体设计水平。随着我国航天事业的飞速发展,对航天器及其有效载荷的设计提出了越来越高的要求,而力学环境分析与条件设计技术已经成为制约我国航天器荷载比提高的瓶颈技术。本文重点针对航天器力学环境分析与条件设计技术所涉及的航天器力学环境预示理论方法,高精度有限元建模与模型修正技术以及航天器力学环境条件设计技术三个方面国内外研究进展进行了回顾,特别是对近五年来我国航天工业部门在航天器力学环境分析与条件设计领域取得的成就进行了综合评述。在此基础上,结合我国航天工程的实际需求,分析指出了今后在航天器力学环境分析与条件设计领域的主要研究方向。

曹茂国, 李琳 .

薄壁板结构声激励载荷作用下的响应谱估算方法

航空动力学报, 2000,15(3):295-297

DOI      URL     [本文引用: 1]

本文提出一种估算薄壁板结构在声激励载荷作用下的响应谱的方法.这一方法借助板式结构的线性振动理论,研究薄壁板结构在声激励载荷作用下动力响应问题,引入结合受纳函数来考虑结构模态的波长和声波长在空间的耦合程度.本文给出的估算薄壁板结构声激励响应的方法,不仅对规则的几何结构有效,而且也应用于复杂薄壁板结构的分析.并将估算的结果与实验值做出了比较,较为吻合.

( Cao Maoguo, Li Lin .

Estimation of response power spectrum of panel structure under acoustic loads

Journal of Aerospace Power, 2000,15(3):295-297 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

本文提出一种估算薄壁板结构在声激励载荷作用下的响应谱的方法.这一方法借助板式结构的线性振动理论,研究薄壁板结构在声激励载荷作用下动力响应问题,引入结合受纳函数来考虑结构模态的波长和声波长在空间的耦合程度.本文给出的估算薄壁板结构声激励响应的方法,不仅对规则的几何结构有效,而且也应用于复杂薄壁板结构的分析.并将估算的结果与实验值做出了比较,较为吻合.

曹茂国, 李琳 .

噪声载荷作用下薄壁柱壳结构的随机振动响应的估算方法

航空动力学报, 2003,18(3):402-406

DOI      URL     [本文引用: 1]

给出了噪声载荷作用下薄壁柱壳结构随机振动加速度响应功率谱密度的计算公式和计算方法,并与实际测量获得的加速度响应功率谱密度进行了比较,计算的功率谱与实测的功率谱具有较好的一致性,说明这种估算噪声载荷作用下薄壁柱壳结构随机振动加速度响应功率谱密度的方法是合理可行的.用同样方法导出的Von Mises 应力响应的功率谱密度及其均方值的计算公式,可直接用于疲劳强度分析.

( Cao Maoguo, Li Lin .

The estimation of random vibration response to cylindrical shell excited noise

Journal of Aerospace Power, 2003,18(3):402-406 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

给出了噪声载荷作用下薄壁柱壳结构随机振动加速度响应功率谱密度的计算公式和计算方法,并与实际测量获得的加速度响应功率谱密度进行了比较,计算的功率谱与实测的功率谱具有较好的一致性,说明这种估算噪声载荷作用下薄壁柱壳结构随机振动加速度响应功率谱密度的方法是合理可行的.用同样方法导出的Von Mises 应力响应的功率谱密度及其均方值的计算公式,可直接用于疲劳强度分析.

王亮, 商霖, 牛智玲 .

基于NASTRAN导弹仪器舱噪声环境预示研究

导弹与航天运载技术, 2013,2:13-15

DOI      URL     [本文引用: 1]

基于商用有限元软件MSC.Patran和Nastran,研究某型导弹的仪器舱结构的噪声环境动力学预示。首先建立仪器舱的三维壳单元模型;根据弹道数据理论,研究导弹在飞行过程中遭受噪声的总声压级,给出噪声声压级谱,并转换为压力功率谱密度函数;最后预示了该仪器舱在压力功率谱的作用下的动力学环境。

( Wang Liang, Shang Lin, Niu Zhiling , et al.

