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多级多重模态减缩策略及其在转子系统动力学特性分析上的应用

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振动工程学报 2024年第5期37卷 737-746页

作者：姚毅黄行蓉管晓乐徐迅张大义北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206 北京理工大学机械与车辆学院北京100081 航天科工空天动力研究院(苏州)有限责任公司江苏苏州215131 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机结构强度北京市重点实验室北京100191

航空发动机转子部件众多,多部件高维复杂系统计算量大,导致动力学分析困难、计算时间长,进而影响转子结构设计和动力学验证的效率。基于部件模态综合方法,提出一种针对多部件高维复杂系统降维计算的多级模态减缩策略。对每个单独的子结... 详细信息

航空发动机转子部件众多,多部件高维复杂系统计算量大,导致动力学分析困难、计算时间长,进而影响转子结构设计和动力学验证的效率。基于部件模态综合方法,提出一种针对多部件高维复杂系统降维计算的多级模态减缩策略。对每个单独的子结构利用固定界面模态减缩,并行减缩各子结构的内部自由度,同时完整保留子结构间的耦合关系。通过子结构组合定义新一级的子结构,应用多级模态减缩策略提升降维减缩效果,结合多重模态减缩方法,构建界面分支模态,可显著降低转子有限元模型的维数,同时保留关键子结构的动力学特征和系统整体关键动力学特性。此计算策略被用于某弹用发动机转子系统低维减缩模型的建立,利用减缩模型提升了转子动力学分析的效率,加速轴承刚度参数的优化设计。研究结果表明,与ANSYS计算相比,转子动力学分析所需时间降低了99.5%,精度误差不超过0.1%,该计算策略可用于多部件高维复杂系统的快速分析。

关键词：转子动力学部件模态综合多级模态减缩模态减缩部件优化

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关键结构参数对转子系统动力学特性的影响

机械设计与制造 2024年

作者：黄行蓉肖凯文杨东来姚毅北京航空航天大学中法工程师学院

旨在揭示转子系统中关键参数对弹性支承上的转子动力学特性的影响规律，以供工程人员进行设计和工程分析时进行参考。转子系统中的基本单元包括转子（包括转轴和轮盘）、定子以及连接转子和定子件的轴承。将转轴和轮盘简化为刚体，考虑... 详细信息

旨在揭示转子系统中关键参数对弹性支承上的转子动力学特性的影响规律，以供工程人员进行设计和工程分析时进行参考。转子系统中的基本单元包括转子（包括转轴和轮盘）、定子以及连接转子和定子件的轴承。将转轴和轮盘简化为刚体，考虑轴承的弹性，基于Laval转子模型，采用Lagrange方法，建立了转子的轮盘、转轴、联轴节和支承力学模型，在静止坐标系下，分别分析转子横截面惯性异性、转子结构阻尼、轴承阻尼以及轴承刚度异性四个参数对转子系统动力学特性的影响，在旋转坐标系下，分析转子的联轴节动刚度异性参数对转子系统动力学特性的影响，建立了转子的临界转速、动态响应和稳定裕度关于以上五个关键参数的变化规律，并运用多项式混沌展开理论，依次将五个关键参数假设为随机参数，分别对上述参数进行敏感性分析，以期对相关问题的工程分析提供理论参考。

关键词：转子系统横截面惯性异性转子刚度异性多项式混沌展开敏感性分析

基于模糊控制的深空探测器不确定姿态控制方法设计

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空间科学学报 2024年第5期44卷 928-938页

作者：杜宇金士博杨东来黄行蓉北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院北京100191 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

在空间探测任务中,探测器的姿态控制是保证各项任务完成的基础,虽然探测器的着陆控制技术已日趋成熟,但地外起飞阶段的姿态控制研究还相对较少.本文设计了一种适用于深空探测器在外星不确定性环境下起飞时的模糊控制器,通过对姿态角与... 详细信息

在空间探测任务中,探测器的姿态控制是保证各项任务完成的基础,虽然探测器的着陆控制技术已日趋成熟,但地外起飞阶段的姿态控制研究还相对较少.本文设计了一种适用于深空探测器在外星不确定性环境下起飞时的模糊控制器,通过对姿态角与角速度进行分档模糊化处理降低计算量;建立将姿态角和角速度映射到输出力矩的模糊控制规则;根据模糊规则输出的模糊量,通过去模糊化得到控制器的开关状态输出,实现对探测器姿态的快速有效控制.利用数值仿真测试了控制器的控制效果,以及在起飞初始姿态和发动机安装存在偏差时的鲁棒性,在ADAMS环境下对探测器起飞过程进行物理仿真.结果表明,相比于经典PD控制方法在实际模型与理想模型有差别时导致的控制发散,该控制器在参数不确定下具有更强的鲁棒性,满足了深空探测器自主起飞时对姿态控制的需求.

