自传感介电弹性体执行器的动力学设计及应用

本文提出了一种传感与作动一体化的介电弹性体（DE）软执行器,可用于薄膜结构形面变形的同步测量和控制.首先,建立DE软执行器电致驱动过程的动力学模型,描述其力电耦合行为.其次,通过开展动态作动实验,辨识该动力学模型的参数.第三,分析不同参数对作动器动态响应的影响,以理解其基本动力学特性.第四,建立DE软执行器自传感过程的简化电路模型,并对其电学参数与位移之间的关系进行实验标定.最后,开展平面薄膜结构的形面位移自适应调整实验,并设计相应的控制策略.实验结果表明,该DE软执行器在作动和传感方面均具有较高精度.因此,其在构建高精度空间薄膜天线方面具有较好的应用前景.     

车辆系统的非线性行驶动力学响应

深入研究车辆在粗糙路面行驶而激励引起的非线性振动响应,对揭示复杂动态响应机理和提升动力学性能具有重要的理论意义与工程价值.首先,本文利用运动非线性机制,建立质心垂向平移和绕质心俯仰的两自由度车辆系统的力学模型,利用拉格朗日方程导出系统的非线性运动微分方程,分析自由振动系统的非线性回复力、势能曲线特性及平衡点稳定性.其次,针对自由振动系统,分析线性近似系统的频率比随参数的变化规律,又利用谐波平衡法分析非线性近似系统的幅频曲线特性.最后,针对强迫振动系统,利用数值方法得到系统的阻尼、路面波长及波幅对幅频响应曲线的影响规律.结果表明,新型车辆模型具有复杂非线性动力学特性,为行驶车辆系统提供参数设计和揭示振动机理提供理论参考.     

不对中联轴器 柔性转子系统非线性动力学行为

主要研究了在滑动轴承支承下转子间具有平行不对中故障的柔性联转子系统非线性动力学行为.首先,在考虑到联轴器的连接刚度后,基于两转子间运动的几何关系和位移约束条件推导了在非线性油膜力作用下平行不对中转子系统的动力学模型,理论分析表明该系统是一个含有时变系数和强非线性特征的11自由度非自治系统.然后采用数值方法重点分析了系统的非线性振动特性,例如,系统的轴心轨迹、频谱相应,Poincaré截面等.结果表明:在较低转速时,转子的涡动轨迹在较小的范围内作同步振荡;随着转速的提高,系统出现倍周期分叉现象,以及准周期、混沌运动等复杂的非线性动力学行为.最后讨论了联轴器的连接刚度对系统运动特性的影响.     

锥齿轮传动系统的非线性动力学行为

主要研究了锥齿轮传动转子系统的非线性动力学行为.在滑动轴承或挤压油膜阻尼器中,油膜力是齿轮传动转子系统非线性的一个重要来源,并且与轴承的结构参数、转子的转速和作用力等多个因素有关.首先在刚性转子、齿轮不脱啮等假设条件下,考虑了锥齿轮间的广义位移约束关系,建立在非线性油膜力作用下锥齿轮传动的多转子耦合系统动力学模型.由于油膜力具有强非线性特性,因此采用数值分析方法,结合系统的稳态响应、Poincaré映射和分叉图等多种手段分析系统的动力学行为.通过初步研究得到如下结论:对于不平衡锥齿轮传动的转子系统,在低转速时转子轴心的运动与转速同步;随着转速的增加系统出现2倍周期运动等复杂的分叉现象.这些振动特征可以为这类系统的动力学设计、结构参数优化和运动状态监测等提供必要的理论依据.     

含间隙齿轮碰振系统的全局动力学分析

为研究含间隙齿轮碰振系统的全局及周期运动的稳定性及分岔条件,建立了齿轮副主动轮的单自由度非线性动力学模型.运用非光滑系统Melnikov理论研究齿轮系统异宿轨道全局分岔条件,然后,求得各分段系统的通解,再将每个切换面作为Poincaré截面,运用组合映射的方法分析系统的周期运动特性.最后通过数值模拟,得到不同参数条件下系统的运动状态和分岔特性,验证了Melnikov方法分析齿轮非光滑系统的有效性.     

