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  • 范雨

    的个人主页 http://shi.buaa.edu.cn/drfanyu/zh_CN/index.htm

  •   博士生导师   硕士生导师
  • 主要任职:副教授
  • 其他任职:航空推进系支部书记
研究概述 当前位置: 智能结构动力学与设计实验室 >> 研究概述

压电材料是指一类具有压电效应的材料或复合材料。当这些材料发生弹性变形时,在其表面上会成比例地积累电荷;如果在这些材料的表面上施加电荷,也可以反过来成比例地导致弹性变形。通过在结构上铺设压电材料并外接电路,构成压电结构,可以将机械场上难以(用较小的体积或附加质量)实现的力学性质通过电场较容易地实现,因而在航空航天等对空间和附加质量有严格限制的工程领域有较好的应用潜力。本人及合作者将压电结构与弹性波传导理论、干摩擦减振理论、流固耦合理论相结合,完善了多场耦合动力学的理论框架,提出了多种新型的减振、降噪、提升稳定性和结构健康监测方法,论证了其用于包括薄壁柱壳、叶盘结构和法兰连接等航空发动机典型结构在内的复杂工程结构的可行性。主要取得了如下具体学术成果:


1,建立了压电结构机电耦合动力学特性分析及性能评估理论,包括中高频振动、非线性模态、弹性波传导三个相容的层次。①建立了可高效分析结构中-高频动力学特性的“有限元-波有限元”混合方法:将波传导理论引入到对复杂结构系统的分析中;发展了多种波空间和模态空间的减缩方法;提出了几种数值稳定性更好、计算效率更高的特征值格式。最终将计算规模减小到传统波有限元方法的1%;计算效率比主流商用有限元软件高至少75%以上。②建立了“波机电耦合系数”及相关理论:证明了其于现有“模态机电耦合系数”的相容性;证明了其对弹性波的最佳能量衰减效应的决定性作用;建立适用于任意复杂结构的高效数值计算方法;为根据波动特性优化压电片的几何参数奠定了理论基础。③建立了“非线性模态机电耦合系数”及相关理论:证明了其对非线性压电结构所能达到的最大阻尼效果有决定性作用,从而奠定了为非线性结构设计压电阻尼的理论基础;基于非线性复模态理论、高阶谐波平衡法和解析的雅克比矩阵建立了高效的计算方法。上述成果已经形成了近8万行Python和MATLAB代码,形成了一套可分析复杂压电结构多场耦合动力学特性的计算软件。以此为基础的项目建议书于2019年获欧盟玛丽居里基金“卓越奖”。


2,阐明了用压电结构实现低频-超宽弹性波禁带并对结构进行振动抑制的原理。①阐明了禁带和阻尼两种弹性波衰减机理在振动抑制中的不同作用,提出用负电容扩展布拉格禁带,并用边界阻尼耗散局部化振动能量的减振思路:对压电材料的几何优化后,只增加20%质量就可建立宽度超过1000Hz并覆盖三阶模态的禁带,结合边界上少量的电阻电路,对悬臂梁的振动进行了有效的抑制。②阐明了压电结构中引入网络电路后弹性波与电磁波相互作用在频散关系上的三种体现方式(交叉、转向、锁定);并通过触发波模态的“锁定”在低频段成功地构造了耦合禁带。这种新的禁带比局域共振禁带更宽、比布拉格禁带衰减系数更强,可显著降低振动和噪声的传导。成果获ASME“动力学与控制”板块2019年度最佳会议论文奖。


3,针对航空发动机的应用特点,提出和发展了多种新型振动抑制技术,包括压电网络、被动压电-干摩擦复合阻尼器、半主动干摩擦阻尼器三类。①针对压气机叶盘结构的振动抑制问题,提出了同时具备能量耗散与能量平衡作用的压电网络技术,从理论和实验上证明了它可以有效地抑制叶盘结构振动局部化。建立了压电材料在叶片上的拓扑优化方法,只需使用相当于叶片质量5%的压电材料,即可在多个节径型模态上实现约4.6%的阻尼比,是实验测得的压气机叶片自身模态阻尼比的2-3倍。若在网络中恰当地引入开关分支电路,则可以在相同的附加质量下获得比目前工程中采用的干摩擦阻尼更好的减振性能。②针对叶盘结构和机匣等常用的干摩擦阻尼器,突破常规的常正压力设计,结合参数敏感性分析设计了新型半主动干摩擦阻尼器,揭示了可变正压力对阻尼的增强作用机理。从理论、数值和实验三方面证实了正压力中的二倍频分量对减振效果的显著影响,使开环控制成为可能。利用压电作动器实现了这种半主动干摩擦阻尼器,实验验证其阻尼效果提升约25%左右。③提出了被动压电-干摩擦复合阻尼器,利用压电分支电路的耗能机理对干摩擦元件的弹性势能进行进一步的耗散。分别以波纹形摩擦片和阻尼环为载体,阐明了其结构设计准则、压电材料布置规律并通过了实验验证。结果表明该新型阻尼器可以额外提供一倍左右的阻尼比,将干摩擦阻尼器的工作激振力范围扩展6~10倍。目前形成了多种高性能外接电路及多个机理试验台,获得多项发明专利授权。