关键词：探测器起飞模糊控制参数不确定姿态控制

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旋量理论及其在材料力学中的应用

力学与实践 2024年

作者：黄行蓉李敏 Jean-Pierre LAINE 北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院北京航空航天大学航空科学与工程学院

旋量理论是为力学量身定制的数学工具，在描绘刚体运动时表现出独特优势。基于材料力学中的平截面假设，构件的截面运动可分解为形心位移以及截面绕形心的旋转，从而可将截面运动视为刚体运动，故可采用旋量理论刻画构件截面的运动和受... 详细信息

旋量理论是为力学量身定制的数学工具，在描绘刚体运动时表现出独特优势。基于材料力学中的平截面假设，构件的截面运动可分解为形心位移以及截面绕形心的旋转，从而可将截面运动视为刚体运动，故可采用旋量理论刻画构件截面的运动和受力。该描述方式在数学形式上具有统一性，在物理现象上能对应实际受载和变形的一般性，可将力学问题转变成基于旋量运算法则求解的数学问题。本研究期望能为我国材料力学教学提供新视角和新思路。

关键词：旋量理论材料力学数学工具

新科技时代工程卓越化与卓越工程人才教育关键理念演化与启示

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工程研究——跨学科视野中的工程 2024年

作者：陈向东黄行蓉洪冠新北京航空航天大学经济管理学院清华大学技术创新研究中心北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院北京航空航天大学中法航空学院

基于国内外文献分析，本文提出了工程卓越化的概念及其发展特征，并强调了三个核心作用规律：首先，工程理念集成科学技术资源，推动本土问题导向型解决方案的专精化；其次，基础科学与工程实践的双向知识流动是工程卓越化发展的关键路... 详细信息

基于国内外文献分析，本文提出了工程卓越化的概念及其发展特征，并强调了三个核心作用规律：首先，工程理念集成科学技术资源，推动本土问题导向型解决方案的专精化；其次，基础科学与工程实践的双向知识流动是工程卓越化发展的关键路径，特别对于发展中国家和新兴经济体而言；第三，此种双向知识和信息流动也是卓越工程师教育改革的核心，据此支撑工程卓越化可持续发展。基于上述理念，本文提出了卓越工程人才教育的关键理念与实践要点：包括坚实的科学知识支撑、高效产学研合作机制、团队学习模式以及立足本土产业发展的理论与实践训练。这些理念与要点可；为我国的工程卓越化发展和卓越工程师教育提供有价值的参考。

关键词：工程卓越化工程教育卓越工程师教育国家创新体系

适用于优化建筑结构声振特性的多重模态减缩策略

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振动工程学报 2023年第4期36卷 1015-1023页

作者：黄行蓉姚毅张大义北京航空航天大学中法工程师学院北京100191 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭) 浙江杭州310023 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 航空发动机结构强度北京市重点实验室北京100191

建筑结构的声振特性是衡量建筑舒适性的重要指标之一,也是直接影响建筑使用寿命的重要因素,开展建筑结构声振特性优化的设计方法研究具有重要的工程意义。以建筑结构为研究对象,将其看作声固耦合系统——固体域为混凝土材质的楼板和墙... 详细信息

建筑结构的声振特性是衡量建筑舒适性的重要指标之一,也是直接影响建筑使用寿命的重要因素,开展建筑结构声振特性优化的设计方法研究具有重要的工程意义。以建筑结构为研究对象,将其看作声固耦合系统——固体域为混凝土材质的楼板和墙壁板构成的长方体结构,结构内部腔体填满可压缩空气。引入分支模态发展了多重模态综合理论,建立了基于子结构固定界面模态、连接面分支模态和声学体自由子结构模态的减缩模型,极大地提升了声固耦合系统声振特性的分析效率;基于该减缩模型发展了一套建筑结构内部声压级优化方法,重点分析了建筑结构内部声压级与墙壁厚度、楼板-墙壁连接面上刚度之间的定量关系,并以腔体内部平均声压级为优化指标给出了优化策略。本文所提出方法和分析结果可为建筑结构声振特性的分析和设计提供参考。