Study on noise environment prediction of missile instrument bay base on NASTRAN

Missiles and Space Vehicles, 2013,2:13-15 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

基于商用有限元软件MSC.Patran和Nastran,研究某型导弹的仪器舱结构的噪声环境动力学预示。首先建立仪器舱的三维壳单元模型;根据弹道数据理论,研究导弹在飞行过程中遭受噪声的总声压级,给出噪声声压级谱,并转换为压力功率谱密度函数;最后预示了该仪器舱在压力功率谱的作用下的动力学环境。

马兴瑞, 于登云, 韩增尧 .

星箭力学环境分析与试验技术研究进展

宇航学报, 2006,27(3):323-331

DOI      URL     [本文引用: 1]

半个世纪以来,宇航科技工作者对卫星发射力学环境的认识逐步深入,从而带动了相关基础理论、 预示方法、分析工具、试验技术和试验设备的不断发展。随着航天技术发展步伐的加快,对航天器设计的要求越来越高,星箭力学环境分析与试验技术研究的迫切性 日益凸出。本文重点针对星箭力学环境分析与试验技术所涉及的航天器力学环境预示、航天器力学环境试验和星箭力学环境匹配优化等三方面技术的国内外研究进展 进行了综合分析评述;指出了三者之间相辅相成、缺一不可的内在联系:预示分析决定着试验的方法和条件,力学试验又反过来验证预示分析的准确性,力学环境预 示分析和试验的准确性和有效性为星箭力学环境匹配优化的顺利开展提供重要保障。最后,根据航天工程的需要,提出了今后在星箭力学环境分析与试验技术研究领 域的主要研究方向。

( Ma Xingrui, Yu Dengyun, Han Zengyao , et al.

Research evolution on the satellite-rocket mechanical environment analysis & test technology

Journal of Astronautics, 2006,27(3):323-331 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

半个世纪以来,宇航科技工作者对卫星发射力学环境的认识逐步深入,从而带动了相关基础理论、 预示方法、分析工具、试验技术和试验设备的不断发展。随着航天技术发展步伐的加快,对航天器设计的要求越来越高,星箭力学环境分析与试验技术研究的迫切性 日益凸出。本文重点针对星箭力学环境分析与试验技术所涉及的航天器力学环境预示、航天器力学环境试验和星箭力学环境匹配优化等三方面技术的国内外研究进展 进行了综合分析评述;指出了三者之间相辅相成、缺一不可的内在联系:预示分析决定着试验的方法和条件,力学试验又反过来验证预示分析的准确性,力学环境预 示分析和试验的准确性和有效性为星箭力学环境匹配优化的顺利开展提供重要保障。最后,根据航天工程的需要,提出了今后在星箭力学环境分析与试验技术研究领 域的主要研究方向。

Fahy F .

Statistical energy analysis: A critical overview

Philosophical Transactions of the Royal Society A, 1994,346:431-447

DOI      URL    

For the benefit of the `enquirer within', who may not be familiar with the background and concepts of SEA, this overview opens with a discussion of the rationale for the use of probabilistic energetic models for high-frequency vibration prediction, and introduces the postulate upon which conventional SEA is based. It compares and relates the modal and travelling wave approaches, discusses the strengths and weaknesses of SEA as currently practised and points out needs and directions for future research. Critical discussions of individual contributions to the development of the subject are presented only in as much as they treat specific matters of concept, principle or reliability. The roles of SEA in providing a framework for experimental investigations of the high-frequency dynamic behaviour of systems and in interpreting observations on operating systems, although equally important, are not substantially addressed. Nor are specific experimental techniques which involve considerations of transducers, spatial sampling, signal processing, error analysis and data interpretation, which require a critical review in their own right.

Lyon R .