实验室简介及已毕业博士海报:

▇ 智能结构动力学与设计实验室简介-总体介绍,下载链接

▇ 智能结构动力学与设计实验室简介-压电结构,下载链接

▇ 智能结构动力学与设计实验室简介-干摩擦阻尼,下载链接

▇ 邓鹏程,2016届博士研究生,指导教师:李琳教授,压电网络用于叶盘结构减振抑振的研究,下载链接

▇ 薛铮,2017届博士研究生,指导教师:李琳教授,功能复合材料驱动理论及其在智能舵面中的应用下载链接

▇ 刘久周,2018届博士研究生,指导教师:李琳教授,具有压电阻尼的叶盘结构动力学研究特性研究下载链接

▇ 吴亚光,2020届博士研究生,指导教师:李琳教授,干摩擦-压电复合阻尼结构分析理论与实验研究下载链接

▇ 姜周,2021届博士研究生,指导教师:李琳教授,压电周期结构内耦合禁带研究,下载链接

▇ 刘鑫,2022届博士研究生,指导教师:李琳教授、范雨副教授,基于压电材料提升叶盘气弹稳定性的研究,下载链接


科研项目(在研):

 某重点预研项目,***能量管理***振动抑制,主持

 中国重燃,先进重型燃机透平叶片非线性动力学分析技术研究,主持

 北航青年拔尖人才支持计划,压电结构的多场耦合动力学原理及应用,主持

航空科学基金(民发专项),用于航空发动机风扇叶片减振的压电分支阻尼设计及实现方法,主持

航空动力装备振动及控制实验室,基于波模态转换的多螺栓连接结构健康监测,主持

▇ 先进航空动力创新工作站,基于弹性波智能调控与感知的壳体连接结构健康监测技术,主持

先进航空动力创新工作站,可控变形超高压比智能风扇设计技术,参与(负责人:潘天宇 副教授)

▇ 先进航空动力创新工作站,智能支承-转子系统设计理论与实现技术,参与(负责人:张大义 副教授)

 中国航发商发,S7323缘板阻尼接触刚度测量试验,参与(负责人:吴亚光 博士后)

 航天三院三十一所,发动机振动环境适应性提升技术研究,参与(负责人:张大义 副教授)

 某重点预研项目,*****可控刚度转子-支承系统*****,专题负责人(负责人:张大义 副教授)

▇ 国家自然科学基金(重大研究计划),高推重比涡扇发动机故障演化机理、多源信息融合与诊断,参与(负责人:林京 教授)

▇ 两机专项,***主控式弹支摩擦阻尼器****,专题负责人(项目负责人:祝长生 教授)

▇ 两机专项,***叶片及薄壁结构***减振***,参与(项目负责人:王延荣 教授)

▇ 两机专项,***叶片***阻尼减振,参与(专题负责人:张大义 副教授)


科研项目(已结题):

 航天五院第五〇二研究所,卫星动量轮结构与动力学一体化设计专用程序开发,主持(已结题)

 中国航发商发,转静子耦合振动分析技术,参与(负责人:张大义 副教授,已结题)

国家自然科学基金(青年基金),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,主持(已结题)

航天科学技术基金,高精度连接结构的动力学参数识别方法研究,主持(已结题)

博士后基金(特别资助),基于压电网络技术的整体叶盘结构振动抑制方法研究,主持(已结题)

博士后基金(面上项目),复杂高精度机械连接的健康监测方法研究,主持(已结题)

▇ 中法LIA联合实验室,混合缺陷结构中多模态波传导的WFE/FE混合分析方法,主持(已结题)

▇ 国家自然科学基金(面上项目),压电网络用于提高叶盘结构气弹稳定性的研究,参与(负责人:李琳 教授,已结题)

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