厚膜电容微位移传感器的非线性误差分析

分析了用于PZT形变-力传感-位移量传递模式实时检测的厚膜电容位移传感器的非线性问题,对传感器弹性膜片产生挠性形变以及位移检测带来的非线性问题做了系统的分析并给出了在小挠度形变情况下电容计算公式.仿真结果表明:在电容极板间隙为50μm、膜片厚度为0.55 mm、工作半径为10 mm、膜片中心偏移量为5 μm的情况下,与普通极板电容计算公式相比,采用小挠度形变电容计算公式可使位移检测精度提高4.74%.     

孔槽型平膜片爆破性能研究

本文对低压孔槽型平膜片进行了详细的应力应变分析,发现膜片的爆破失效取决于膜片内圈小孔中心圆直径截面上的拉伸强度。通过理论分析和实验研究,提出了孔槽型平膜片的爆破压力计算公式。同时发现膜片的爆破压力与内圈小孔中心圆直径d呈线性变化关系,爆破系数K对一定材料是一定值。实验结果表明,用本文公式计算孔槽型平膜片的爆破压力,完全符合工程要求。     

高压大型天然气快开盲板用C形橡胶圈密封性能分析

针对国内高压大型天然气过滤器快开盲板用C形橡胶密封圈,利用ABAQUS建立其有限元模型,分析密封槽宽度、内压、初始密封间隙、材料硬度、槽口倒角半径、钢圈直径对其性能的影响,得到这些参数的合理取值范围。结果表明：材料硬度对密封圈密封性能的影响较小,密封槽宽度对密封可靠度有一定影响,随密封槽宽度增加,最大接触压力呈下降趋势,密封可靠度有所降低;随着内压的增加,最大接触压力与内压的差值呈增大趋势,密封可靠性增加;随初始密封间隙增加,应力增加,密封可靠度有所降低;密封槽口倒角半径对密封圈剪切破坏的影响较大,倒角半径增大密封圈发生局部剪切破坏的可能性增大;钢圈直径对C形橡胶圈应力应变影响较大,钢圈直径增大,剪切应力呈减小趋势。     

大口径激光发射系统卷帘式密封结构优化设计

为满足某车载大口径高能激光发射系统密封要求,设计了一种采用卷帘覆盖压紧密封原理的密封结构,以密封窗口整体重量、一阶频率和卷帘中心挠度三者为优化目标,应用集成优化方法,依托ANSYS workbench软件平台对密封窗口结构尺寸进行优化,优化后的密封窗口整体重量为7. 25 kg,一阶频率为1 356. 8 Hz,卷帘中心挠度变形为6. 075 9mm。密封窗口轻量化效果明显,各项指标均满足设计要求。该密封窗口设计可为同类型大口径激光发射系统的密封结构设计提供思路和参考。     

圆弧槽流体动压型机械密封的性能研究

以核主泵用圆弧槽流体动压机械密封为研究对象,建立了端面液膜压力控制方程,应用有限元法分析了稳态工况下圆弧槽几何结构参数对密封性能参数的影响,以在较高液膜刚度条件下获得较低泄漏量为几何参数的优化准则,得到了密封具有优良综合性能的几何参数优选范围.结果表明:当槽深比为2.0～6.0,槽数为8～24,槽宽范围在0.75 mm至端面外内半径之差的1/2,圆弧槽内半径小于和等于时端面外内半径之差的1/2时,密封具有优良综合工作性能.     

含预制裂纹的弧形膜片压力控制技术研究

为了满足双药室发射时对弹丸启动压力的精确控制,并同时解决另一药室可能出现的串火隐患,设计了一种含预制裂纹的弧形膜片。利用三维建模软件完成了膜片的初始模型设计,膜片主体部位为一拱形薄膜,其中凹面为正面,凸面为反面。凹面中含有预制刻槽,通过改变刻槽的深度,可以调节正向冲破压力,实现对弹丸启动压力的控制。凸面的拱桥形结构则使膜片具备了反向承压的能力。使用数值计算的方法建立了双药室弹药的内弹道计算数学模型,得到了两个药室各自的压力-时间曲线。通过有限元分析软件对所建立模型进行了分析,将所计算的内弹道结果作为仿真输入条件,仿真结果验证了所设计的膜片结构具备正向冲破,反向承压的能力,并得到了膜片的大致尺寸。利用仿真结果进行了进一步优化设计,制造出不用刻槽深度的膜片进行选型试验,试验结果表明所设计膜片采用2.5mm刻槽深度时能够满足双药室发射的使用需求,对变威力发射及压力控制技术的研究具有一定的指导意义。     