Statistical energy analysis and structural fuzzy

Journal of the Acoustical Society of America, 1998,97(5):2878-2881

DOI     

The concepts and derivations of the effects of a minor or secondary structure on the dynamics of a well defined major or primary structure have been recently presented as a ‘‘fuzzy structure’’ interacting with a deterministic one. On the face of it, this appears like a ‘‘halfway’’ SEA system in that one of the two systems is well defined while the other is probabilistic in the SEA sense. It is therefore interesting to see if a ‘‘full SEA’’ treatment of the system would lead to difference in, at least, some of the quoted results. The second, and more important, purpose of this paper is to relate the dynamics of potential minor structures to the properties of the ‘‘fuzzy’’ system, since these properties have been presented in some of the ‘‘fuzzy literature’’ in rather general terms.

Huang HJ .

Predication and validation of high frequency vibration responses of NASA MARS Pathfinder spacecraft due to acoustic launch load using statistical energy analysis

NASA 2001-3585, 2001

Tengler N .

AutoSEA comparisons with booster acoustic test results

The 2002 S/C & L/V Dynamic Environment Workshop, El Segundo USA, 2002

刘小平 .

用统计能量法预示导弹仪器舱的动力学环境

导弹与航天运载技术, 2000,4:52-56

DOI      URL     [本文引用: 1]

以某导弹驾驶仪舱为例,将统计能量分析方法应用于导弹仪器舱的动力学环境预示.通过建立模型和确定各种参数,编程计算出驾驶仪舱的动响应,并将计算结果和实测结果进行了比较和分析.应用研究表明,统计能量分析方法在导弹仪器舱环境预示方面有一定的实用价值.

( Liu Xiaoping .

Predicting the dynamic environment of missile instrument bay with the statistical energy analysis method

Missiles and Space Vehicles, 2000,4:52-56 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

以某导弹驾驶仪舱为例,将统计能量分析方法应用于导弹仪器舱的动力学环境预示.通过建立模型和确定各种参数,编程计算出驾驶仪舱的动响应,并将计算结果和实测结果进行了比较和分析.应用研究表明,统计能量分析方法在导弹仪器舱环境预示方面有一定的实用价值.

杜骊刚 .

飞行器在气动噪声作用下的振动环境预示方法

装备环境工程, 2008,5(6):65-67

DOI      URL     [本文引用: 1]

采用MSC.NASTRAN对某飞行器进行了自由-自由状态下的模态分析和气动噪声作用下的随机振动响应分析,并且与模态试验和噪声试验结果作了比较,验证了使用三维有限元模型进行振动环境预示方法的有效性。

( Du Ligang .

Vibration environment prediction method for spacecraft under pneumatic noise condition

Equipment Environmental Engineering, 2008,5(6):65-67 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

采用MSC.NASTRAN对某飞行器进行了自由-自由状态下的模态分析和气动噪声作用下的随机振动响应分析,并且与模态试验和噪声试验结果作了比较,验证了使用三维有限元模型进行振动环境预示方法的有效性。

房桂祥 .

喷流噪声引起的结构振动环境预示研究

强度与环境, 2006,33(3):7-10

DOI      URL     [本文引用: 1]

箱式热发射时,发动机喷流噪声产生的振动环境多采用试验测量,环境预示手段应用较少。本文应用AutoSEA2软件对某喷流噪声产生的振动进行计算分析,并与试验结果作一比较,发现预示结果与试验结果比较相符,在型号研制初期具有一定参考价值。

( Fang Guixiang .

Foreshowing study of the vibration environment caused by engine jet noise

Structure & Environment Engineering, 2006,33(3):7-10 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

箱式热发射时,发动机喷流噪声产生的振动环境多采用试验测量,环境预示手段应用较少。本文应用AutoSEA2软件对某喷流噪声产生的振动进行计算分析,并与试验结果作一比较,发现预示结果与试验结果比较相符,在型号研制初期具有一定参考价值。

朱卫红, 韩增尧, 邹元杰 .

