基于声波传播的结构阻抗研究

从结构的振动和力学分析在实际生产过程中的应用出发,基于波在弹性结构中的传播和振动分析的基础上,建立波在弹性结构中传播的力学平衡方程,提出了阻抗和迁移率的概念.通过对波在弹性结构中传播时元素的应力和应变进行分析,得到元素的力学平衡方程并求解,得到波在弹性结构中传播的阻抗.     

π桥电液比例溢流阀负载特性

设计一种以G型π桥液阻网络为先导控制回路的新型电液比例溢流阀,分析该阀的工作原理,确定该阀的结构及设计参数.建立由π桥电液比例溢流阀液阻的流量压力方程和阀芯力平衡方程构成的稳态特性方程组,通过对稳态特性方程组的线性化处理,得到表述π桥电液比例溢流阀稳态流量压力特性的解析表达式,并由此推导出该阀在理论上实现调压偏差为零的参数表达式,为该阀的参数设计提供正确的计算方法.用数值计算方法计算液阻参数不同时的π桥电液比例溢流阀负载特性.研制π桥电液比例溢流阀样机,完成该样机在不同液阻参数条件下的稳态特性试验.试验与理论研究结果表明,π桥电液比例溢流阀具有比传统电液比例溢流阀更好的负载特性.     

弹性波在高压输电线中的传播特性

采用压电陶瓷设计了一种适用于高压输电线结构健康监测的传感器,分析了该传感器在输电线表面激励弹性波,得到了弹性波在输电线中的传播特性。利用Gabor小波变换计算传感信号到达时间的原理,试验得到了弹性波在输电线中传播的群速度频散曲线。结果表明,在低频段(低于30kHz)时,弹性波在输电线中的传播模态比较简单,适合用于结构健康监测。通过弹性波在输电线中的衰减试验,得到了信号峰值随传播距离的衰减曲线以及激励信号频率与信号峰值之间的关系曲线,得到弹性波在输电线中按照指数规律衰减。     

磁流变阻尼器阻尼力计算

Bingham模型能准确刻画磁流变阻尼器屈服后区的粘塑特性,基于该模型,阀式磁流变阻尼器阻尼力与速度的关系为与阻尼器结构参数有关的三次代数方程,文中求解了该代数方程,得到了阻尼力的解析表达式,分析了阻尼器结构参数对阻尼器阻尼特性的影响.文中的研究结论可用于指导磁流变阻尼器的设计.     

松散物料在水平圆振动干燥机中的运动分析

依据流体力学和振动学的基本原理,建立物料在水平圆振动干燥机中的运行方程,得出物料在单层孔板上运行周期及时间表达式.并通过该方程的电算方法得到物料运行任意位置所需时间,经实际验证模拟值与实测值吻合较好.     

变厚度板中水平剪切波的传播特性分析

为研究超声导波在储罐壁板等变壁厚结构中的传播特性，建立了SH波在空间自由边界中的传播模型，基于各向同性弹性介质Navier-Stokes方程，推导了变厚度板中SH波的频散方程，分析了变厚度板中水平剪切波走时t与倾斜角θ间的相互作用关系；通过简谐点源的远场响应并引入板厚与传播位移的非线性关系，得出了变厚度板中SH波的远场响应方程。在此基础上，仿真分析和实验验证了水平剪切波在不同倾斜角变厚度板中的传播特性，结果表明：在变厚度板的薄端激励水平剪切波并沿结构表面传播时，无频散现象，且无波包分离现象；但随着变厚度板倾斜角θ增大，水平剪切波的走时和接收信号幅值均逐渐递减，且呈非线性关系。     

基于能量等效的行波型超声波电动机解析模型

提出一种基于能量等效的行波型超声波电动机稳态特性分析计算的解析模型.首先通过能量等效原则将压电复合定子环简化成复合等直梁模型,综合考虑压电复合定子的转动惯量和剪切变形的影响,利用铁木辛柯梁振动理论得到电动机定子振动的频率方程和强迫振动稳态解:其次,对电动机定、转子接触面的滑动状况进行分析,利用弹性接触理论确定了定、转子接触面的力传递模型和效率表达式,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率视为定子强迫振动的等效阻尼损失,由此建立电动机的机械特性和输出功率表达式;最后,仿真和试验分析了不同电动机结构和材料参数以及定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度等对电动机振动特性和机械特性的影响,试验证明了该模型的有效性和适用范围.     