一种超长悬臂零挠度机械结构设计

在某大型实验装置中,需要设计零挠度的超长悬臂筒体作为其核心部件。该部件通过端部支架支撑,完全独立悬臂。为实现该结构的零挠度,通过研究"预上翘挠度补偿"原理,确定了预上翘角度理论计算及采用双楔形垫片调节预上翘角度的方法。并根据该部件的材料参数,对构件的挠度、调节角度和双楔形垫片旋转角度进行了具体的分析设计,结构优化及仿真分析。设计出中心轴线直线度优于2mm、悬臂结构末端挠度为零、总长度达20.2m的悬臂筒体,并实现了工程应用。     

位移载荷对水下井口头密封总成外凸缘接触应力的影响

为探究驱动套筒位移载荷对密封体外凸缘接触应力的影响,构建密封总成力学模型,采用该模型可以直观地描述密封总成的受力情况。利用ANSYS有限元分析软件,研究不同位移载荷对密封总成外凸缘接触应力的影响。研究结果表明:当环槽宽度、外凸缘半径不变时,接触应力随着过盈量的增大而增大;当环槽宽度、过盈量不变,外凸缘半径为3.5 mm时,接触应力达到最小值;在相同外凸缘半径条件下,接触应力随着位移载荷的增大而增大,且增幅有上升的趋势;外凸缘半径、过盈量不变时,接触应力随着环槽宽度的增大逐渐减小,减幅相对较小;环槽宽度相同时,接触应力随位移载荷的增大而均匀增大。研究结果可为密封总成结构的设计和位移载荷的确定提供理论指导。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料(PSQ)作为压力敏感膜片制作了F-P传感器.室温下在0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

基于挠度指数的隔膜压缩机膜腔的结构优化

为了解决隔膜压缩机中膜片经常破裂的问题,以某FB型隔膜压缩机为原型,对膜片组运行机理进行研究,探索膜腔挠度指数变化时对膜片运行情况的影响。基于薄板大挠度理论计算得出膜片上下表面所受应力最大的位置,通过改变膜腔挠度指数,得出膜片所受应力最小的膜腔型线。运用有限元分析软件进行模拟仿真,结果验证了膜片上表面的中心处和膜片下表面的边缘处最易破坏,同时得出膜腔型线的挠度指数在2.9时,可使膜片的上下表面所受应力最小且应力强度几乎相等,优化后的膜片所受径向应力相比优化前下降了14%左右,延长了膜片的使用寿命。     

异径弯管的无力矩环向应力解析解

提出以异径管单位高度（长度）的直径变化程度作为反映异径管结构特征的无因次量，并定义为异径系数。根据异径弯管横截面管径随经向弯角而变化及其锥形结构的两个特点，推导了内压作用下异径弯管无力矩环向应力武，最大环向应力位于大端内侧。该武可以作为工程中常见回转壳无力矩环向应力式的任意条件式，等径弯管、直管及异径直管的环向应力公式均是异径弯管环向应力武的一个特定条件的特例，本质上这些公式均是环向应力的薄膜解。计算环向薄膜应力时，一般来说．工程中各种鼻径管与连接直管之间的边缘应力可以忽略。     

