范雨 (副教授)

副教授 硕士生导师

性别:男

出生年月:1987-03-25

毕业院校:里昂中央理工大学

学历:博士研究生毕业

学位:博士学位

在职信息:在职

所在单位:能源与动力工程学院,航空推进系

入职时间:2016-11-01

职务:Associate Professor

学科:航空宇航科学与技术

办公地点:(沙河校区)国实F929

Email:

曾获荣誉:

2017    “卓越百人”博士后计划

2019    Marie Sklodowska Curie European Fellows - Seal of Excellence

2019    ASME Adaptive Systems Dynamics and Controls 2019 Best TC Conference Paper Award

研究团队:智能结构与动力学实验室(负责人:李琳教授)


研究领域(一):周期压电结构的波机电耦合原理及其在振动抑制中的应用

经费来源:国家自然科学基金项目(11702011)

研究周期:三年(2018/01 - 2020/12)

简介:通过压电材料及外接电路构造周期压电结构,可以方便地调整弹性波的传播特性,为中高频振动抑制提供了一种新思路。本项目拟建立一种定量的特征参数——波机电耦合系数,揭示周期压电结构与弹性波之间的耦合机理。首先,提出一种具有普适性的能量公式,用于定义波机电耦合系数;并证明其与模态机电耦合系数的相容性,进一步完善机电耦合动力学理论体系。其次,发展适用于任意一维/二维周期压电结构的减缩波有限元方法,解决采用能量公式计算波机电耦合系数时计算效率低下的弊病。摸清模态截断误差和矩阵病态误差对数值计算的影响。接着,以波机电耦合系数为中间变量,提出一种几何优化与电路优化解耦的设计方法,用有限的压电材料达到尽可能好的中高频振动抑制效果。在研究中考虑典型压电材料及一维/二维工程结构,最终通过实验验证优化设计的减振/隔振效果。相关成果有望应用于航空航天等对附加质量及减振性能有较高要求的工程领域。

机械结构在不同频段的响应特性及适用控制原理


改进的固定界面模态减缩技术用于波有限元方法,以快速分析压电结构的波动特性,

左:波数的实部、虚部和波机电耦合系数(能量公式、未验证相容性、未验证计算精度)随频率的变化规律;

右:各种波模态(波形)的图形展示。


基于压电声子晶体实现的宽度达1000HZ的弹性波禁带,达成了较好的振动抑制效果



研究领域(二):基于弹性波散射特性的结构健康监测和参数识别方法

经费来源:博士后科学基金面上项目(2017M610741)、航天科学基金项目(1701XXX)、LIA中法实验室开放项目(YWF17ZFF04)

研究周期:两年(2017/01 - 2018/12)

简介:航天工业中存在大量复杂且精度要求很高的机械连接,它们的动力学参数(如连接刚度、阻尼等)直接影响整体结构系统的动力学特性,然而在设计阶段却难以直接根据理论计算得出。主要原因是影响连接状态的诸多因素如装配和加工公差、接触面的状况等难以直接用理论或数值方法精确刻画。本项目针对此问题,结合先进智能材料科学技术的发展,研究一种基于机电耦合波动理论和高灵敏度参数识别的连接结构动力学参数的确定方法。主要出发点是:通过压电纤维复合材料设计换能器,有选择性地激发和感应特定的弹性波,并根据其散射特性识别等效动力学参数。所研究的理论核心问题是高阶弹性波/连接结构的相互作用及由此产生的波模态转换机理;解决的关键技术问题是只激发与特定参数敏感度较高的波模态的压电纤维复合材料换能器的设计。该方法着眼于连接结构的局部特性,不涉及整体结构的动力学参数及特性,因此具有相对的独立性和普适性,且高阶弹性波及智能材料的引入决定了该方法的高精度特性。通过该项目的研究有望为航天器中的法兰、销钉、套齿、铆接、嵌键等标准和非标准高精度连接结构分析模型中关键参数的确定提供一种可行的方法。