航天器声振力学环境预示与验证

宇航学报, 2016,37(9):1142-1149

DOI      Magsci     [本文引用: 1]

<p>针对航天器声振力学环境预示的难题,开展大型复杂航天器声振力学环境的预示方法研究和试验验证。首先结合航天器声振力学环境的特点,研究采用混合有限元-统计能量分析(FESEA)方法建立航天器声振预示模型的关键技术,在此基础上建立整星级和系统级航天器(整流罩-卫星-仪器舱-适配器组合体)的混合预示模型,最后将预示结果与噪声试验数据进行对比,验证了预示方法和模型的有效性,并基于分析结果探讨影响航天器声振力学环境预示精度的关键环节。</p>

( Zhu Weihong, Han Zengyao, Zou Yuanjie , et al.

Prediction and validation of vibro-acoustic mechanical environment of large complex spacecraft

Journal of Astronautics, 2016,37(9):1142-1149 (in Chinese))

DOI      Magsci     [本文引用: 1]

<p>针对航天器声振力学环境预示的难题,开展大型复杂航天器声振力学环境的预示方法研究和试验验证。首先结合航天器声振力学环境的特点,研究采用混合有限元-统计能量分析(FESEA)方法建立航天器声振预示模型的关键技术,在此基础上建立整星级和系统级航天器(整流罩-卫星-仪器舱-适配器组合体)的混合预示模型,最后将预示结果与噪声试验数据进行对比,验证了预示方法和模型的有效性,并基于分析结果探讨影响航天器声振力学环境预示精度的关键环节。</p>

Shorter PJ, Langley RS .

Vibro-acoustic analysis of complex systems

Journal of Sound and Vibration, 2005,288(3):669-699

DOI      URL    

A general method is presented for predicting the ensemble average steady-state response of complex vibro-acoustic systems that contain subsystems with uncertain, or random, properties. The method combines deterministic and statistical techniques to produce a non-iterative hybrid method that incorporates equations of dynamic equilibrium and power balance. The method is derived explicitly without reference to statistical energy analysis (SEA); however, it is seen that the wave approach to SEA can be viewed as a special case of the proposed method. The proposed method provides a flexible way to account for necessary deterministic details in a vibro-acoustic analysis without requiring that an entire system be modeled deterministically. The method therefore provides a potential solution to the mid-frequency problem (in which a system is neither entirely deterministic nor entirely statistical). The application of the method is illustrated with a numerical validation example.

Langley RS .

On the diffuse field reciprocity relationship and vibrational energy variance in a random subsystem at high frequencies

Journal of the Acoustical Society of America, 2007,121(2):913-921

DOI      URL     PMID     

A recent paper has shown that under certain conditions the cross-spectral matrix of the forces exerted by a vibrational or acoustic wave field on its surrounding boundaries can be expressed in terms of (i) the energy of the wave field, and (ii) the direct field dynamic stiffness matrix of the boundary. This "diffuse field reciprocity relation" was derived using wave mechanics, and it is not immediately clear how the required wave field properties translate to conditions on the vibrational modes of the system or the applied forcing. This issue is addressed here by deriving an extended version of the reciprocity relation using modal methods, and the conditions required for the extended version to reduce to the existing relation are delineated. It is shown that the existing diffuse field reciprocity relation leads to an anomalous result when used to predict the energy variance of a subsystem, and that this anomaly is resolved by using the present extended version of the relation. A supplementary result arising from the analysis is that for systems with a sufficient degree of randomness the ensemble average of the dynamic stiffness matrix of a random subsystem is equal to the inverse of the ensemble average of the receptance matrix.

Cotoni V, Langley RS, Shorter PJ .

