大型机电装备复杂特性的相似模拟研究

基于现有相似理论的模型试验由于无法处理大型机电装备的多层次系统相似、高度病态特征下的功能相似及尺寸效应下的非线性相似等复杂特性相似问题，使得模型试验的模拟精度低，无法满足由于大型机电装备结构复杂、功能丰富、服役环境极端化所带来的高精度设计与研究要求。本项目以大型机电装备复杂特征的相似模拟为基本着眼点，通过系统结构相似和功能相似的数理分析，提出大型机电装备系统层面上的相似准则或定理；在此基础上，研究大型机电装备的病态程度与结构相似、功能相似的关系，提出高病态原型的低病态模型模拟方法；研究尺寸效应下原型-模型本构方程不同时的相似问题，以功能相似为前提，建立原型和模型本构方程的一般映射关系及非线性相似准则。通过以上研究，进一步发展相似理论的理论内涵，以更加有效地指导我国大型机电装备的设计和研究。

基于现有相似理论的模型试验由于无法处理大型机电装备的多层次系统相似、高度病态特征下的功能相似及尺寸效应下的非线性相似等复杂特性相似问题，使得模型试验的模拟精度低，无法满足由于大型机电装备结构复杂、功能丰富、服役环境极端化所带来的高精度设计与研究要求。本项目以大型机电装备复杂特征的相似模拟为基本着眼点，分别从大型机电装备复杂结构系统相似的数理表达、大型机电装备病态特征下的相似、大型机电装备的变态相似、大型机电装备尺寸效应下的相似进行了研究。.1.针对大型机电装备复杂结构系统相似的数理表达研究，根据复杂系统的整体性、关联性、层次性等特点，首次提出了由模型系统与原型系统的功能相似准则与结构相似准则结合成的矩阵相似准则，可以补充经典相似三定理的不足，作为新的相似准则来指导系统设计，即：只要原型系统π矩阵与模型系统π矩阵相等则两系统相似，并通过该矩阵相似准则来描述并指导建立试验模型，该准则可以作为相似第四准则（复杂系统相似准则）。.2.针对大型机电装备病态特征下的相似研究，提出了一种基于数学模型降阶的复杂病态系统相似模拟方法，对于引起系统病态的元件，若对系统特性影响程度小，则在建立系统的缩尺模型时，运用模型降阶的方法降低系统病态，获得与原型功能相似的低病态模型；对于数学模型降阶在模型试验中的不足，提出了基于元件活跃性的物理模型降阶方法，应用键合图法对复杂系统元件活跃性进行了分析，结合相似理论提出了基于元件活跃性的复杂系统动力学相似模型建立方法，并将基于元件活跃性的模型建立方法应用于叶片-轮盘-转子系统的相似模拟研究中。.3.针对大型机电装备的变态相似研究，分别基于量纲分析法研究了转子系统正态模型相似准则和基于方程分析法研究了转子系统变态模型相似准则，实现了利用相似模型预测原型转子系统动力特性；提出了一种基于优化算法的转子系统模型设计方法，并通过模态试验验证了所建立的转子系统动力模型与原型动力学相似关系的正确性。.4.针对大型机电装备尺寸效应下的相似研究，对不同尺寸的模型与原型间的尺寸效应进行量化表达，建立了统一的尺寸效应度量指标，能够精确表示模型受到的尺寸效应程度；提出了尺寸效应敏感性和尺寸效应的区间，可以对模型受到的尺寸效应程度进行预测，并可以通过尺寸效应程度值对模型进行补偿，减小模型与原型装备间的特性差异。