结构动力学边界条件优化设计及工程实现方法研究

论文摘要

对于处于恶劣振动环境中的工程结构，为了控制结构振动水平，需要准确地分析、预测结构的动力学特性，对结构进行动态设计。进行坏境振动试验，需要试验夹具能够反映或模拟实际结构的动力学边界条件，是一个结构动力学边界设计问题。本文针对结构动力学边界条件的识别和结构边界的动力学设计，开展结构边界动力学条件的时域识别方法和有固有频率和振型要求的结构边界条件动力学设计研究，并将着重于通过工程上可实现的结构模拟真实结构提供给实际结构的动力学边界。本论文主要从以下六个方面对结构边界条件设计与工程实现作系统的研究。 一、复杂结构的动力学分析在基础理论和基本方法上已经有了很大的进展，但对于结构界面连接部位和边界条件的准确表述存在困难。因此，通过理论和试验相结合的方法辨识连接界面与边界条件的物理参数的方法受到普遍重视。人们对连接界面与边界条件参数识别已做了大量的研究，提出了许多连接参数的识别方法，多数识别方法是频域方法。本文利用广义微分变换，将结构动力学方程变换为一组离散域上的线性方程，不但便于进行振动微分方程的求解，而且可得到识别结构动力学边界条件的时域方法。 二、用数值模拟和实验进行边界条件参数识别的研究。试验中，通过设计一个带有弹性边界的悬臂梁结构，在模型修正的基础上，测量梁结构在简谐激励下有和无弹性边界时的响应，用所建立的基于微分变换的结构动力学边界条件识别方法对梁结构的边界参数进行识别，验证该识别方法的有效性。 三、结构的边界条件对结构系统的动力学特性影响明显，且边界条件的设计变量数一般要比结构内部的参数少，因而可通过设计结构边界条件来满足所要求的结构动力学特性。工程结构的环境振动试验中，按动力学特性来设计边界结构或柔性夹具，可使环境振动试验能够反映或逼近实际情况，从而有利于实现结构系统的动力学设计和振动控制。本文将对结构动力学边界条件设计方法进行研究。首先研究进行动力学边界条件设计的设计准则，从结构在外载荷激励下的动响应分析出发，导出可表示结构动力学特性(固有频率和振型)的结构边界条件动力学条件设计或模拟的准则。进而确定进行结构边界条件的动力学设计方法——优化设计方法，建立了以表示结构振型差的范数为目标函数，要求的结构固有频率为约束条件的优化策略。 四、从工程应用的角度，对模态截断和振型误差问题进行研究。提出了一种

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构边界条件识别
• 1.3 结构动力学边界条件设计与振动实验夹具设计
• 1.4 本文研究内容
• 2 微分变换及结构动力学边界条件的参数识别
• 2.1 微分变换及其性质
• 2.1.1 微分变换的定义
• 2.1.2 微分变换的基本性质
• 2.2 利用微分变换方法进行动力学系统响应分析
• 2.2.1 微分变换用于振动响应分析
• 2.2.2 数值仿真计算
• 2.3 结构动力学边界条件参数（质量、刚度和阻尼矩阵）的识别
• 2.3.1 结构边界条件参数识别原理
• 2.3.2 数值模拟
• 2.4 本章小结
• 3 结构边界条件参数识别的实验研究
• 3.1 实验系统
• 3.2 实验
• 3.3 响应信号处理及边界条件参数识别
• 3.4 本章小结
• 4 结构动力学边界条件设计方法研究
• 4.1 概述
• 4.2 结构动力学边界条件优化设计
• 4.3 模态截断准则
• 4.3.1 各阶模态对响应的贡献
• 4.3.2 模态截断的能量范数准则
• 4.3.3 能量范数准则的应用
• 4.4 振型修正
• 4.4.1 响应的振型修正方法
• 4.4.2 振型修正算例
• 4.5 有限元模型的协调
• 4.6 本章小结
• 5 刚架结构动力学边界设计
• 5.1 概述
• 5.2 边界支撑结构的优化设计
• 5.2.1 优化设计的模型
• 5.2.2 五杆支撑模型的优化结果
• 5.2.3 四杆支撑模型的优化结果
• 5.3 设计边界条件结构的响应分析
• 5.3.1 有外部激励时响应分析
• 5.3.2 基础运动激励时的响应分析
• 5.3.3 计算结果讨论
• 5.4 振型修正计算
• 5.5 结构动力学边界条件模拟实验
• 5.5.1 模拟边界支撑梁结构参数确定
• 5.5.2 模拟边界机翼结构的模态参数试验
• 5.5.3 试验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 6 薄壁结构动力学边界设计
• 6.1 薄壁结构概述
• 6.2 薄壁结构的有限元法及动力特性计算
• 6.2.1 杆、板的刚度矩阵
• 6.2.2 薄壁结构的有限元法
• 6.3 用薄壁结构模拟结构的边界
• 6.3.1 刚架机翼结构的边界设计
• 6.3.2 薄壁结构机翼结构的边界设计
• 6.4 薄壁结构机翼的响应与振型修正
• 6.5 本章小结
• 7 研究工作总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