A statistical energy analysis subsystem formulation using finite element and periodic structure theory

Journal of Sound and Vibration, 2008,318:1077-1108

DOI      URL    

In statistical energy analysis (SEA), a complex vibro-acoustic system is represented as an assembly of coupled subsystems. The parameters of an SEA model are typically derived by considering wave propagation within each subsystem. Analytical formulations exist for describing wave propagation in many commonly encountered subsystems (for example, flat plates, curved shells, ribbed panels, etc.). However, problematic subsystems are often encountered that are not well represented by existing analytical formulations. Examples include composite fuselages, isogrid fairings, complex ribbed panels and extruded train floors. This paper describes a SEA subsystem formulation based on a combination of finite elements (FEs), component mode synthesis (CMS) and periodic structure theory. The method enables the SEA parameters to be efficiently computed for very general structural panels. Expressions are derived for the modal density, damping loss factor and ngineering units response of the panel. By making use of an efficient Fourier transform approach, the resonant radiation efficiency, non-resonant transmission loss and acoustic input power are also obtained. The method is derived and a number of analytical and experimental validation cases are presented.

张瑾, 邹元杰, 韩增尧 .

声振力学环境预示的FE-SEA混合方法研究

强度与环境, 2010,37(3):14-20

DOI      URL    

传统的有限元方法和统计能量分析能够较好地预示低频和高频的力学环境,但如果存在刚度悬殊过大的子系统时,上述方法均难以准确预示。FE-SEA混合方法兼顾了有限元与统计能量分析的优点,可针对子系统的不同特点分别应用有限元或统计能量分析技术进行建模,而后依据边界处直接场与混响场的互易性,将子系统重新整合,得出整体系统的响应。文中主要介绍了FE-SEA混合方法的基本理论,在对经典理论研究的基础上,完善了FE-SEA混合方法的功率平衡方程并得到复杂系统在各种连接状态下随机子系统间能量传输关系的完整表达式,使得该方法可适用于更为复杂的耦合系统,拓宽了其应用范围。

( Zhang Jin, Zou Yuanjie, Han Zengyao .

Research on FE-SEA hybrid method for vibroacoustic prediction in dynamic environment

Structure & Environment Engineering, 2010,37(3):14-20 (in Chinese))

DOI      URL    

传统的有限元方法和统计能量分析能够较好地预示低频和高频的力学环境,但如果存在刚度悬殊过大的子系统时,上述方法均难以准确预示。FE-SEA混合方法兼顾了有限元与统计能量分析的优点,可针对子系统的不同特点分别应用有限元或统计能量分析技术进行建模,而后依据边界处直接场与混响场的互易性,将子系统重新整合,得出整体系统的响应。文中主要介绍了FE-SEA混合方法的基本理论,在对经典理论研究的基础上,完善了FE-SEA混合方法的功率平衡方程并得到复杂系统在各种连接状态下随机子系统间能量传输关系的完整表达式,使得该方法可适用于更为复杂的耦合系统,拓宽了其应用范围。

罗研朝, 王闯, 张熇 .

基于FE-SEA方法的航天器含支架组件噪声分析

航天器环境工程, 2014,31(3):262-266

DOI      URL     [本文引用: 1]

安装在支架上的航天器设备的随机环境条件的制定一般是以经验为基础,并通过试验结果修正,而对于全新构型的航天器,其设备的随机环境条件的制定则只能依靠试验。鉴于目前没有一种成熟的分析方法能在航天器研制初期得出设备安装界面处的噪声响应,文章提出采用 FE-SEA 方法,将含支架组件和航天器结构本体看成互相独立的两部分,分别采用不同子系统建模,并以“嫦娥三号”某推力器组件噪声试验数据进行了验证。分析结果表明,含支架组件和航天器结构本体分别采用FE和SEA子系统建模,可准确地获得设备安装界面处高频噪声响应,结合低频噪声分析,可作为制定设备随机环境条件的参考。

( Luo Yanzhao, Wang Chuang, Zhang He .

