弹性模量对柔性仿生鱼尾振动行为的影响

针对采用各向同性材料为基板的仿生鱼尾刚度大、变形小的情况,研究基板材料弹性模量对于柔性复合型仿生鱼尾振动行为的影响。首先,通过使用粗压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)作为驱动器,设计了一种柔性仿生鱼尾结构,运用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了具有相同泊松比和密度的基体材料在不同弹性模量下的鱼尾振动情况,得出鱼尾摆动位移与弹性模量间的极值关系;然后,对比此种弹性模量下各向同性材料与各向异性材料,得到各向异性材料适合作为基体材料的结论;最后,根据仿真结果制备出各向异性基体材料,与MFC相结合得到柔性鱼尾,再对其进行振动性能测试实验。实验结果验证了数学模型的合理性及设计的可行性。     

黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维（Macro fiber composite,MFC）致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。     

柔性仿生机器鱼驱动频率设计原则

通过理论分析得到柔性仿生机器鱼鱼尾固有频率的表达式,并从中获得一种改变固有频率的方法,设计制作3个固有频率不同的柔性鱼尾并进行试验。所描述的获取鱼尾材料参数的方法更加可靠,驱动频率范围更高。试验得出:驱动频率接近固有频率,可改善柔性仿生机器鱼的运动特性,并且,相对于1阶固有频率,驱动频率等于2阶固有频率时的运动特性更好。提出了根据驱动频率范围,设计具有更优运动特性的柔性仿生机器鱼,确定驱动频率的准则。     

复合材料裂纹尖端塑性区的一种解法

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导正交各向异性复合材料Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹塑性区方程,得到的结果适用于求解各向同性材料和拉压强度相等的各向异性复合材料的裂尖塑性区;数值算例给出不同材料坐标系与总坐标系夹角θ下的一组复合材料裂尖塑性区结果,讨论参数θ对裂尖塑性区大小和形状的影响,并与各向同性材料的结果进行比较.数值结果表明,参数θ对复合材料裂尖塑性区的影响很明显,各向同性材料具有更大的塑性区.     

压电宏纤维驱动的仿生尾鳍微推进力测量系统

提出了用于压电宏纤维(macro fiber composites,简称MFC)驱动的柔性仿锦鲤尾鳍推进力动态精密测量的悬臂式微推进力测量系统。基于矩形截面悬臂梁的纯弯曲和扭转变形理论,首先,提出微推进力测量构件的设计指标,其弯曲刚度实验标定结果与设计指标基本吻合,水下稳定摆动测试结果表明,MFC驱动的柔性仿生尾鳍在激励频率7,8 Hz时分别取得最大摆幅峰峰值5.08 mm和最大摆速104.3 mm/s;然后,开展了柔性尾鳍在最大摆幅及最大摆速状态下产生的微推进力动态测量实验,结果显示柔性尾鳍产生的推进力在一个稳定摆动周期内出现两次波峰起伏,且存在着时间占比不同的推进和拖拽两种状态。结果表明,最大摆速状态下,柔性尾鳍稳定摆动过程在65.6%的周期内为推进状态,产生的瞬时最大推进力和拖拽力分别为6.26和-2.50 mN,数值积分得到的周期平均推进力为1.90 mN,而柔性尾鳍最大摆幅状态下产生的平均推进力为0.26 mN。所提出的柔性仿生尾鳍及微推进力精密测量系统的具有较好的参考作用。     

含固有缺陷复合材料有效弹性性能预报

根据缺陷在复合陶瓷中分布特点,将缺陷简化为刚度为0的椭球夹杂,嵌入到横观各向同性基体中,建立含缺陷复合材料的细观结构模型。应用相互作用直推估计法推导含缺陷胞元的有效刚度,结合刚度体平均化方法,假设胞元空间随机分布,得到复合材料的等效刚度表达式,分析横观各向同性基体中缺陷体积分数、取向和形状对材料等效刚度的影响,并进一步讨论缺陷周围基体各向异性的影响。结果表明,缺陷存在导致材料弹性性能明显降低,在缺陷体积分数较小时,弹性常数对缺陷体积分数更加敏感;缺陷形状对弹性常数有较大影响,当缺陷接近于薄片状时,缺陷厚度对弹性常数影响明显,而缺陷平面形状对弹性常数基本没有影响;当片状缺陷垂直于基体中弹性模量较大的轴时,缺陷对材料有效性能的降低作用更显著,考虑缺陷周围基体各向异性是很有必要的。     

昆虫飞行与鱼游动的运动一致性研究

通过分析鱼游动时的“鱼尾效应”和昆虫飞行时的“柔性楔形效应”,进行昆虫类飞行生物与鱼游动物的柔性与节律运动的一致性研究,揭示了昆虫飞行的“柔性楔形效应”和鱼游动的“鱼尾效应”具有的相同内涵,即生物运动所需的力缘于柔性和节律运动.仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现,在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是未来仿生扑翼飞行机器人翅翼驱动方式和仿生游动机器人驱动方式的发展趋势.     

