基于缓冲结构设计的携行式外骨骼研究

为使携行式外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在携行式外骨骼中增设了缓冲结构。将整个携行式外骨骼视为刚性结构与柔性结构的耦合模型,以60 kg为负重载荷,并考虑冲击系数,在ANSYS中利用刚性区域和耦合技术处理携行式外骨骼有限元模型,并进行该外骨骼结构行走姿态的受力分析和整机振动模态分析,获取外骨骼各姿态应力值和整机各阶振型、振动频率。根据分析结果得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件均满足静力学强度要求,模态分析结果显示该携行式外骨骼有效避免了人体运动过程中共振现象的产生。对外骨骼进行应力测试和行走测试,各测试数据表明外骨骼满足实际使用要求。     

摩擦引起的模态耦合不稳定性分析

模态耦合是摩擦系统振动不稳定性的重要机理之一,它会受到系统摩擦副的结构阻抗特性和摩擦接触特性的显著影响。针对一类由一个摩擦副部件的不同方向模态导致耦合不稳定性的现象,建立2自由度摩擦振动动力学模型,推导在摩擦副部件机械阻抗特性相差极大的条件下,系统摩擦耦合模态不稳定性及其对摩擦力方向的依赖性,以及研究了不稳定区域对摩擦副结构和摩擦接触特性参数的敏感性;同时,也分析摩擦副部件的自身约束模态频率和系统接触模态频率对系统摩擦耦合模态区域和频率的影响。这为指导以避免模态耦合的摩擦振动系统的结构参数和摩擦接触参数匹配,以及识别摩擦振动不稳定的摩擦副模态来源提供了理论依据。     

基于OpenSim人机耦合仿真的外骨骼设计方法

针对传统外骨骼研发中普遍忽略外骨骼对人体作用的缺陷,提出一种基于OpenSim开源生物力学仿真平台的外骨骼设计方法,以提高外骨骼的安全性和有效性。将外骨骼机械本体嵌入人体肌肉骨骼模型中进行耦合仿真,分析在外骨骼助力下人体特定部位关节肌肉的状态;在仿真平台中修改外骨骼的结构参数,观察其对人体助力的影响,不断迭代改进,最终得到外骨骼产品;以踝关节保护器为例,阐述外骨骼设计方法的流程。仿真分析结果表明：使用该方法设计的踝关节保护器能使人在30°斜坡上竖直着陆时脚踝距下关节内翻角度减小34%。     

基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

基于对人体行走的能耗分析,设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先,基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明,脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后,基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来,在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构,实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明：足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率,提升助行能力;外骨骼的最大输出力矩为19N·m;穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明,在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。     

基于ANSYS的龙门铣床龙门结构模态分析

龙门结构是龙门式机床重要支承部件,它的的动态特性直接影响到机床的加工精度。利用Solidworks2008和ANSYS10.0软件对某型号龙门铣床龙门结构进行三维实体建模与模态分析,得到了此结构的模态分析结果,即模态频率和各阶振型。分析了模态频率和各阶振型对此龙门动态特性影响,结果表明它的一阶频率在工作频率范围内,将会产生机床共振现象,影响加工精度。从龙门结构前三阶振型看,无论左右摆动、前后摆动,还是绕竖直中心轴扭动,都直接影响加工精度和切削性能,而四、五、六阶的振型对加工性能影响较小。为此,要修改龙门结构,使低阶模态频率相应提高,以提高结构的动刚度。ANSYS结构模态分析为此机床的改进设计提供了理论依据。     

康复外骨骼人机约束处六维力传感器设计

为获取康复外骨骼与人体连接处的接触力信息,根据人-机连接约束情况,设计了一种Stewart型六维力传感器的结构。通过对传感器进行模型分析、结构参数优化和柔性铰链的刚度分析,得到传感器的结构尺寸;采用有限元方法对传感器进行静力和模态分析,得到传感器的应力云图、模态振型和固有频率,结果表明该传感器具有较高的灵敏度和固有频率等特点,满足康复外骨骼的测量要求。     

LNG深冷调节阀结构强度及阀杆振动分析

以LNG接收站某工位深冷调节阀的模型为研究对象，针对LNG接收站深冷调节阀承压元件安全性和细长阀杆易发生振动的问题，采用ANSYS Workbench有限元分析软件，对阀体、上阀盖进行强度试验工况下的结构分析，得到各部件的等效应力，并进行应力强度评定。对阀门正常开度工况下的内部流场进行瞬态流场分析，分析流体动态特性对于阀杆的扰动情况。另外采用流固耦合模态分析，得到阀塞和阀杆部件的流固耦合的前六阶模态振型和频率，以此判断调节阀阀杆是否易发生振动。结果表明，该LNG深冷调节阀在正常工作时，各阶流固耦合模态频率均大于120Hz，且阀杆周围流体基本处于静止状态，阀杆不易发生振动现象。     