Acoustic response prediction for a spacecraft unit with bracket based on FE-SEA method

Spacecraft Environment Engineering, 2014,31(3):262-266 (in Chinese))

DOI      URL     [本文引用: 1]

安装在支架上的航天器设备的随机环境条件的制定一般是以经验为基础,并通过试验结果修正,而对于全新构型的航天器,其设备的随机环境条件的制定则只能依靠试验。鉴于目前没有一种成熟的分析方法能在航天器研制初期得出设备安装界面处的噪声响应,文章提出采用 FE-SEA 方法,将含支架组件和航天器结构本体看成互相独立的两部分,分别采用不同子系统建模,并以“嫦娥三号”某推力器组件噪声试验数据进行了验证。分析结果表明,含支架组件和航天器结构本体分别采用FE和SEA子系统建模,可准确地获得设备安装界面处高频噪声响应,结合低频噪声分析,可作为制定设备随机环境条件的参考。

张立翔 . 流体结构互动理论及其应用. 北京: 科学出版社, 2004

[本文引用: 1]

( Zhang Lixiang. The Structure Interation Theory and its Application. Beijing: Science Press, 2004 (in Chinese))

[本文引用: 1]

杨志勇, 李桂青, 瞿伟廉 .

结构阻尼的发展及其研究近况

武汉工业大学学报, 2000,22(3):38-41

DOI      URL    

阐述了结构阻力的基本概念及研究结构阻尼的意义,介绍了国内外研究阻尼的历史和现状,提出了影响结构阻尼的各种因素,探讨了在研究中存在的问题和阻尼研究的前景.

( Yang Zhiyong, Li Guiqing, Qu Weilian .

The research history and recent development of structural damping

Journal of Wuhan University of Technology, 2000,22(3):38-41 (in Chinese))

DOI      URL    

阐述了结构阻力的基本概念及研究结构阻尼的意义,介绍了国内外研究阻尼的历史和现状,提出了影响结构阻尼的各种因素,探讨了在研究中存在的问题和阻尼研究的前景.

Aquino RER, Tamura Y .

Structural damping estimation using a simple equation based on the equivalent viscous damping concept

Procedia Engineering, 2017,199:495-500

王勖成 . 有限单元法. 北京: 清华大学出版社, 2003

[本文引用: 1]

( Wang Xucheng . Finite Element Method. Beijing: Tsinghua University Press, 2003 (in Chinese))

[本文引用: 1]

MSC.

Nastran Advanced Dynamic Analysis User's Guide

Santa Ana. CA 92707 USA: MSC. Software Corporation, 2004

[本文引用: 1]

李青, 韩增尧, 马兴瑞 .

航天器贮箱液固耦合振动特性的仿真与试验研究

宇航学报, 2014,35(11):1233-1237

DOI      URL     Magsci     [本文引用: 1]

<p>首先介绍了解决液固耦合问题的两类数值理论和相应的仿真方法,在ANSYS和NASTRAN有限元分析软件平台上分别采用液体单元法和虚拟质量法建立起圆柱形充液容器的液固耦合模型,模态分析算例取得了与模态试验一致的结果,校验了两种仿真方法的有效性,并对比分析了它们的特点;最后采用虚拟质量法对&ldquo;嫦娥三号&rdquo;探测器贮箱进行了频率响应分析,并将分析结果与贮箱正弦振动试验结果进行了比对,分析预示有效地指导了工程试验。</p>

( Li Qing, Hang Zengyao, Ma Xingrui .

Simulation and experimental research on fliud-structure-interaction dynamics of tank in spacecrafts

Journal of Astronautics, 2014,35(11):1233-1237 (in Chinese))

DOI      URL     Magsci     [本文引用: 1]

<p>首先介绍了解决液固耦合问题的两类数值理论和相应的仿真方法,在ANSYS和NASTRAN有限元分析软件平台上分别采用液体单元法和虚拟质量法建立起圆柱形充液容器的液固耦合模型,模态分析算例取得了与模态试验一致的结果,校验了两种仿真方法的有效性,并对比分析了它们的特点;最后采用虚拟质量法对&ldquo;嫦娥三号&rdquo;探测器贮箱进行了频率响应分析,并将分析结果与贮箱正弦振动试验结果进行了比对,分析预示有效地指导了工程试验。</p>

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