双稳态屈曲梁压电发电结构非线性动力学分析

建立了磁场力作用下双稳态屈曲梁发电结构非线性动力学方程,利用Galerkin离散和多尺度方法分别分析了一阶离散和二阶离散系统的非线性动力学特性.分析了系统阻尼、外激励幅值和外激励频率对该发电结构振动特性的影响,获得了频率响应曲线;分析了系统在1∶2内共振情况下动力学行为,数值结果表明系统存在倍周期运动和混动运动.     

一类对称约束碰振系统周期运动分析

针对一类具有对称约束的单自由度线性系统,以定相位面为Poincaré截面建立起Poincaré映射,讨论了此类周期运动的稳定性问题.并基于胞映射的思想,引入拉回积分等分析手段,得到了该碰振系统对称双碰周期1的吸引子与吸引域,分析了吸引域随参数的变化规律.最后发现了吸引域的变化和系统分岔图中出现跳跃现象之间的联系.     

介电弹性体圆管的粘弹非线性动力学分析

研究了考虑粘弹性情形介电弹性体（DE）圆管的非线性动力学行为.利用弹簧-粘壶模型和不可压缩材料的neo-Hookean模型,建立了考虑粘弹性的介电弹性体圆管的动力学方程.采用小扰动方法,给出了瞬时固有频率的表达式,分析了特征时间、预拉伸以及圆管的厚度等参数对瞬时固有频率的影响规律.研究了受周期电压作用下的非线性振动特性,结果表明粘弹性会显著降低响应振幅,但不会影响准静态最终固有频率.在没有直流电压时,系统仅产生单一主共振,但当直流电压足够大时,会发生多频共振.     

基于Melnikov 方法的单自由度干摩擦振子的混沌分析

本文考虑了一个含小阻尼、受周期激励的单自由度干摩擦振子,运用Melnikov方法得到了系统出现马蹄型混沌的参数区域.通过数值方法,给出了不同参数下系统的相图和Poincaré截面图,计算了系统的Lyapunov指数.数值结果验证了解析结果,并且表明系统经历周期倍化进入混沌.     

粘弹性传动带的分岔特性和混沌振动分析

研究了粘弹性传动带横向振动的分岔特性和混沌动力学行为．将传动带视为沿轴向运动的抗弯刚度较 小的粘弹性梁模型,同时考虑变形的几何非线性和材料的非线性因素,运用弹性力学方法建立了其横向振动 的偏微分方程,利用 Galerkin 方法得到了时空坐标解耦的二阶非线性动力学方程,重点探讨了带速波动对系统 动态特性的影响．采用数值方法对系统的运动响应进行仿真,分岔图和 Poincaré图表明：随着平均带速和波动 幅值的变化,系统出现周期振动和混沌振动,倍周期分岔是产生混沌振动的途径．     

介电弹性体驱动系统建模及控制方法综述

介电弹性体驱动系统是一种基于介电材料的形变特性来驱动机械系统的新型柔性驱动装置,利用介电弹性体驱动与控制机器人成为当前软体机器人领域的研究热点.鉴于此,围绕介电弹性体驱动系统的核心关键问题,即驱动系统的建模与控制方法进行全面回顾与展望.首先,阐述介电弹性体驱动系统的结构与驱动过程,对介电弹性体驱动原理进行详细介绍;然后,针对介电弹性体驱动系统所展现出的复杂非线性特性,从建模与控制两个方面展开综述,详细分析不同建模方法与控制策略的优势与局限性;最后,探讨介电弹性体建模和控制中存在的问题及未来的研究方向.     

Operation mode detectors for random signal generators

We propose efficient methods of estimating oscillation modes in dynamic systems based on the spectral representation and Poincaré recurrence theorem. We show hardware implementations for operation mode detectors for chaotic oscillations.     

减速带激励下汽车的非线性振动特性分析

研究了在减速带激励下具有磁流变阻尼器悬架系统汽车的非线性动力学行为.汽车采用七自由度模型,磁流变阻尼器采用Sigmoid模型.根据第二类Lagrange方程建立了汽车振动微分方程,并采用四阶Runge-Kutta法进行了数值仿真.首先以减速带高度为参数对汽车运动进行分岔分析,然后通过时间历程图、相位图、Poincaré截面分析了汽车在不同减速带高度时所呈现的不同运动形式,得到了系统发生混沌运动时减速带的高度范围,并分析了系统经拟周期运动通向混沌运动的途径.研究结果为汽车平顺性控制和安全性设计提供了理论指导.     

