颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr-Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.     

Coupled numerical and experimental analyses of load transfer mechanisms in granular-reinforced platform overlying cavities

A numerical model based on Finite Element Method (FEM) - Discrete Element Method (DEM) coupling is used to reproduce well controlled laboratory experiments that simulate circular cavity openings under granular embankments reinforced by a geotextile. The numerical deflection of the geotextile, the surface settlement and the soil expansion factor were investigated for various embankment heights, diameter ratios, cavity-opening modes, soil properties, and geotextile stiffnesses, and then compared to the results of laboratory tests. The load transfer mechanisms were also investigated. Good agreement between numerical and experimental results is shown, thus demonstrating the relevance of the numerical model. Complementary to the experiments, a numerical sensitivity analysis, that allows highlighting the influence of the main parameters and improving experimental observation, was also performed.     

ZrO2增韧Al2O3颗粒增强Fe45复合材料拉伸断裂的有限元-离散元耦合方法仿真ZrO2增韧Al2O3颗粒增强Fe45复合材料拉伸断裂的有限元-离散元耦合方法仿真

采用有限元-离散元耦合方法（FEM-DEM方法）,进行了氧化锆增韧氧化铝颗粒增强Fe45复合材料（ZrO₂-Al₂O₃/Fe45）轴对称代表体元模型的拉伸断裂仿真分析。分析了FEM-DEM模型对单元尺寸的敏感性,结果表明采用,二阶实体单元加双零厚度内聚力单元的FEM-DEM模型降低了计算结果对单元尺寸的敏感性。ZrO₂-Al₂O₃/Fe45复合材料拉伸断裂的模拟结果表明,颗粒形状对裂纹的扩展会产生较大影响,复合材料的开裂首先在垂直于拉力方向的界面处发生,界面裂纹扩展至基体应力集中处之后基体发生开裂,裂纹由开裂的界面和基体裂纹共同组成。      

抛物线壳体软模成形FEM-DEM耦合仿真研究

针对一些形状复杂、具有局部特征的难变形薄壁构件的成形问题,提出固体颗粒介质成形(Solid granules medium forming, SGMF)技术。并以薄壁的抛物线壳体零件为例,分析零件的特征及成形难点;基于ABAQUS平台,自行编制程序对抛物线壳体SGMF成形过程进行有限元法(Finite element method, FEM)和离散元法(Discrete element method, DEM)耦合仿真分析,探究不同摩擦因数对工件SGMF的影响。研究表明,FEM-DEM耦合分析技术兼顾离散颗粒介质与连续体板材各自的变形特点,能较准确模拟金属板材SGMF成形过程,并采用该耦合分析技术确定该抛物线壳体零件的最佳成形工艺参数;最后在模拟结果的基础上,开展抛物线壳体零件的颗粒介质成形试验研究,并成功试制出合格工件,试验结果与FEM-DEM耦合模拟结果基本吻合。     

基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸仿真分析

目的 建立有限元–离散元耦合的喷丸模型,研究喷丸参数对空心稳定杆内壁残余应力场的影响规律。方法 基于ABAQUS有限元分析软件和“先整体后局部”的建模方法,建立26MnB5钢空心稳定杆全段和局部FEM–DEM喷丸模型,并对模型进行残余应力验证。通过局部喷丸模型研究弹丸撞击角度、速度、表面覆盖率和喷丸流量对稳定杆第4弯折处内壁残余应力场分布的影响规律。结果 残余应力场分布的实验值与仿真值的误差在7%以内,验证了模型的准确性。随着弹丸撞击角度的增大,最大残余应力和残余压应力层深也会随之增大,并在60°后达到饱和;当弹丸速度为80 m/s和100 m/s且弹丸数量为1∶1时,表面残余应力和最大残余应力分别约为?926 MPa和?1 309 MPa;随着弹丸覆盖率的增大,表面残余应力和最大残余应力均增大,但增幅变缓,在覆盖率为200%后基本达到饱和;随着喷丸流量的增大,表面残余应力和最大残余应力先增大后减小,在1.2 kg/min时达到最大值,分别约为?649 MPa和?1 049 MPa。结论 基于FEM–DEM的空心稳定杆内壁喷丸模型能够很好地预测残余应力场的分布,该研究为空心稳定杆内壁喷丸工艺的数值模拟提供了研究思路和理论支持。