三维编织复合材料振动阻尼特性的实验研究

采用悬臂梁自由振动衰减实验方法研究三维编织复合材料的振动阻尼特性,分析编织角、纤维体积含量和编织结构对三维编织复合材料振动阻尼特性的影响.根据测量得到的三维编织复合材料的频率和模态,确定材料的纵向弹性模量.结果表明,三维编织复合材料的阻尼性能随编织角的增大、纤维体积含量的降低而提高;而五向编织结构的材料阻尼性能比四向编织结构的材料优异.此外,确定的纵向弹性模量随编织参数的变化规律与文献中的结果一致.     

单晶压电悬臂梁等效黏性阻尼建模与实验

为了完善压电悬臂梁非耦合集总参数模型,进而优化设计压电振子,本文根据机械振动理论以及阻尼理论,建立了单晶压电振子等效阻尼系数的理论模型。理论分析并实验验证了基板材料性能,结构尺寸以及截面形状等不同因素对等效机械阻尼及电阻尼的影响规律。最后,制备了3组不同形状尺寸的压电振子样品,并进行了冲击振动试验来验证理论分析结果。研究表明,压电材料层对整体阻尼的影响主要取决于基板与压电材料的弹性模量比;压电材料每个振动周期的电能损耗与悬臂梁长度的三次方成正比,与宽度成反比;而决定振幅放大因子的阻尼比并非随结构尺寸单调变化。实验结果与理论模型的误差为2.5%~14.7%,证明了理论模型的可靠性。分析表明,在可承受极限载荷相同的情况下,静态特性最优的变曲面悬臂梁动态特性并非最佳,得到的结果对于压电振子的优化设计具有现实意义。     

压电纤维致动器的率相关偏置迟滞建模及补偿

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维（macro fiber composite,简称MFC）换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简称RDBBPI)迟滞模型,并进行了前馈补偿控制研究。首先,针对MFC致动柔性结构的静态偏置迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述系统的对称迟滞特性,并通过叠加死区算子来捕捉其双极性偏置特性,建立了MFC致动器的静态双极性偏置PI(bipolar bias PI,简称BBPI)模型;其次,确立迟滞环斜率与驱动信号速率之间的线性关系,得到描述MFC致动器动态迟滞特性的RDBBPI模型;最后,进行了实验验证。实验结果表明：所提出的RDBBPI模型能够很好地捕捉不同频率下MFC致动柔性结构的动态迟滞特性;在基于RDBBPI模型的前馈补偿下,MFC致动柔性梁构件的实测振动位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后结构实测位移与期望轨迹之间的线性度误差为4.62%,证实了所提RDBBPI模型对MF...     

芳纶-玻纤混杂纤维增强橡胶基密封复合材料制备工艺研究

介绍了芳纶-玻纤混杂纤维增强橡胶基密封复合材料(NAFC)的压延成张工艺,分析了影响材料性能的制备工艺参数,如拌料顺序、拌料时间、辊筒线速比、硫化时间等。并以板材的横向抗拉强度为指标通过试验对关键工艺参数进行了优选。优选得到的最佳工艺条件为,投料顺序:将橡胶液、填料预混后,然后加入预混后的芳纶、玻纤、海泡石;拌料时间:12~16min;辊筒线速比:1.04~1.06;硫化时间:30min。对采用优选工艺制备得到的混杂纤维增强NAFC材料的性能测试结果表明该材料具有较高的强度、优良的耐热性和耐介质性能,可在工程实践中替代石棉橡胶板使用。     

芳纶-预氧化丝混杂纤维增强橡胶基密封复合材料的配方设计及优化

选择橡胶粘结剂、增强纤维、增容组分作为试验因素，以芳纶-预氧化丝混杂纤维增强橡胶基密封复合材料（NAFC）高温时效处理后的残余横向抗拉强度为指标，采用3分量有下界约束的混料回归设计法对NAFC材料的配方进行了优选，得到了模压制备工艺下混杂纤维增强NAFC材料的最优配方。并对该材料的应力松弛率、压缩回弹率、泄漏率和耐油性等基本性能进行了测试，其基本性能达到了中国国家标准的要求，且部分指标已接近或超过了国外知名企业同类产品的水平。     