Design and fabrication of microfluidic mixer from carbonyl iron�CPDMS composite membrane

This paper introduces a carbonyl iron–PDMS (CI–PDMS) composite magnetic elastomer in which carbonyl iron (CI) particles are uniformly distributed in a PDMS matrix. The CI particles and the PDMS were mixed at different weight ratios and tested to determine the influence of CI concentration. The magnetic and mechanical properties of the magnetic elastomers were characterized, respectively, by vibrating-sample magnetometer and by tensile testing using a mechanical analyzer. The elastomer was found to exhibit high magnetization and good mechanical flexibility. The morphology and deformation of the CI–PDMS membrane also were observed. A magnetically actuated microfluidic mixer (that is, a micromixer) integrated with CI–PDMS elastomer membranes was successfully designed and fabricated. The high efficiency and quality of the mixing makes possible the impressive potential applications of this unique CI–PDMS material in microfluidic systems.     

基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制

本文研究了基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制问题.考虑端部参数激励和非线性能量阱(NES)作用下的张力腿力学模型,采用哈密顿变分原理推导出非线性振动控制的运动微分方程,利用伽辽金法进行离散化.通过参数分析和数值仿真计算,得到柔性张力腿的横向位移模态振动响应,同时还对比分析了NES与调谐质量阻尼器的减振性能.结果表明,相同情况下NES具有更为显著的减振效果,并且可以通过调整NES吸振器的参数,达到最优振动控制效果.     

智能材料DE 驱动的两态串并联机器人系统的运动特性

本文利用电活性绝缘弹胶体DE 的机电驱动特点,结合两态驱动的概念,设计了一种包含3 个两态驱 动器件的并联机构,将其作为串—并联离散驱动机器人系统的基本单元,并据此构建多个单元串联组成的多级离散 驱动系统．文中首先利用智能DE 材料制作满足这一驱动特性的圆柱形两态驱动器件,先测试其直线驱动特性,即 变形值．其次,将该变形值作为并联机构数学模型的驱动值,分析单级及多级并联机构的运动状态、特性及工作空 间的特点．最后,利用数学工具Mathematica 描绘出上述两态驱动并联机构系统所能达到的工作空间分布点云图, 分析了结构参数与驱动量对系统工作空间的范围、精度的影响．     

两自由度齿轮传动系统全局动力学研究

齿侧间隙的存在,使齿轮传动系统存在着丰富的非线性动力学行为.考虑两自由度齿轮传动系统的动力学模型,利用数值方法分析系统的分岔和混沌动力学行为.通过简单胞映射方法对非线性齿轮系统进行全局分析,得到系统的吸引子,吸引域等全局特性.结果显示:随着激振频率的变化,系统存在多个周期解共存以及周期解与混沌运动共存现象.最后利用系统的相轨线图与庞加莱截面图进行对比分析,在不同的初值条件下,系统呈现出不同的周期运动或混沌运动.利用简单胞映射方法的数值计算结果可以实现在不良参数条件下,通过合理控制系统的初值条件而获得理想的系统响应.     

Computational concepts in structural stability

Summary The present essay contains a general structural stability theory for discretized structural systems. Instabilities are essential constituents of nonlinear structural responses, the computational assessment of which in a modern treatment is exclusively based on incremental-iterative (step-wise) numerical techniques, applied to the tangential equation of motion. The paper derives this fundamental equation as first variation of the nonlinear equation of motion in its standard form and its phase projection. Further, it transforms the principle of virtual work for arbitrary nonlinear (Kelvin-Voigt) continua into its incremental variant and finally into the consistent tangential equation of motion. Its various applications then are demonstrated to classes of time-independent and time-dependent, unstable structural responses, for which suitable numerical instruments are outlined. The derived algorithms are based on the concepts of Lyapunow exponents and Poincaré multipliers which are introduced as universal stability measures. Qualitative and quantitative convergence properties of perturbations in the phase space enable the proper establishment of stability definitions. The validity of the received concepts is illustrated by several examples.