半刚性磨具主轴动态特性分析与修整试验研究

为了提高轴承类零件内、外表面的轮廓精度,设计了一种新型半刚性磨削工具主轴结构,通过对主轴进行分析和模态试验,研究主轴系统频率和振型,得出半刚性磨具与主轴接触面刚度较差,导致主轴端面摆动弯曲的结论,为半刚性聚氨酯磨具主轴的优化设计提供了理论依据和方法。最后采用这种新型的半刚性聚氨酯装置进行修整试验,得到较好的表面粗糙度,验证了该方法的可行性和有效性。     

下肢外骨骼助力性能评价方法研究

为定量研究下肢外骨骼的助力性能,提出了助力性能量化指标矩差和ΔT与矩差功率比μ,矩差和ΔT定义为人体穿戴外骨骼前后下肢髋、膝、踝三关节力矩差值之和,矩差功率比μ定义为ΔT与外骨骼消耗的总功率p之比。建立了下肢外骨骼的动力学模型,结合人体步态运动数据获得了在常见步态下总功率p的变化情况。利用动力学分析软件ADAMS建立了人体简化仿真模型和人机穿戴仿真模型,分析了ΔT的变化规律,结合p和ΔT得到μ的变化规律,结果显示,在行走站立阶段,ΔT均保持较大数值,表明穿戴外骨骼之后,在站立阶段人体下肢三关节力矩大幅减小,外骨骼辅助作用明显;矩差功率比μ均在摆动阶段取得最大值,表明在摆动阶段外骨骼单位功耗对人体辅助贡献大,功耗利用率高。     

一种自适应背部外骨骼设计与研究

外骨骼机械是一种穿戴式设备,可以给人体提供助力、保护以及搭载设备等功能,目前在工业、快递搬运以及康复训练器械中广泛运用。针对现有背部外骨骼自由度低所导致的穿戴舒适性差的情况,以及提高外骨骼机械的大众化程度,提出了一种自适应背部外骨骼。该外骨骼能够自适应于不同肩宽与腰长的人穿戴,结构上能基本满足人体腰部的运动,可作为用于连接上肢外骨骼与下肢外骨骼的中转机构,为全身外骨骼机构的设计提供一种结构简单,维护方便,成本可观的方案。首先通过对人体腰部自由度的分析,设计满足腰背部运动的外骨骼骨架,并在Solidworks软件内进行三维建模。为了验证所设计的背部外骨骼满足腰部运动,运用D-H表示法搭建各关节之间的数学关系,并于Matlab软件的机器人工具箱中,利用蒙特卡罗法完成人体脊椎与外骨骼刚性骨架的运动空间仿真,通过对比两者的运动空间重合情况,理论验证了机械结构合理性。最后通过制造实物对装置功能进行验证,从实际角度证明了外骨骼骨架的自适应性以及其在大众化上的合理性。     

大型索网反射面天线空间动力学分析

大型可展开索网反射面天线是目前较为理想的天线结构形式。由于其自身的结构特点以及复杂的空间环境因素,天线在运行时易产生大幅度振动变形,严重影响卫星的稳定运行。文中以某星载大型可展开索网反射面天线为切入点,对其进行了空间动力学分析。针对天线与中心刚体之间的多体动力学刚–柔耦合问题,首先根据模型分析参数建立了卫星–天线–太阳翼的星体系统模型,然后对该多体动力学模型系统进行了模态分析和瞬态动力学响应分析,从频域和时域上分析其振动特性,并分析了天线网面的形面精度随时间的变化规律。     

某海用振动试验夹具设计及分析

夹具是将振动台的激励力不失真地传递给受试设备的传力构件,在以前大多数有关夹具设计及模态分析的论文中,把夹具与基础的连接简化为刚性连接,再通过有限元分析给出了夹具的前几阶模态,但在实际使用时,夹具的实测共振频率与主模态理论值有较大的偏差。文中以某海用电子设备的振动试验夹具为例,证明了该夹具的计算模态与实测模态确实存在较大差别,根据夹具的实际使用情况,建立了相应的力学模型,通过分析说明了实际使用时夹具与振动台面的螺栓连接的非刚性连接特性,提出了在中大型海用设备夹具设计时,夹具与振动台面连接刚度的简易分析方法,以供参考。     

