飞行器结构动力学概论PPT课件

1、第第1 1章章 概概 论论 1.4 1.4 振动的类型振动的类型 1.5 1.5 振动的表示方法振动的表示方法 1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱 第1章 概 论 1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 1.2 1.2 动力问题的基本特性动力问题的基本特性1.3 1.3 基本研究方法与分析模型基本研究方法与分析模型第1页/共29页第第1 1章章 概概 论论 1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 第2页/共29页就是研究这种具体系统的振动特性和响应的分析方法与特点，以保证飞行就是研究这种具体系统的振动特性和响应的分析方法与特

2、点，以保证飞行器结构安全可靠、性能适当和具有足够的使用寿命。器结构安全可靠、性能适当和具有足够的使用寿命。1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 结构动力学问题主要有以下几个方面结构动力学问题主要有以下几个方面：目的目的：l 外激励的分析与确定外激励的分析与确定主要激励源有发动机推力、射流噪声、附面层噪声、控制力、阵风、飞行阶段的转主要激励源有发动机推力、射流噪声、附面层噪声、控制力、阵风、飞行阶段的转换换( (点火、发射、分离、熄火、着陆）、爆炸激励以及运输、装卸造成的激励等等。点火、发射、分离、熄火、着陆）、爆炸激励以及运输、装卸造成的激励等等。这些激励有

3、确定性的，也有随机性的。这些激励有确定性的，也有随机性的。第3页/共29页1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 动态响应计算，结构动稳定性分析，结构与飞行器其他系统（例如控制系动态响应计算，结构动稳定性分析，结构与飞行器其他系统（例如控制系统、燃料输送系统等）的耦合干扰分析，都是以结构动态固有特性为基本的原统、燃料输送系统等）的耦合干扰分析，都是以结构动态固有特性为基本的原始数据。固有特性分析的基本内容是，在建立结构动态分析模型的基础上进行始数据。固有特性分析的基本内容是，在建立结构动态分析模型的基础上进行结构固有频率及其相应振型的计算。此项工作的分析精度在

4、一定程度上影响着结构固有频率及其相应振型的计算。此项工作的分析精度在一定程度上影响着许多设计环节的有效性。许多设计环节的有效性。l 结构振动固有特性分析结构振动固有特性分析第4页/共29页1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 在飞行器设计过程中，这项工作是反复进行的。其主要内容是确定结构在外激励下在飞行器设计过程中，这项工作是反复进行的。其主要内容是确定结构在外激励下产生的输出。激励和输出可以是力、位移或加速度。掌握这些参量在飞行器工作过程中产生的输出。激励和输出可以是力、位移或加速度。掌握这些参量在飞行器工作过程中随时间变化的规律，是对结构进行动强度、刚度

5、及舱内设备空间余量设计的必要条件，随时间变化的规律，是对结构进行动强度、刚度及舱内设备空间余量设计的必要条件，并在很大程度上影响着舱内敏感元件固定方式与合理位置的确定等。因此，本课题在飞并在很大程度上影响着舱内敏感元件固定方式与合理位置的确定等。因此，本课题在飞行器结构动力学中是研究得最活跃的领域之一。行器结构动力学中是研究得最活跃的领域之一。l 结构动态晌应计算结构动态晌应计算第5页/共29页1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 当飞行器在飞行中受到外激励的作用产生振动时，随着弹性变形的不断变化，当飞行器在飞行中受到外激励的作用产生振动时，随着弹性变形的不

6、断变化，必然会引起附加的空气动力。在空气动力、变形所引起的弹性恢复力和振动所伴必然会引起附加的空气动力。在空气动力、变形所引起的弹性恢复力和振动所伴随的惯性力的联合作用下，当飞行速度达到某一特定值时，会出现空气动力面振随的惯性力的联合作用下，当飞行速度达到某一特定值时，会出现空气动力面振幅迅速扩大而在几秒钟内导致破坏的危险现象。我们把这种自激振动称为颤振。幅迅速扩大而在几秒钟内导致破坏的危险现象。我们把这种自激振动称为颤振。l 气动弹性分析气动弹性分析第6页/共29页1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 飞行器结构与其他系统的动力学飞行器结构与其他系统的动力

7、学耦合问题（如飞行器结构与推进系统耦合问题（如飞行器结构与推进系统耦合产生的耦合产生的 POGO POGO 问题）；保证飞行问题）；保证飞行器乘员舒适性的问题；液体燃料火箭器乘员舒适性的问题；液体燃料火箭的燃油晃动问题等。的燃油晃动问题等。l 其他问题其他问题第7页/共29页1.1 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务飞行器结构动力学的目的与任务 l 分为以下四方面的基本课题：分为以下四方面的基本课题：1 1振动设计问题。已知输入，要求设计出系统的振动特性，使得它的动振动设计问题。已知输入，要求设计出系统的振动特性，使得它的动态响应满足设计要求。态响应满足设计要求。2 2动环境预测问题。已知系

8、统的动态特性和输出，研究其输入特性。动环境预测问题。已知系统的动态特性和输出，研究其输入特性。3 3系统识别问题。通过已知的输入与输出来识别系统本身的动态特性与系统识别问题。通过已知的输入与输出来识别系统本身的动态特性与物理参量。物理参量。 4 4已知系统特性和输入，求系统的输出，称为动力响应分析已知系统特性和输入，求系统的输出，称为动力响应分析 。第8页/共29页1.2 1.2 动力学问题的基本特性动力学问题的基本特性第第1 1章章 概概 论论 第9页/共29页1.2 1.2 动力学问题的基本特性动力学问题的基本特性1. 1. 动力问题都包含时间变量动力问题都包含时间变量2. 2. 惯性力的

