被动式恒力缓冲装置的设计与性能研究

船舶设备遭受强冲击作用时,能够承受的加速度和相对位移幅值都很小,采用隔振器和限位器均不能满足抗冲击要求,此时需要特殊的缓冲元件来存储、吸收大量的冲击能量。基于最优抗冲理论,设计一种被动式恒力缓冲装置,推导了凸轮滑轨机构受力与弹簧变形之间的关系,在此基础上分析了橡胶垫等效线性刚度、阻尼比对恒力缓冲装置缓冲性能的影响,并与等效线性刚度系统进行了对比。研究结果表明,与等效线性刚度系统相比,该装置明显降低被隔离设备的绝对加速度幅值和相对位移幅值,具有良好的抗冲击性能。研究结论为恒力缓冲装置的设计和应用提供一定的参考。     

含非线性边界梁结构频响特征的实验研究

利用实验方法研究含非线性边界的梁结构频响特征。实验对象由一根矩形截面的主梁和二片与之垂直的片梁构成-T字型结构,通过在片梁两端垫放不同厚度的钢尺,使主梁的一端形成不同的几何非线性约束边界,片梁不同程度的预变形改变了主梁静平衡点的位置。实验结果发现,预变形和外激励幅值对系统的非线性频响特征影响显著,随着预变形和外激励幅值的变化,主梁的频响特征呈现出软特性、硬特性和线性特性之间复杂的演变过程。进一步的理论分析表明,预变形的存在使得系统的动力学控制方程同时含有平方和立方非线性,数值计算的结果与上述实验现象相吻合。实验研究和数值计算的结果,宏观上揭示了几何非线性约束边界中的预变形对梁结构频响特征的影响规律。     

横置螺旋弹簧隔振器在冲击激励下的最大应力研究

本文研究横置螺旋弹簧隔振器简化模型在主工作方向上的有预载荷的不同初值，或幅值的上架或基础冲击激励下的最大应力及发生位置，并对隔振器弹簧进行了强度分析。     

自激振荡式冲击钻井提速系统输出凿入力特性研究

冲击载荷高效破岩的技术优势已得到广泛认可,同时也是目前油气钻井提速的主要途径,自激振荡冲击钻井提速技术便是联合动静载荷,发挥其高效破岩特点,实现油气钻井提速的成功应用。基于自激振荡工具本身特性及前期现场试验研究,建立了自激振荡冲击凿入数学模型,定量分析了自激冲击力幅频特性、钻压及凿入系数对系统输出凿入力的影响,研究结论与实际认识相符,并进行了现场应用。研究表明:自激冲击力频率及幅值不会影响系统输出凿入力的振动平衡值,但其凿入力波动幅度与输入自激冲击力的幅值成正比,与输入振动的频率成反比;钻压不会影响冲击凿入力的频率和波动幅值,但相同冲击参数下,钻压越大,凿入力平衡值相对于初始值的增加幅度越大,大钻压可有效提高凿入力冲击效果;凿入系数虽不会影响凿入力的最终平衡值,但凿入系数增加导致凿入力波动更加强烈,且凿入力达到最终平衡值的时间越短。     

一种非线性能量阱的构建及瞬态特征分析

使用单根欧拉梁作为非线性刚度元件,建立其边界固支条件下的理论模型。考虑线性刚度对单根欧拉梁输出刚度影响几乎可忽略,可有效构建一种近似纯立方刚度的非线性能量阱;以抑制星载设备在主动发射段来自运载火箭瞬态载荷的影响,建立结构板-星载设备-非线性能量阱系统动力学模型;利用所建模型进行仿真计算,并根据振动吸收和系统中各部分能量传递特征研究非线性能量阱的工作性能。研究结果表明,采用单根欧拉梁成功构建可在工程中应用的非线性能量阱,且给出了发生靶能量传递的初始条件。     

强振动下比例电磁铁输出力特性研究

为研究强振动对比例电磁铁输出力特性的影响,应用电磁场理论和强迫振动理论建立了强振动环境下比例电磁铁的动态数学模型和仿真模型,仿真分析了不同振动参数下比例电磁铁的气隙磁阻、动生感应电动势及输出力的变化规律,讨论了强振动对电磁铁输出力的影响原理。同时分析了衔铁质量、阻尼系数、弹簧刚度对比例电磁铁输出力波动的影响规律。结果表明:强振动幅值和频率与电磁铁的动生感应电动势的波动幅值正相关;比例电磁铁的气隙磁阻和输出力的波动幅值与强振动幅值呈线性正相关;随阻尼系数的增加,比例电磁铁输出力的波动幅值近似线性减小;弹簧刚度小于20 000N/m时比例电磁铁的输出力波动幅值随刚度增加而快速减小。研究结果为提高振动环境下比例元件的工作性能提供了理论参考。     

