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1、振动分析与测试 航空宇航学院振动工程研究所2010年9月 赵永辉教授 自我介绍 1999 10 毕业于哈尔滨工业大学航天工程与力学系 并获博士学位2002 2004 南京航空航天大学力学博士后流动站 博士后 合作导师 胡海岩院士2004 4 现在 南京航空航天大学振动所 简历 2004年被聘为副教授 2010年晋升为教授 中国民主同盟盟员 自我介绍 专著 气动弹性力学与控制 科学出版社 2007 7 气动弹性力学振动主动控制 研究方向 1 Y H Zhao H Y Hu Aeroelasticanalysisofanon linearairfoilbasedonunsteadyvortexla
2、tticemodel JournalofSoundandVibration 2004 276 491 5102 3 Y H Zhao Stabilityofatwo dimensionalairfoilwithtime delayedfeedbackcontrol JournalofFluidsandStructures 2009 25 1 1 253 Y H Zhao Fluttersuppressionofahighaspect ratiowingwithmultiplecontrolsurfaces JournalofSoundandVibration 2009 324 490 5134
3、 Y H zhao H Y Hu Activecontrolofverticaltailbuffetingbypiezoelectricactuators JournalofAircraft 2009 46 4 1167 11755 Y H zhao H Y Hu VibrationSuppressionofaQuadrilateralPlatewithHybridPiezoelectricCircuitsUsingFiniteElementMethod JournalofVibrationandControl 16 5 701 720 20106 Stabilityofatime delay
4、edaeroelasticsystemwithacontrolsurface AerospaceScienceandTechnology 2010 inpress 自我介绍 论文 自我介绍 承担的研究项目 国家级863计划 高空多功能无人飞行平台气动弹性和动力学研究 已完成 空装预研 先进柔性机翼技术研究和试验验证 正在进行 横向 垂尾抖振主动抑制研究 正在进行 国家自然科学基金 2009 可折叠式机翼非线性颤振与时变系统气动弹性响应研究 正在进行 中国高超音速发展中心 壁板颤振研究 已完成 使用教材与学习方法 上课认真听讲 勤于思考认真完成实验 从实验中进一步理解基本理论独立和认真完成作业
5、不抄袭通过做适当数量的习题来加深对基本理论的理解 胡海岩 机械振动基础 北京航空航天大学出版社 2005 教材 学习方法 课程安排 总成绩 基础理论 60 实验 30 平时 10 绪论 5 机械振动的分类 振动现象无处不在 2 动力学发展的几个阶段 3 有害的振动 4 有用的振动 6 振动问题的分类 7 解决振动问题的方法 振动现象无处不在 振动 机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动 振动现象无处不在 返回 第一阶段 经典动力学的萌芽 Pythagoras对弦振动的探索 用单弦琴作实验 发现振动频率与其长度成反比 古希腊数学家和哲学家Pythagoras BC569 475 在黑暗中摸索
6、Galileo对摆的研究1581年 17岁的医学生Galileo注意到教堂中悬挂的蜡烛架摆动具有周期 他以脉搏计时 用石头系在细绳一端重复实验 发现给定绳长后 摆动周期与石头重量无关 1638年 57年后 他在发现自由落体规律后给出单摆振动周期的近似值 意大利科学家Galileo 1564 1642 第一阶段 经典动力学的萌芽 荷兰科学家Huygens 1629 1695 Huygens对摆的研究 1656年 利用摆的等时性制成摆钟 1674年 在 摆动时钟 中用几何方法得到了正确的单摆振动周期 第一阶段 经典动力学的萌芽 研究方式及特点黑暗中 极个别学者进行长期不懈地探索 奠定了科学研究方法
7、的基础 设计突出主要因素的物理实验 通过观察和归纳发现实验的内在规律 对研究对象作科学抽象 建立简化模型进行分析 以通信 著作方式公布研究结果 Galileo的 两门新科学的谈话和数学证明 Huygens的 摆动时钟 第一阶段 经典动力学的萌芽 第二阶段 经典动力学的形成 Newton力学Newton力学 英国科学家Newton 1643 1727 自然哲学的数学原理 1687 运动学 位移u 速度v 加速度a动力学 ma t f t Natureandnature slawlayhidinnight Godsaid LetNewtonbe andallwaslight AlexanderPo
8、pe Lagrange力学 分析力学 1788 引入广义坐标qr r 1 N 动能T和势能V 基于虚位移原理建立了标量形式的动力学方程特点免去处理系统内部的约束力形式抽象 法国科学家Lagrange 1736 1813 第二阶段 经典动力学的形成 Hamilton力学Hamilton原理 1834 爱尔兰科学家Hamilton 1805 1865 第二阶段 经典动力学的形成 有心力 引力 场中的质点动力学 Newton1685 Kepler1609 刚体动力学 Euler1758 运动稳定性理论 Lyapunov1892 线性振动理论 Euler Lagrange Duhamel Fourie