9、存在惯性力的存在l 主要表现在两个方面：主要表现在两个方面：第10页/共29页1.3 1.3 基本研究方法与分析模型基本研究方法与分析模型第第1 1章章 概概 论论 第11页/共29页1.3 1.3 基本研究方法与分析模型基本研究方法与分析模型最基本的分析模型有两大类：最基本的分析模型有两大类：l连续系统模型连续系统模型l离散系统模型离散系统模型第12页/共29页第第1 1章章 概概 论论 1.4 1.4 振动的类型振动的类型 第13页/共29页1.1.4 4 振动的类型振动的类型 振动过程是指振动位移、速度、加速度、力和应变等机械量随时间的变化历程。振动过程是指振动位移、速度、加速度、力和应

10、变等机械量随时间的变化历程。对振动过程，按不同的标准有多种分类方法对振动过程，按不同的标准有多种分类方法。a.第14页/共29页1.1.4 4 振动的类型振动的类型第15页/共29页1.1.4 4 振动的类型振动的类型图1.1第16页/共29页第第1 1章章 概概 论论 1.5 1.5 振动的表示方法振动的表示方法 第17页/共29页)tsin(Ax振动方程振动方程周期与频率周期与频率fT21Tf21周期周期频率频率 复矢量表示简谐振动复矢量表示简谐振动jAejAAzsincos 当某一机械量当某一机械量 x随时间随时间t按正弦或余弦规律变化时，称之为按正弦或余弦规律变化时，称之为简谐振动简谐

11、振动过程。过程。 1.5 1.5 振动的表示方法振动的表示方法 （1-1） （1-2）第18页/共29页旋转复矢量与简谐振动的关系旋转复矢量与简谐振动的关系()cos()sin()jtj tzAtjAtAeAe1.5 1.5 振动的表示方法振动的表示方法 （1-3）()j tj tzAeAe（1-4）称旋转复矢量称旋转复矢量 为复振动。进而可以写成以下形式为复振动。进而可以写成以下形式 )(tjAe第19页/共29页 用复振动表示简谐过程，使许多振动问题的分析或运算得到简化，如用复振动表示用复振动表示简谐过程，使许多振动问题的分析或运算得到简化，如用复振动表示的简谐振动的位移的简谐振动的位移

12、、速度、速度 及加速度及加速度 之间的关系为之间的关系为jtx(t)Xe2jtjtjdxv(t)jXeVedtVjXXe)(tx)(tv)(ta222jtjtjdva(t) XeAedtAjV X Xe 上述三式表明，复振动的速度上述三式表明，复振动的速度v(t)比位移比位移x(t)在相位上超前在相位上超前 ；加速度；加速度a(t)又比速度又比速度v(t) 超前超前 .221.5 1.5 振动的表示方法振动的表示方法 （1-7）（1-6）（1-5）第20页/共29页第第1 1章章 概概 论论 1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱 第21页/共29页1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱0111(

13、 )(cossin)nnnx taantbnt其中其中2021TTaxdtT2122cosTTnaxntdtT 在数学上，周期函数可展为傅里叶三角级数，设在数学上，周期函数可展为傅里叶三角级数，设x(t)=x(t+kT), k为整数，并为整数，并令令 , 则有则有T/21（1-8）第22页/共29页2122sinTTnbxntdtT(1, 2, 3, .)n 其中011( )sin()nnnx tccnt.), 3, 2, 1(2200nabarctgbacacnnnnnn也可写成也可写成其中其中1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱（1-9）（1-10） （1-11）第23页/共29页 可见，

14、一个周期振动过程可视为频率顺次为可见，一个周期振动过程可视为频率顺次为基频基频1 及其整数及其整数倍的若干或无数倍的若干或无数简谐振动分量简谐振动分量的的合成振动过程合成振动过程。 以以f（或（或 ）为横坐标，）为横坐标， cn和和n为纵坐标，得到的为纵坐标，得到的 cnf 和和 n f 图分别称为图分别称为幅值谱幅值谱和和相位谱相位谱，统称为，统称为傅里叶频谱傅里叶频谱。 这些分量依据这些分量依据n =1，2，3, 分别称为分别称为基频分量基频分量、二倍频分二倍频分量量、三倍频分量三倍频分量等。基频分量有时称为等。基频分量有时称为基波基波，n倍频分量则称倍频分量则称为为n次谐波次谐波。 周期

15、函数的的周期函数的的频谱频谱总是由若干沿总是由若干沿f轴轴离散分布的普线离散分布的普线组成，普组成，普线长度分别代表频率分量的幅值和初相位。线长度分别代表频率分量的幅值和初相位。1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱 正如简谐振动可以用复振动表示，周期振动也可采用复指正如简谐振动可以用复振动表示，周期振动也可采用复指数形式的傅里叶级数。数形式的傅里叶级数。 第24页/共29页根据欧拉公式可知根据欧拉公式可知 将其代入（将其代入（1-8）式，得）式，得)(21)(21)(1110tjnnntjnnnnejbaejbaatx 令令)(21)(2100nnnnnnnjbaXXjbaXaX（1-12）（

16、1-13）傅里叶级数的复指数形式傅里叶级数的复指数形式1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱111111cos()2sin()2jntjntnnjntjntnnaanteeabnteej第25页/共29页 则（则（1-12）可写为）可写为 111()01( )jntjntnnnjntnnx tXX eXeX edtetxTXTTtjnn221)(1（1-14）（1-15） （1-14）和（）和（1-15）即为傅里叶级数的复指数形式。）即为傅里叶级数的复指数形式。1.6 1.6 振动的频谱振动的频谱第26页/共29页( )( )21( )2j tj tj tj tdx tx t edt ex t edt