轴向载荷作用下无限长连续梁振动研究

研究了轴向静载荷作用下无限长等间距支承梁的横向振动问题。通过所建立的理论模型，分析了不同轴向载荷包括拉压对梁振动特性的影响，着重讨论了共振频率和对应幅值的变化规律；模型中，振动激励载荷为一作用于梁中的正弦变化的集中横向力，并考虑了梁横向变形阻尼系数、应变阻尼系数以及支承刚度对梁振动特性影响等因素。     

IPMC的力输出特性

IPMC(ion-exchange polymer metal composite)离子交换聚合物-金属复合材料)是一种人工肌肉材料,其较低的驱动电压能产生较大的位移变形,研究了IPMC这种智能材料的输出力特性.实验选取了不同电压幅值,不同频率的方波、三角波、正弦波3种波形作为电激励信号,通过力传感器实测了IPMC试样末端的输出力.结果表明,随着电压幅值的增大,其输出力也增大;随着电刺激信号频率的降低,其输出力也增大;而波形对其输出力影响不显著.     

轴向受载粘弹性Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁横向自由振动

用复模态分析方法研究了在两端简支和固支边界下,轴向受载粘弹性Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁自由振动的固有频率、衰减系数和模态函数的特性,给出了模态函数的正交性条件。通过数值算例,讨论了长宽比、轴力和粘弹性系数对梁的固有频率、衰减系数和模态函数的影响。数值结果表明增加轴力使梁的固有频率变大、模态函数幅值变小,但衰减系数变化不明显;粘弹性系数的增大对梁的固有频率与模态函数幅值影响较小,而衰减系数明显增大。     

超弹性SMA复合阻尼器的计算模型及参数分析

介绍了超弹性SMA复合阻尼器的构造及工作原理,并根据它的受力特性,建立了该阻尼器的力学计算模型,针对模型中的关键参数:阻尼器内滑条槽深与接触面摩擦系数、SMA丝的预应变及缠绕量、环境温度及位移幅值等对阻尼器力学性能的影响规律进行了分析。分析结果表明:阻尼器的初始刚度、输出力和滞回面积随内滑条槽深、SMA丝缠绕量、接触面的摩擦系数的增加而增加;在不同的位移幅值下,阻尼器的荷载-位移曲线形状分别呈三角形、四边形和五边形等多边形形式,表现为变刚度的特性;阻尼器的屈服位移和输出力随环境温度的升高而线性增加;当对SMA丝施加一定的初始预应变,SMA复合阻尼器表现为摩擦型阻尼器。最后,将模型结果与实验结果进行了对比,两者基本吻合。     

Evaluation of the single yeast cell's adhesion to ITO substrates with various surface energies via ESEM nanorobotic manipulation system

Cell-surface adhesion force is important for cell activities and the development of bio materials. In this paper, a method for in situ single cell (W303) adhesion force measurement was proposed based on nanorobotic manipulation system inside an environment scanning electron microscope (ESEM). An end effector was fabricated from a commercial atomic force microscope (AFM) cantilever by focused ion beam (FIB) etching. The spring constant of it was calibrated by nanomanipulation approach. Three kinds of hydrophilic and hydrophobic ITO plates were prepared by using VUV-irradiation and OTS coating techniques. The shear adhesion strength of the single yeast cell to each substrate was measured based on the deflection of the end effector. The results demonstrated that the cell adhesion force was larger under the wet condition in the ESEM environment than in the aqueous condition. It also showed that the cell adhesion force to hydrophilic surface was larger than that to the hydrophobic surface. Studies of single cell's adhesion on various plate surfaces and environments could give new insights into the tissue engineering and biological field.     

钢框架结构在坠落块体撞击作用下的动力效应分析

局部构件失效导致钢框架结构的传力路径发生变化,除了影响正上方结构的受力性能,还可能使下层结构受到局部块体掉落冲击影响。下层结构能够抵抗撞击荷载,是框架结构抵抗连续倒塌的重要研究内容。下层框架梁碰撞的动力特性对研究其抗倒塌能力至关重要,其中最大位移和撞击力变化是关键的动力特性。考虑完全塑性撞击和完全刚性撞击两种极端情况,依据动量守恒和能量守恒,并结合框架梁的变形能函数,确定梁在块体撞击后最大位移的上限值和下限值,采用已有落锤撞击试验验证最大位移理论分析的准确性。研究表明:当坠块速度较小时,碰撞接近于完全刚性撞击;当坠块速度较大时,碰撞接近于完全塑性撞击;当坠块撞击点接近于跨中时,理论模型与有限元模型接近;当坠块撞击点位于约束端时,完全刚性理论计算值比模拟值偏大。     

Dynamic stability analysis of multi-walled carbon nanotubes with arbitrary boundary conditions based on the nonlocal elasticity theory

Dynamic stability of embedded multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in an elastic medium and thermal environment and subjected to an axial compressive force is studied based on the nonlocal elasticity and Timoshenko beam theory. The developed nonlocal beam model has the capability to consider the small scale effects. The generalized differential quadrature method is employed to discretize the dynamic governing differential equations of MWCNTs with various end supports. A parametric study is conducted to investigate the influences of static load factor, temperature change, nonlocal parameter, slenderness ratio, and spring constant of elastic medium on the dynamic stability characteristics of MWCNTs.     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。     

Dynamic response of a cracked beam subject to a moving load

Summary The dynamic response of a beam with a single-sided crack subject to a moving load on the opposite side is analyzed using Euler beam theory and the assumed mode method. The beam is modeled as two separate beams divided by the crack. Two different sets of admissible functions which satisfy the respective geometric boundary conditions are assumed for these two fictitious sub-beams. The rotational discontinuity at the crack is modeled by a torsional spring with an equivalent spring constant for the crack. The transverse deflection at the crack is matched by a linear spring of very large stiffness. Results of numerical simulations are presented for various combinations of constant axial velocity of the moving load and the crack size.     