研究领域(三):叶轮机械叶盘结构流致振动的抑制方法

经费来源:博士后科学基金特别资助项目(2018T110032),国家自然科学基金项目(51675022,负责人李琳教)

研究周期:四年(2017/01 - 2021/12)

简介:叶盘结构是航空发动机做功的核心部件,所示。随着发动机推重比的不断增高,人们希望采用更轻、薄的叶盘结构来承受更大的载荷。这使得叶盘结构的振动问题更为突出,由失谐产生的振动局部化和响应放大也更为严重。失谐是指由加工误差和材料不均匀导致的,叶盘各扇区结构的差异。扇区间的差异虽然不大,但是会导致振动集中在少数的几个扇区上,从而使这些叶片过早地出现高周疲劳,降低使用寿命和可靠性。理论上,增大叶盘结构的阻尼是有助于减轻上述问题的,但传统的被动减振方法的局限性也愈趋显现。例如随着整体叶盘技术的应用,叶盘和轮盘之间不再有连接界面,这限制了干摩擦阻尼器的使用。而效果好、精度高的主动振动控制方法由于必不可少的一套控制系统,短期内在应用上、特别是在航空发动机结构减振抑振的应用上仍受到限制。上个世纪90年代以来基于压电材料(Piezoelectric Materials)的振动控制技术成为了一个非常活跃的研究领域,为解决结构系统的振动问题开辟了新的路径。其机理在于:压电材料可以将结构中的弹性变形能(机械能)转换为电能。如果在压电材料上布置电极,并外接含有电阻(或类似的非保守电路元件)的电路,将转换而来的机械能量耗散掉,就相当于向所连接的结构施加了额外的阻尼。这将有利于降低结构的振动响应,提高其可靠性。我们注意到,失谐叶盘结构的振动局部化机理是:振动能量无法通过机械场均匀地分配到各个扇区。因此,除了增加各扇区的阻尼,使局部化的振动能量得以耗散;还可以构建新的能量传递途径,使得局部化的能量可以重新分配到其余扇区。前者对应于文献中广泛研究的“压电分支阻尼”技术,后者即是课题组提出并深入研究的“压电网络”技术。考虑到飞行器对发动机结构的特殊要求(轻质、高可靠型等),目前我们仅通过被动电路元件构建压电网络。我们的前期工作论证了压电网络技术的机理及其对协调叶盘结构的减振效果。

目前,我们分别从理论和实验两方面展示了压电网络技术对于失谐叶盘结构的振动抑制效果和设计方法。我们提出,在叶盘结构的恰当位置周期性的布置压电片,并用一个电路网络将这些压电片连接起来,构成的机电耦合系统,定义为“压电网络”。如果这些压电片的数量和叶片/扇区数相同,则称为单周期压电网络;如果每隔一定的扇区布置一个压电片,则称为双周期压电网络。通过数值计算,我们发现:1)通过在电路中加入电阻,协调叶盘的振动响应得到了显著的降低(约15%);如果进一步引入电感,振动响应峰值将最多可降低80%以上,但其实现难度也上升了。2)通过设计电路,可以达到对多阶次激励的宽频域振动抑制。3)如果叶盘失谐,压电网络也可以显著降低响应放大和振动局部化(响应放大因子降低60%以上)。4)通过使用双周期压电网络,可以在大规模减少压电材料用量的同时(减少75%),保持可观的振动抑制效果(响应放大因子降低40%)。通过实验研究,我们揭示了:1)课题组提出的压电网络技术比传统的压电分支技术更能抑制叶片的振动局部化;2)在仅使用电阻的情况下,减少75%的压电材料仍然能够达到可观的振动抑制效果(20%)。


后续工作:研究基于三维实体叶盘模型研究压电网络设计方法。建立高效的流-机-电耦合动力学模型,完整地给出压电材料的布置位置、用量和电路参数的取值。




近5年毕业博士生工作简介:


王培屹博士




邓鹏程博士



薛铮博士



刘久周博士