碳纤维在吸波材料中的应用

介绍了隐身材料的特性,分析了吸波材料的吸波机制,探讨了吸波材料的分类,阐述了常见吸波材料的优缺点、国内外碳纤维吸波材料的最新研究进展及碳纤维的主要应用领域,展望了碳纤维未来的发展趋势。     

碳纤维复合材料电磁特性研究

测试了碳纤维复合材料层合板的有关电磁参数。数据表明，随着电场方向与纤维方向夹角的增大，材料的ε′r值增大而tgδe值减小，铺层呈现极大的各向异性，然后，应用时域有限差分法（FDTD法）分析了复合材料整体电磁特性。     

一种短切碳纤维增强塑料强度的预测方法

高性能纤维增强的先进复合材料中,短切碳纤维增强塑料因在性能上的多面性及较低的制作成本而极具吸引力.综合前人的研究成果推导了短纤维增强复合材料的强度混合法则公式,并用纤维长度效应来修正短纤维复合材料中的轴向应力分布的不均匀性,建立模型来正确估计各种参数对强度的影响规律.以短切碳纤维增强PTFE复合材料为例说明强度预测的正确性,为新材料的应用及新型结构的设计提供了依据.     

碳纤维及其复合材料的发展和应用

介绍了碳纤维的性能及其特性,概述了碳纤维的发展史,包括国外和国内。分析了碳纤维复合材料的特性和应用,着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能,并指出了其研究前景。     

连续纤维复合材料快速原型工艺基础研究

为采用快速成形方法制造连续纤维复合材料件进行的探索。研究了纤维在浸胶过程中纤维的牵引速度，牵引力和胶液粘度对复合材料含胶量及纤维及胶液浸润性的影响，进而设计了相应的一条工艺过程，为以后制作结构合理的喷头装置打下了基础。     

橡胶基密封复合材料中混杂纤维增强效应的研究

分别选用芳纶纤维、预氧化丝纤维以及两者构成的混杂纤维作为增强纤维制备了非石棉纤维增强橡胶基密封复合材料(NAFC),以材料高温时效处理后的残余横向抗拉强度为指标,研究了不同增强纤维对NAFC材料高温性能的影响。利用扫描电镜(SEM)分析了材料拉伸断面形貌,探讨了混杂纤维增强机制,分析了混杂效应系数的主要影响因素,研究了混杂效应系数与材料横向抗拉强度和应力松弛率之间的关系。研究结果表明,采用混杂纤维作为增强纤维可大大提高NAFC材料的耐高温性能,混杂纤维构成的网状结构中纤维间的相互作用限制了两者间的相对位移,有效抑止了裂纹的传播。采用纤维混杂效应系数可以较好地表征混杂纤维增强NAFC材料的力学性能。     

碳纤维复合材料铣削加工研究进展

介绍碳纤维增强树脂基复合材料的特点、应用现状和加工难度,综述近10年碳纤维增强树脂基复合材料铣削机理(刀具磨损、切削力、表面质量、切屑形成机理)的研究进展,并讨论其将来的研究趋势。     

Effect of thermal properties on laser cutting of continuous glass and carbon fiber-reinforced polyamide 6 composites

The single mode fiber laser cutting of two types of continuous fiber-reinforced thermoplastic composites (TPC) with polyamide 6 (PA6) matrix and a fiber content of 60 wt% was investigated: a glass fiber-reinforced composite (PA6/GF60) and a carbon fiber-reinforced composite (PA6/CF60). Preliminary, the thermal properties of the composites were analyzed to derive the cutting mechanisms. Thermogravimetric Analysis (TGA) showed decomposition onset temperatures of 457.6°C for the PA6 matrix and 737.3°C for the carbon fibers, while no thermal decomposition of the glass fibers was detected up to 1,000°C. In consequence, the single mode fiber laser cutting of the PA6/GF60 composites required a significantly higher number of cutting cycles in conjunction with an increased heat affected zone (HAZ) as compared to the PA6/CF60 composites. Analysis of the HAZ and the mechanical properties of the laser cut composites by optical microscopy and uniaxial tensile testing showed an anisotropy and dependency on the laminate structure. However, the obtained mechanical properties of the laser cut composites were found comparable to their water jet cut counterparts.