柔性拦截结构中减压环动态力学性能试验研究

减压环是柔性拦截结构中的重要耗能部件,对结构的能量耗散及过载保护有着重要作用。该文分别开展GS-8002型单减压环和减压环组的拟静力拉伸试验、重物下落动力试验和足尺冲击试验。分析不同试验条件下减压环的变形和受力特征。试验表明:动荷载作用下,启动荷载增大,并联减压环组增幅最大;减压环的拉力曲线具有明显的脉冲特性,串联减压环组的脉冲效应更为突出,且靠近整体系统一侧的减压环变形较大,靠近固定端一侧的减压环变形较小,并联减压环组和单减压环的脉冲效应相近。提出考虑动力特性的减压环四折线力学模型,该模型能够较好的反映减压环的工作性能特点。基于该分析模型,给出不同试验工况下GS-8002型减压环性能指标的等代关系,便于实际工程中的设计与应用。     

考虑车钩垂向约束的机车轴重转移计算方法研究

机车牵引时,连挂车钩钩头接触面在拉钩力作用下产生的垂向约束作用会对机车轴重转移产生影响。该文将机车后端连挂车钩的垂向约束作用简化为线性弹簧约束,通过车体和构架的受力平衡分析推导得到了考虑车钩垂向约束作用的机车轴重转移计算方程,提出了基于系统刚度矩阵的简便准确且具有通用性的机车轴重转移计算方法,采用该方法分别分析了车钩垂向约束作用、机车悬挂参数对其轴重转移的影响规律。结果表明:车钩垂向约束作用会对机车轴重转移产生明显影响,根据某HX系列机车自由端车钩抬升量实际测定值可确定该车钩尾等效约束刚度的控制值;减小机车一系垂向刚度、增大二系垂向刚度以及降低牵引点高度均可减弱机车牵引时的轴重转移。     

功能梯度材料梁在后屈曲构型附近的自由振动

基于轴线可伸长杆的几何非线性理论,建立了由陶瓷和金属两种材料组成的功能梯度(FGM)梁在轴向载荷作用下后屈曲横向自由振动的精确模型,采用打靶法数值求解了一端可移简支一端固定的功能梯度梁在后屈曲附近的小振幅自由振动,获得了线性振动的响应,给出了不同梯度指标下FGM梁前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线.数值结果表明,屈曲前各阶频率随轴向力的增加而降低,而屈曲后轴向力对各阶频率影响不同     

考虑粘结层滑移效应的组合梁弯曲

针对粘结型组合梁,在粘结层仅沿轴向剪切变形的假定下,给出了组合梁大挠度弯曲的一般非线性控制方程,指出仅在一阶近似下,组合梁子梁的轴线挠度相等.其次,在Euler-Bernoulli 梁变形的条件下,通过线性化方法,由上述非线性控制方程得到以挠度和轴向位移为基本未知量的组合梁线性弯曲耦合控制方程,该耦合方程组可分别退化为经典组合梁和叠梁的控制方程.最后,分析了悬臂组合梁在端部集中力作用下的线性弯曲,得到了问题的解析解,给出了不同梁长下组合梁自由端挠度、粘结层滑移位移和剪切应力等随粘结层剪切模量和厚度的变化曲线,进行了参数分析,结果表明:粘结层厚度和剪切模量对组合梁挠度和粘结层滑移有较为显著的影响,而对粘结层剪力影响很小.     

Dynamic behaviour of edge-cracked shear deformable functionally graded beams on an elastic foundation under a moving load

This paper studies the dynamic response of functionally graded beams with an open edge crack resting on an elastic foundation subjected to a transverse load moving at a constant speed. It is assumed that the material properties follow an exponential variation through the thickness direction. Theoretical formulations are based on Timoshenko beam theory to account for the transverse shear deformation. The cracked beam is modeled as an assembly of two sub-beams connected through a linear rotational spring. The governing equations of motion are derived by using Hamilton’s principle and transformed into a set of dynamic equations through Galerkin’s procedure. The natural frequencies and dynamic response with different end supports are obtained. Numerical results are presented to investigate the influences of crack location, crack depth, material property gradient, slenderness ratio, foundation stiffness parameters, velocity of the moving load and boundary conditions on both free vibration and dynamic response of cracked functionally graded beams.