9、r 瑞士 俄罗斯科学家Euler 1707 1783 俄罗斯科学家Lyapunov 1857 1918 德国科学家Kepler 1571 1630 第二阶段 经典动力学的形成 线性振动理论 18 19世纪 1728年 Euler研究了摆在有阻尼介质中的自由振动 1739年 Euler研究了振子的简谐受迫振动 解释了共振现象 1747年 Euler发现质量 弹簧系统的振动是各简谐振动的线性组合 1762年 Lagrange建立了线性振动的一般理论 1834年 Duhamel建立了分析强迫振动的普遍公式 1744年 Euler研究了梁的横向自由振动 导出了铰支 固定和自由三类边界条件下的振形函数与
10、频率方程 1759年 Euler解决了矩形膜的自由振动问题 1814 1850年 Poisson Kirchhoff Navier建立板弯曲振动理论 第二阶段 经典动力学的形成 研究方式及特点科学探索成为贵族时尚 英国皇家学会 巴黎科学院 圣彼德堡科学院 普鲁士科学院 在实验观察的基础上形成概念 用数学工具精确描述普遍规律 通过演绎获得结论 走完了科学研究的全过程 成果 从书信 著作 论文 1665年诞生了科学期刊 PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon 第二阶段 经典动力学的形成 19世纪的工业革命汽轮机 内燃机 机械动力学造船
11、船舶动力学机械振动的近似计算1873年 Rayleigh基于能量分析 给出了确定系统基频的近似方法 1909年 Ritz推广了Rayleigh法使之可同时求几个低阶固有频率 英国科学家Rayleigh 1842 1919 v取作静变形 第三阶段 工程动力学的萌芽 转子动力学 1883年 Dunkerly和Peynolds研究了转轴的弓形回旋和振动 1880年 DeLaval进行了转速高达30krm的汽轮机转子试验 1918年 Stodola研究了陀螺效应对临界转速的影响 轴系的扭转振动 1901年 Frith和Lamb建立了多盘轴系扭振的基本理论 1902年 Frahm进行实验研究并着重考虑共
12、振计算问题 其方法经过多人改进 到1945年成为Myklestad Prohl方法 第三阶段 工程动力学的萌芽 研究方式及特点工业革命促使力学家与工程师相结合 使得动力学不再仅仅是物理学的一个分支 基本方法 在工程近似基础上形成简化的力学模型 对数学问题采取各种近似处理 获得能 指导 工程实践的结果 并通过实验校正计算结果 出现了算法 表格 手册 专利等新的成果形式 第三阶段 工程动力学的萌芽 第四阶段 工程动力学的形成 20世纪以来 在航空航天技术牵引下 工程动力学发展十分迅速 数字样车 原型车 第四阶段 工程动力学的形成 1 动力学建模结构 有限元法 NASTRAN ANSYS 机构 多体
13、系统动力学 ADMAS 内燃机车车体 Su27歼击机 Tarus98前悬架 第四阶段 工程动力学的形成 2 动力学计算动特性 固有频率 固有振型计算 子空间迭代 QR分解 动响应 数值积分 Runge Kutta Newmark 某机翼第1阶振型 某机翼第2阶振型 某机翼几何模型 第四阶段 工程动力学的形成 3 动力学实验动特性 频率 振型 阻尼 无人驾驶飞机振动实验 第四阶段 工程动力学的形成 4 动力学设计参数设计 灵敏度分析 梯度法优化 基因算法等 拓扑设计 排除法 扩维法等 初始结构 优化后结构 第四阶段 工程动力学的形成 5 动力学控制运动和姿态控制 机器人 无人驾驶飞机 卫星 探测
14、器振动控制 主动 半主动 被动 第四阶段 工程动力学的形成 研究方式及特点多学科 如计算机 控制论 融合 相互促进 基本方法 采用理论和实验联合建模 用先进的计算技术 图形技术模拟系统动力学 借助人工智能进行动力学设计 用控制技术获得期望的动力学品质 数值模拟和图形软件成为新的成果形式 第四阶段 工程动力学的形成 当代动力学面临的挑战 1 动载荷问题军舰的水下爆炸载荷试验 试验费用昂贵 不确定性载荷 海洋平台受到的波浪载荷 建筑物受到的随机地震载荷与系统相互作用 飞机的气动载荷 高耸结构的风载荷 2 跨尺度问题MEMS 在微陀螺 微加速度计中 温度 Brown运动 噪声都影响其特性 必须进行多
15、场耦合分析 纳尺度系统 目前采用MD模拟 具有许多局限性 经验势 不能计入量子效应 计算规模仅数万个粒子 难以模拟具有支链和环状结构的柔性分子 方向是 QM MD CM的混合方法 当代动力学面临的挑战 返回 Whenagroupofcavalry 骑兵 crossingabridgenearManchester 曼彻斯特 in1831 thebridgecollapsedbecauseoftheresonancecreatedbytherhythmofthehorses steps 有害的振动 1940年11月7日 美国华盛顿州塔科马桥在中等风速 19m s 下结构就发生破坏 该桥破坏时 当地
16、Tacoma报社的编辑LeonardCostsworth恰好路过 并用摄影机记录下一段珍贵的胶片 有害的振动 直升机地面和空中共振海尔洗衣机移位歼八机发动机加力燃油总管振断事故分析歼八机跨音速区振动米格15飞机的颤振事故S型进气道振动内埋弹舱 有害的振动 有害的振动 颤振导致垂尾疲劳破坏 1998 F117颤振事故 1997 疲劳破坏的另一个例子 有害的振动 有害的振动 F18双垂尾抖振 有害的振动 垂尾抖振主动抑制 NASA兰利研究中心开展的ACROBAT项目 返回 有用的振动 秋千 吉他 旋振筛 小号 有用的振动 张衡 地动仪 公元138年2月 地动仪正对西方的那个龙嘴吐出铜球 预示西部发生了地震 果然离洛阳500多公里的金城一带发生了大地震 张衡61岁病死 返回 机械振动的分类 1 按自由度的多少 单自由度系统 原始系统 机械振动的分类 两自由度系统 多自由度系统 原始系统 无限自由度系统 原始系统 机械振动的分类 2 按激励类型 自由振动 系统受初始激励后 不再受外界激励的振动 自由振动 机械振动的分类 受迫振动 系统在持续的外界控制的激励作用下的振动 受迫振动 机械振动的分类