PCB板卡在加固计算机中的刚性设计

为了提高PCB板卡适应恶劣环境的能力,文中针对某机载加固计算机内主板的抗恶劣环境设计,研制了主板的刚性加固结构,给出了主板固有频率的计算方法。利用ANSYS Workbench仿真软件,对主板模块和整机结构进行了模态分析,得出了主板和主板模块的固有频率和振动薄弱点。通过对振动薄弱点采取刚性加固改进措施,有效提高了主板和主板模块的固有频率。对改进后的整机结构进行了随机振动仿真分析,并对比了主板在仿真分析中的响应位移与主板单振幅理论限额。结果表明,主板模块的刚性设计满足设备抗恶劣环境指标要求,从而实现了PCB板卡在加固计算机中的刚性设计。     

压气机叶片流固耦合的强度和振动研究

为了研究流固耦合场对叶片强度与振动参数的影响,采用流体动力学和有限元方法,对压气机叶片进行了单向流固耦合分析。通过软件之间的接口,实现压力场数据的传递,并对加载气动力后的计算模型进行强度分析和模态分析,得到压气机大小叶片的应力应变云图以及固有频率和相应的模态振型,计算比较了离心力、气动力对应力和固有频率的影响。计算结果表明,流固耦合对叶片的结构强度和模态振型影响较小。通过频率分析,找出了叶片的共振频率,从而为叶片的优化提供依据。     

基于模态分析法的车身NVH结构灵敏度分析

以某SUV车为例,建立了车身及乘客室声腔的有限元模型。采用模态分析法,根据轿车车身结构和乘客室的声固耦合效应,通过模态分析得到车身结构和室内声腔的各阶耦合振动模式,通过声压响应分析得到车内噪声级别,通过结构灵敏度分析识别出车内噪声的主要来源。针对噪声源提出的改进措施有效降低了车内噪声。     

兆瓦级风力发电机组用柔性联轴器的有限元及疲劳分析

为了提高风力发电机组的结构稳定性,基于风力载荷和风力发电机组要求的特性等因素选择膜片式联轴器作为设计模型.首先对简化后的联轴器模型作整体静力分析,分析结果表明结构合理且强度满足设计要求.其次对结构中变形较大的零部件——膜片和中间联接体作了模态分析,得到了中间联接体前6阶的模态振型,并通过疲劳寿命计算,证明联轴器的寿命满足设计要求.最后对联轴器的关键部件作静强度校核,并针对膜片结构承受载荷较大的情况,对膜片结构进行了调整——在膜片与螺栓联接孔处加设一个高强度耐磨衬套.     

振动时效对结构件材料表面完整性的影响

为揭示平台式振动时效对结构件材料表面完整性性能——表面残余应力、硬度及微观组织的影响，以7075铝合金薄壁件为研究对象，运用ANSYS构建平台式振动时效(vibration stress relief, 简称VSR)有限元模型，通过模态分析获得最佳激振频率和试样装夹位置。在此基础上，将3个薄壁框架件置于平台不同位置进行VSR处理，得到其试样表面应力的松弛效果。结果表明：亚共振频率为112 Hz时，在激振源的中间位置和最大振幅位置处试样应力释放效果最好，其应力释放率最大为27%；电子背散射衍射（electron backscattered diffraction，简称EBSD）电镜观察发现，时效后表面组织晶粒存在明显取向区变化，晶粒成长带来能量的变迁以及位错的增殖，再结晶晶粒的增多提升了表面性能，使得材料表面硬度得到10%~17%的强化。研究表明，平台式振动时效能够改变和优化材料表面完整性。     

基于Workbench的某型试验枪架系统模态分析

试验枪架系统用于代替射手进行自动射击,为了减小共振对结构产生的破坏及其对射击精度的影响,在结构设计完成后必须对系统的振动特性进行分析,文中通过将在Solidworks中建立的几何模型简化后导入Ansys Workbench中进行模态分析,从而得到其固有频率及振型,分析了变形产生的原因并找出了薄弱环节,为以后的模态试验及优化设计提供依据。     

基于Ansys的塔式起重机振动模态分析

塔式起重机的振动会引起较大的动态应力,模态分析就是确定其结构的振动特性,也是其他动力学的基础。以FTZ5510塔式起重机为研究对象,研究了其建模方法,建立了其整体结构的有限元模型,并以结构进行模态分析来计算结构的固有振动特性,确定结构的固有频率以及振型,为研究该型塔机的其他动力响应提供了依据。     

关于风力发电机叶片预应力模态频率的研究

通过对风力发电机叶片进行预应力模态频率分析,找出了发电机在使用过程中产生振动耦合的原因。通过对叶片结构形式和选用材料进行改进并对改进后的机体进行模态频率比较研究,得出了避免叶片产生振动耦合的方案,通过疲劳特性分析确定其方案是否可行,为同类产品的安装、使用和优化设计提供了参考依据。