薄板和细梁组合结构的模态耦合及非线性动力响应试验验证

　　板-梁结构是指产品主体采用板和梁的组合结构形式,很多工程上的实际结构都可以简化为只有板和梁的构型,因此,板-梁结构是工程中常见的一种结 构形式,也是力学和有限元专业研究较多的领域。对于航天产品,为了减重经常采用薄板-细梁组合结构,正弦载荷下的动力学试验是必须的力学验证项目之一。但 是,在实际工程中发现,薄板-细梁组合结构有时存在模态耦合和非线性动力响应现象。模态耦合是指振动试验过程中的交叉响应,即在其中第一个方向输入振动激 励时,不但在该方向有较大的响应,在其正交的第二个方向也存在较大的响应;反之,在第二个方向输入振动激励时,在与其正交的第一个方向存在较大的响应,这 一方面不符合航天力学试验规范,另一方面,当交叉响应太大时,对产品存在过试验的问题。模态耦合往往是由于加工和装配误差产生的结构非对称性造成的,由于 板梁本身的结构特点,引起严重的模态耦合响应,但在理想化对称的有限元模型中算不出来。非线性动力响应是指响应/激励比不符合线性关系,其产生原因很多, 其中薄板和细梁组合结构能够产生因大变形引起的几何非线性。这两种现象都很难在现有商业软件系统中模拟,导致在实际工程应用中经常出现动力响应计算结果和 试验结果差别太大的问题。为此,结合工程商用软件,研究模态耦合和非线性动力响应,从而指导工程实践非常重要。

　　国内外学者针对薄板和细梁结构开展了大量研究工作。Walter lacarbonara[1]等人对梁在周期性激励下的振动特性进行了理论分析,并通过试验的方法验证了非线性振动中的跳跃和多值现象。 JosephJ.Hollkamp[2, 3]等人通过试验的方法研究了薄板在随机振动激励下的非线性响应情况,得出结论,当输入量级较小时,响应呈明显的线性关系,随着输入量级的增加,响应呈现 明显的非线性,而且,实际响应测试结果比采用线性理论计算的结果偏小。周海兵[4]在理论分析的基础上,研究了索-梁组合结构的非线性动力学,发现了索- 量模态耦合的现象,并进行了试验研究。

　　笔者采用将力学建模仿真结果和试验结果对比分析的方法,以薄板和细梁组合结构为对象,针对正弦载荷激励下薄板-细梁组合结构的模态耦合和非线性 动力响应进行分析和试验验证,研究模态耦合和非线性动力响应的影响程度,最后提出一种适用于工程的薄板和细梁组合结构正弦响应仿真方法建议。

　　1　模型组成

　　研究模型见图1(a)所示,由振动工装、试验薄板、支撑柱、圆梁4部分组成。试验薄板直径400mm、厚5mm。工装的作用是模拟单机产品在航 天器上的机械接口和力学状态,直径400 mm,厚60 mm,且基频在3000Hz以上。圆梁直径15mm,高125mm。支撑柱共4个,每个直径8mm,高5 mm,均布在振动工装平面内,并将试验薄板和振动工装固接。