基于局部截面构型优化的双稳态结构跳跃阈值控制与设计*

双稳态结构正反行程跳跃阈值不相等引起的驱动困难是制约其工程应用的瓶颈问题。基于大变形有限元理论分析了影响双稳态结构跳跃过程的关键因素,引入跳跃阈值力、稳态保持力以及双稳态特征系数(二者的比值)作为描述双稳态特征的指标,提出了基于局部单元截面构型优化的双稳态跳跃阈值控制方法,建立了具有特定跳跃力学特征的双稳态结构优化设计模型,以局部单元的截面尺寸、个数及位置为设计变量,采用分步优化的方法,得到了几类具有不同双稳态特征系数的余弦梁新构型,分析了变截面单元厚度及布置方式对跳跃阈值及路径的影响关系。数值仿真结果表明,局部截面构型改变前后双稳态结构的跳跃时间及振动频率变化不大。考虑试验加载位置与夹持条件对双稳态特征系数的影响,仿真与试验结果基本一致,验证了所提出的双稳态结构跳跃力控制方法的有效性。     

A 3-DOF Pseudo-Rigid-Body Model for Tension-Based Compliant Bistable Mechanisms

Compliant bistable mechanisms, devices with two distinct stable equilibrium positions, are used in a variety of applications, such as switches, clasps, and valves. Many kinds of compliant bistable mechanisms were proposed and studied during the past decade. Among them, tension-based compliant bistable mechanisms, that incorporate tension pivots as their flexible members, feature in short travel distance and low power consuming. So far, the design of this kind of bistable mechanisms is done using finite element method through trial and error, thus is time-consuming. By treating the tension pivots as fixed-guided segments and their elongation as a spring, we developed a novel three degree-of-freedom (3-DOF) pseudo-rigid-body model (PRBM) for this kind of bistable mechanisms. The principle of virtual work is used to derive the force-deflection relationship of the PRBM model. The comparison between the PRBM results and the experimental results of the force-deflection characteristics shows that the PRBM can predict not only the bistable behavior of the tension-based bistable mechanisms, but also their soft spring-like post-bistable behavior and the spring-like force-deflection characteristics when pulling in the reverse direction from the as-fabricated position, which is called reverse behavior. The 3-DOF PRBM can be used to design and identify tension-based bistable mechanisms. Using the PRBM instead of the trial-and-error method can greatly reduce the development time of this kind of bistable mechanisms.     

平面双稳态柔性微机构的优化设计

讨论了一种平面双稳态柔性微机构的设计问题。首先给出了机构稳定平衡位置的物理含义 ,建立了两种类型平面双稳态柔性微机构的伪刚体模型。提出了一种允许设计者随意指定稳定平衡位置点的具有较大自由度的优化设计方法 ,建立了优化数学模型及相应的约束准则 ,采用一种改进的遗传进化算法获得了全局最优解。根据所得的最优解对双稳态柔性微机构进行了分析 ,结果表明该设计方法是有效的     

基于幂函数型双稳随机共振的故障信号检测方法

在实际的故障诊断中,有用信号经常淹没在噪声中,特征信息提取非常困难。为了提取强噪声背景中的微弱信号,将幂函数型单势阱模型与Gaussian Potential模型相结合提出一种新型的双稳随机共振系统,称为幂函数型双稳随机共振系统。首先,以平均信噪比增益为衡量指标,提出一种寻找最优系统参数组合的算法,使微弱信号、噪声及系统产生最佳的共振效果;然后,基于幂函数型双稳随机共振系统对Levy噪声背景下的仿真信号进行检测;最后提出一种基于小波变换和幂函数型双稳随机共振的微弱信号检测方法并应用于轴承故障信号检测中。仿真实验表明,幂函数型双稳随机共振模型在故障信号检测中是有效和可靠的。     

点接触弹流润滑入口凹陷的速度域

利用等效黏度将circular流变模型整合进通用Reynolds方程,获得点接触弹流润滑入口凹陷的控制方程。采用多重网格法及多重网格积分法进行数值求解,研究卷吸速度变化导致的入口凹陷变化过程,讨论载荷、黏度、黏压系数、钢球半径及弹性模量对入口凹陷速度域的影响。结果表明：随着卷吸速度的增大,入口凹陷深度从0增大到最大值,然后再减小到0;入口凹陷出现的卷吸速度随着载荷、黏度、黏压系数及弹性模量的增大而减小,随着钢球半径的增大而增大;入口凹陷消失的卷吸速度及入口凹陷的速度域都随着载荷及钢球半径的增大而增大,随着黏度、黏压系数及弹性模量的增大而减小。     