多级泵平衡盘动态平衡研究与数值仿真

为合理设计多级泵平衡盘的结构参数,解决平衡盘在工作过程中轴向脉动过大而引发振动的问题,对平衡盘的动态平衡过程进行研究.基于多级泵平衡盘装置中顶隙和轴向间隙窄且长的结构特点,分别对平衡盘两间隙内的流动进行分析,利用连续方程和动量方程推导出平衡盘动态平衡力的函数表达式.进而,建立平衡盘-转子系统的运动方程,并结合实例应用此运动方程对平衡盘的工作过程进行数值仿真.仿真结果表明,平衡盘-转子系统的轴向脉动在极短的时间内达到稳定状态,呈现出周期性变化规律,这与平衡盘的实际工作过程是相符的,从而也验证了用本文分析得到的运动方程描述多级泵平衡盘动态平衡特性的可行性.     

基于ADAMS的球形机器人加速特性分析

针对以配重改变重心为驱动的球形机器人进行了加速特性分析.通过牛顿一欧拉法建立了该类球形机器人直线运动的动力学模型,并对该非线性的动力学方程进行了简化,从而得到其加速度的振动微分方程.基于该方程分析了球形机器人的加速特性,以及机器人不同结构参数对其加速特性的影响.最后,利用ADAMS对球形机器人在硬质平坦路面上的运动进行了仿真,获得并分析了不同结构参数条件下球形机器人的加速度曲线,实验结果验证了动力学模型的有效性和准确性,为球形机器人的结构优化设计提供了依据.     

一种机器人末端执行器的运动学分析和实际应用

首先,介绍了一种新型推拿机器人末端执行器,运用螺旋理论分析了该末端执行器并联机构自由度及动平台的运动特性,通过理论分析可以实现相应中医推拿的动作要求.其次,用矢量封闭形方法对并联机构进行位置正反解分析,得到相应的位置方程,并对其求导得到了机构的速度、加速度正反解数学表达式.最后,采用MATLAB与ADAMS进行了联合仿真,证明了该中医推拿机器人末端执行器可以实现中医推拿操作,为该中医推拿机器人末端执行器的动力学建模和实际应用提供了理论基础.     

适合于液相检测的乐甫波传感器

乐甫波（Ｌove wave)是声表面波的一种，它是在沉淀于压电基片表面的薄层声波导中传播的表面剪切横波。论述了基片为ＳＴ切压电石英晶体、声波导层分别为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和熔融石英（SiO2)的乐甫波器件的制作。通过测量器件的传输参数S21和插损，比较了瑞利波器件和不同声波导层构成的乐甫波器件在气相和液相的特性，证明了乐甫波传感器适合于液相检测而瑞利波传感器不适合，而且，SiO2是构成乐甫波器件声波导层的更合适的材料。     

Frequency dispersion of love waves in a piezoelectric nanofilm bonded on a semi-infinite elastic substrate

Research on the propagation of elastic waves in piezoelectric nanostructures is very limited. The frequency dispersion of Love waves in layered piezoelectric nanostructures has not yet been reported when surface effects are taken into account. Based on the surface elasticity theory, the propagation of Love waves with surface effects in a structure consisting of a nanosized piezoelectric film and a semi-infinite elastic substrate is investigated focusing on the frequency dispersion curves of different modes. The results show that under the electrically-open conditions, surface effects give rise to the dependence of Love wave dispersion on the film thickness when the thickness of the piezoelectric film reduces to nanometers. For a given wave frequency, phase velocity of Love waves in all dispersion modes exhibit obvious toward shift as the film thickness decreases or the surface parameters increase. Moreover, there may exist a cut-off frequency in the first mode dispersion below which Love waves will be evanescent in the structure due to surface effects. The cut-off frequency depends on the film thickness, the surface parameters and the bulk material properties.     

波导层不连续的Love波延迟线

Love波传感器的波导层和吸附层通常是不同材料的,一般先在整个器件表面覆盖一层声波导层材料,然后在感应区域对应的波导层上涂镀吸附层,但是这样会增大延迟线的插入损耗.文中设计了一种不连续波导层的Love波延迟线,即在感应区域,吸附层直接镀在压电基片上,同时兼作声波导层;在其他区域覆盖声波导层材料.实验器件制作在ST-90°X石英晶体上,中间感应区域用Au作波导层和吸附层,其他区域采用SU-8光刻胶作声波导层,结果表明,采用这种结构的延迟线可以降低损耗2 dB以上.     

低损耗乐甫波传感器的实验研究

文中采用单相单向叉指换能器(SPUDT)降低乐甫波传感器的双向损耗,并从实验方面研究了SPUDT结构反射中心位置对器件损耗的影响.乐甫波传感器的多层波导结构改变了常规的EWC/ SPUDT(控制栅条宽度的SPUDT)的反射系数和换能系数,不能实现完全的单向传播,从而使传感器损耗变大.文中通过调整反射栅的位置,来改变反射中心和换能中心的间距L,通过实验的方法分析L对损耗的影响,得到了间距L与器件损耗之间的关系.文中实验基片采用ST-90°X石英,铝电极厚度为0.77%λ(λ为SPUDT周期),声波导材料为二氧化硅,厚度为0.012 8λ,L大小范围为(3/8-1/9)λ到(3/8+1/9)λ,实验结果表明:随着反射中心和换能中心间距L的增大,器件中心频率处的损耗从20.2 dB减小到12.5 dB;器件的单向性能得到改善.     