关键词：声模态声固耦合模态综合固定界面模态分支模态

基于非线性模态的复杂系统动力学特性分析方法

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北京航空航天大学学报 2019年第7期45卷 1337-1348页

作者：黄行蓉刘久周李琳北京航空航天大学中法工程师学院北京100083 中国运载火箭技术研究院北京100076 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100083

针对非线性问题计算方法复杂和计算时间冗长一直是动力学领域的难点问题,给出了一套简单、准确、高效的非线性模态分析方法,对于常见的非线性系统(如杜芬系统、干摩擦系统和非线性材料等)均适用,具有一般性。首先,给出所提方法的基本理... 详细信息

针对非线性问题计算方法复杂和计算时间冗长一直是动力学领域的难点问题,给出了一套简单、准确、高效的非线性模态分析方法,对于常见的非线性系统(如杜芬系统、干摩擦系统和非线性材料等)均适用,具有一般性。首先,给出所提方法的基本理论与分析流程;然后,以杜芬系统为例阐述了其在非线性实模态域的应用,以干摩擦系统为例描述了其在非线性复模态域的应用,以压电系统为例展示了其在多场耦合域的应用;最后,给出了基于该理论对大型复杂非线性系统求解时的减缩方法。所提方法的核心在于建立非线性模态参数关于模态幅值的变化规律,不仅将系统的稳态响应求解问题简化为一维代数问题,极大地简化了数值计算过程,而且有助于分析、理解系统的非线性动力学行为。将所提方法与模态综合法结合,可用于高效求解大型复杂非线性系统动力学特性。

关键词：非线性模态分析模态综合杜芬干摩擦非线性材料减缩模型

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转子弹性支承螺栓松动致干摩擦故障分析

航空动力学报 2023年第7期38卷 1723-1733页

作者：黄行蓉杨东来肖凯文姚毅北京航空航天大学中法工程师学院北京100191

根据工程实际中某核心机转子振动异常现象和试验件结构检测结果,建立了前支点鼠笼弹支松动的故障转子简化力学模型。基于转子动力学理论和试验信号中谐波特征,建立了前支点鼠笼支承结构由于螺栓连接松动致干摩擦简化模型,重点分析了干... 详细信息

根据工程实际中某核心机转子振动异常现象和试验件结构检测结果,建立了前支点鼠笼弹支松动的故障转子简化力学模型。基于转子动力学理论和试验信号中谐波特征,建立了前支点鼠笼支承结构由于螺栓连接松动致干摩擦简化模型,重点分析了干摩擦非线性对转子系统的轴心轨迹、弹支位移和支点反力等动力学响应特征的影响,从简入繁分析了如下3种转子的动力学特性:无故障的线性转子系统;考虑螺栓松动致非线性力、不考虑陀螺效应的非线性系统;考虑螺栓松动致非线性力和陀螺效应的非线性转子系统。研究发现:在转子系统中考虑干摩擦非线性力后,系统响应特征中会出现丰富的谐波成分;螺栓松动故障转子系统简化力学建模时,是否考虑陀螺效应对谐波特征也有较为明显的影响。该研究能为该类故障转子系统的监测和诊断提供参考。

关键词：转子系统弹性支承螺栓松动干摩擦非线性动力学

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旋量理论及其在理论力学中的应用

力学与实践 2022年第6期44卷 1422-1429页

作者：黄行蓉马纪明北京航空航天大学中法工程师学院北京100191 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭) 杭州310023

旋量理论是为力学量身定制的数学工具,因其力学描述统一性,数学描述一般性和计算“求解过程”程式化,在对“多刚体”动力学问题“建模、分析和求解”时具有独特的优势:一方面借助螺旋量将刚体的平移和转动描述进行统一;另一方面从数学... 详细信息

旋量理论是为力学量身定制的数学工具,因其力学描述统一性,数学描述一般性和计算“求解过程”程式化,在对“多刚体”动力学问题“建模、分析和求解”时具有独特的优势:一方面借助螺旋量将刚体的平移和转动描述进行统一;另一方面从数学上进行严谨论述的同时引出对应的物理概念,使得数学性质和物理意义能得到相互映照。本文简要阐述了旋量理论目前在国内外力学教学中的研究现状;介绍了旋量的数学定义及其满足的数学运算性质;梳理了理论力学中的四种基本螺旋量,并给出了矢量静力学和动力学“基本定理”的旋量描述。希望通过本文的研究能为我国理论力学教学提供启示。

关键词：旋量理论理论力学数学工具