Natural Characteristic of Thin-Wall Pipe under Uniformly Distributed Pressure

Natural characteristics of thin?wall pipe of the compressor under uniformly distributed pressure were presented in this paper based on a cylindrical shell model. In the traditional method, the beam model was usually used to analyze the pipe system. In actual fact, the pipe segment of the compressor was always broken in the form of a long crack or a partial hole and the phenomenon was hardly explained by beam model. According to the structure characteristic of compressor pipe segment, whose radius is large and thickness is little, shell model shows the advantage in this kind of pipe problem. Based on Sanders' shell theory, the vibration di erential equation of pipe was established by apply?ing the energy method. The influences of length to radius ratio(L/R), thickness to radius ratio(h/R), circumferential wave number(n) and pressure(q) on the natural frequencies of pipe were analyzed. The study shows: Pressure and structural parameters have a great e ect on the natural characteristics of the pipe. Natural frequency increases as the pressure increases, especially for the higher mode. The sensitivity of natural frequency on pressure becomes stronger with h/R ratio increases; when L/R ratio is greater than a certain critical value, the influence of the pressure on natural frequency will no longer be obvious. The value of n corresponding to the minimum natural frequency also depends on the value of pressure. In the end, analysis of the forced vibration of a specific pipeline model was given and the modal shapes were illustrated to understand the break of the pipe. The research here will provide the theory support for the dynamic design of related pressure pipe and further experiment study should be employed.     

电活性双稳态机构及其在软体机器人中应用的研究进展

电活性双稳态机构兼具电活性材料的仿人工肌肉快速电致变形能力及双稳态机构在两个位置上精准定位的特性,是新一代具有主动响应能力的机械机构,在航空航天、医疗康复、生物仿生等机器人领域中具有重要的应用前景。综述梳理和分析近十五年内电活性双稳态机构的研究成果,按照运动方式可分成面内运动与离面运动,按照结构设计可分成一体化与非一体化。通过增加额外的机械机构,可将电活性双稳态扩展为三稳态,将静态驱动扩展为动态谐振驱动。基于电活性双稳态机构的软体机器人具有更精准的位移输出和更迅速的运动响应,可实现多物体的自适应抓取、仿生弹舌驱动,变刚度等功能,以及发展具有在陆地、水下和空中的运动的柔性软体机器人。目前的电活性双稳态机构在设计方法、控制机制、稳态状态调控、制造技术中存在诸多前沿问题,需要机械、力学、材料等多学科知识的交叉融合。     

内压作用下弯管环向应力解及其分析

根据力平衡原理分别按弯管的内外拱方向和中性线方向推导出内压下弯管的两条环向应力公式，针对两条公式相似而又有明显区别的问题，通过内拱区与外拱区的环向应力大小定性比较分析，发现前者较后者所反映的环向应力分布呈内拱大外拱小的不平衡状态程度更大，通过环壳内压爆破实验结果远低于理论值的定量比较对此证实。结论认为，内压作用下的弯管结构属于有力矩旋转壳，整体环壳第二弯曲半径由外拱区的正半径变化为内拱区的负半径，引起应力性质的变化，只考虑薄膜应力的弯管内压爆破理论存在不安全的因素。     

多孔端面液体机械密封摩擦性能的数值分析

为了研究多孔端面机械密封的摩擦性能,应用ANSYS CFX软件对密封端面间的流场进行数值模拟,得到不同工况参数和微孔结构参数下密封端面液膜的剪切应力分布云图,并对计算结果进行分析。研究表明:剪切应力主要作用于非孔区;介质压力和微孔深度对剪切应力分布影响较小,而降低转速、减小介质黏度、增大微孔半径可以有效地减小剪切应力,降低端面的摩擦损失,延长密封的使用寿命。