直接冷凝式声表面波气体传感器检测下限分析

声表面波气体传感器有采用选择性敏感膜进行气体吸附和气体直接冷凝在声表面波器件表面(与气相色谱系统结合)进行检测两种方式.文中首先从分层介质理论出发,分别对涂敷敏感膜和直接冷凝这两种方式下声表面波器件表面质量负载改变引起的频率变化进行理论分析,比较了两种方式在吸附同样气体条件下的灵敏度;然后计算了在500 MHz工作频率、考虑冷凝液膜轻度粘滞性时,直接冷凝方式的气体检测下限为ppb量级;最后将计算结果与实验结果进行比较并得到验证.     

穿刺针尖光纤力传感信号的小波变换分析

经皮软组织穿刺过程中,穿刺针尖会历经不同材料特性的器官组织,受到复杂变化的作用力。为了测量针尖处的作用力并鉴定穿刺路径上不同层次的软组织,研制了一种光纤力传感器,并进行了力信号分析。首先,基于法-珀干涉介绍了光纤力传感器的测量原理、光链路设计、及其与针的集成和标定方法。在穿刺力信号分析的基础上,提出利用Mallat算法对力信号进行小波变换,提取信号的特征模式,界定软组织的各层边界。最后,在猪的肝脏和肋条组织样本上进行了针穿刺实验验证。结果显示:光纤力传感器的可测力为0至3.20N,测量精度可达0.01N。得到的穿刺试验结果表明Mallat算法能够有效地区分软组织的类型。研制的光纤传感器满足穿刺力的测量范围、精度和可靠性等要求,所提出的小波变换算法可用于软组织边界的界定,有望用于机器人穿刺控制。     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。     

时栅的波动方程分析与行波形成新方法

分析时栅位移传感器运动坐标系的产生机理。为了简化时栅结构使之更易于产品化,在分析其波动方程的基础上,明确磁行波和电行波的联系与区别,进而提出一种新的行波形成方法以及相应的机械结构,从而构成一种新形式的时栅传感器。初步的试验结果表明,传感器产生出正确的电信号,证明此方法是可行的。至此摆脱了采用传统模式的运动磁场产生方法,加工工艺大大简化。     

Analytical Higher-Order Model for Flexible and Stretchable Sensors

The stretchable sensor wrapped around a foldable airfoil or embedded inside of it has great potential for use in the monitoring of the structural status of the foldable airfoil.The design methodology is important to the development of the stretchable sensor for status monitoring on the foldable airfoil.According to the requirement of mechanical flexibility of the sensor,the combined use of a layered flexible structural formation and a strain isolation layer is implemented.An analytical higher-order model is proposed to predict the stresses of the strain-isolation layer based on the shear-lag model for the safe design of the flexible and stretchable sensors.The normal stress and shear stress equations in the constructed structure of the sensors are obtained by the proposed model.The stress distribution in the structure is investigated when bending load is applied to the structures.The numerical results show that the proposed model can predict the variation of normal stress and shear stress along the thickness of the strain-isolation(polydimethylsiloxane)layer accurately.The results by the proposed model are in good agreement with the finite element method,in which the normal stress is variable while the shear stress is invariable along the thickness direction of strain-isolation layer.The high-order model is proposed to predict the stresses of the layered structure of the flexible and stretchable sensor for monitoring the status of the foldable airfoil.     

老化处理对塑料光纤传感器光传输及灵敏度的影响

为了提高正规包层-纤芯类倏逝波塑料光纤传感器的灵敏度,本文对传感器敏感区在真空和水浴中进行了老化处理。老化处理时,先将光纤部分区域的保护层去除;然后将这种裸光纤作为传感器的敏感区,对其进行真空和蒸馏水老化处理。对比研究了传感器敏感区经真空和蒸馏水老化不同时间后的光传输特性及灵敏度,分析了老化处理对传感器光传输特性与灵敏度的影响机理。研究表明:老化处理后,塑料光纤纤芯折射率及材料成分发生了变化,由此改变了光纤内部光传输模式及光纤表面有效倏逝场透射深度与传播长度,从而降低了传感器的光传输性能。传感器对葡萄糖溶液的灵敏度随着老化时间的延长先增大后减少,在真空中105℃老化处理20min后的灵敏度达到最高-0.004 2/g·(100mL)-1,高于蒸馏水老化处理后的传感器灵敏度。研究结果对高灵敏度正规包层-纤芯类塑料光纤倏逝波传感器的研制提供了技术支撑。