充气薄膜褶皱分析的高效互补有限元列式

褶皱变形是柔性薄膜结构的一种常见的失稳模式,其数值模拟具有挑战性。基于连续体和张力场理论,提出了一种适用于充气薄膜结构褶皱分析的互补共旋有限元方法。采用共旋坐标法,将物体的大变形分解为结构整体坐标系下的刚体运动和单元局部坐标系下小应变变形,推导了一个空间三节点三角形膜单元的切线刚度矩阵。该刚度矩阵包含材料刚度、旋转刚度和平衡投影刚度矩阵三个部分,涵盖了随动载荷对单元刚度的影响。在单元局部坐标系下,依据双模量材料本构关系构造了一个褶皱模型,能够判断单元处于“张紧”“褶皱”或“松弛”状态。进一步通过建立等价的线性互补问题,消除了迭代求解过程中的内力振荡,改善了算法的稳定性。数值算例表明:该文方法能够准确地预测充气薄膜结构的位移、应力以及褶皱区域。较之已有的“拟动态”和“惩罚”方法,该方法不需要引入额外的求解技术来保证收敛,具有良好的稳定性。     

空间卷曲折叠管充气控制展开动力学研究

充气展开管是大型空间充气展开结构的基本支撑部件,该文针对柔性卷曲折叠管,采用刚体平面运动理论分析了有无阻尼控制的展开过程,并提出了分段式充气控制体积有限元模型,模拟了空间环境下卷曲折叠管的展开动力学。最后对卷曲折叠管在阻尼控制下进行了充气展开测试,试验结果与数值模拟结果相一致。这表明:采取一定控制展开的卷曲折叠管能作为空间充气展开结构的控制展开方式;数值模拟是有效的,可为空间环境下的展开过程提供一定依据。     

T型柔性薄膜热电偶响应速度测试及其应用

比较分析T型柔性薄膜热电偶与传统热电偶丝在响应速度动态性能方面的差异,研究其对恒温金属浴温度偏差的校准方法。结果表明,T型柔性薄膜热电偶采用二维结构,相比传统一维结构的热电偶丝具有更高的稳定性和更快的响应速度,能够更好地对瞬变温度进行测量。在恒温金属浴温度校准测试中,T型柔性薄膜热电偶能更好地贴合于测试孔内,适应柔性曲面的测温需求,具有更高的测量准确度。     

大扁平比胎侧解析刚度建模及轮胎动力学分析EI北大核心CSCD

针对重载轮胎大扁平比结构建模问题,从动力学建模、实验模态分析、结构参数辨识等方面,基于解析弹性基础的欧拉梁模型,对重载轮胎的柔性胎体和大扁平比胎侧曲梁的低频动力学特性开展研究,建立了考虑充气预紧力的欧拉梁胎体模型,利用实验模态方法,探究了不同充气压力下的柔性胎体振动特性;考虑胎侧曲梁预紧力弦效应和结构弯曲效应,建立了大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型;基于模态测试结果,进行柔性胎体与解析胎侧结构参数辨识。研究结果表明:在0~180 Hz频率范围内,重载轮胎以结构周向弯曲振动为主,可利用基于弹性基础的柔性梁模型表征;大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关;轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度,进而影响轮胎弯曲振动特性。     

受弯充气锥台的褶皱特性分析

充气锥台是空间充气膜结构的主要承载力构件单元之一,膜面褶皱是导致其承载力降低的关键因素。该文基于薄膜理论分析了受弯充气锥台的褶皱特性。借助褶皱的应力判定准则对褶皱特征参数进行了预报,得到了初始起皱位置和起皱力随充气锥台两端半径比的变化规律,并得到了数值分析结果的验证。该文的结果为空间充气薄膜结构的承载能力预报提供重要依...     

联合整体和局部动态信息的空间桁架模型修正试验

由于土木工程结构的复杂性、传感器测点的有限性以及局部损伤的不敏感性等问题,大型结构的模型修正存在一定困难。针对空间桁架结构,为克服上述问题,对其进行整体和局部的动力测试试验,然后联合实测的结构整体和局部动态信息进行模型修正：首先进行空间桁架整体的动力测试试验,获得反应整体特性的低阶模态;然后为了提高局部杆件的动态特性,在杆件上附加一定质量,获得附加质量后杆件的局部主频率,并在各类杆件中选取一定数目进行动态测试;最后联合所有实测结构整体的低阶模态和杆件的局部主频率,对空间桁架结构进行模型修正。修正后的模态参数与实测模态吻合良好,验证了方法的有效性。     

基于视频测量的运行状态模态分析

视频测量技术通过摄像机记录被测结构的振动过程,采用图像处理方法实现对结构上测点的多目标跟踪,具备全场非接触、测试过程简便、测量精度高等突出优点。基于摄像机成像模型,采用光束法平差提取出结构测点三维方向位移振动信息,每个测点等效于一个三轴"微位移传感器",对多测点目标跟踪可视为多通道同步数据采集。对摄像机成像系统进行校准,依照结构形状特性分布测点,由结构静止时各测点的空间位置构建出测试结构的几何模型,进行视频采集和多目标跟踪获取各测点动态响应数据,采用运行状态模态分析方法,识别出被测结构的固有模态参数。基于视频测量实现了测试结构几何建模和信号采集,并与模态分析软件紧密结合,形成了完整的视频采集与分析系统,具备良好的空间域展现能力,特别适用于柔性低频结构的动态测试与分析。以轻质风扇叶片、若干树叶等结构为对象进行实验研究,验证了该技术和方法的有效性。     

柔性传感冲击波瞬态压力测试方法

针对爆炸场冲击波毁伤效应评估需求,研究一种柔性传感冲击波瞬态压力测试方法。在平面或弧面基底上研制专用的PVDF柔性薄膜传感器,通过存储测试技术记录压力信号,此方法适用于爆炸现场不同环境的测试。通过激波管校准系统分析薄膜传感器的动态特性,上升时间为100μs,可用于测量爆炸场冲击波压力。研制适用于柔性传感器的微型存储测试系统,以FPGA为控制核心,体积小于1 cm3,采样速率为1 MHz,存储容量为1 Mbit。利用小当量爆炸物进行冲击波的压力测试试验,结果表明,测试系统可初步应用于瞬态压力测试,可通过改进薄膜粘接工艺改善动态性能。     

动载荷时域半解析识别方法

基于模态空间转换、离散数据最小二乘拟合与模态叠加原理,提出一种动载荷时域半解析识别方法。通过模态空间转化将动载荷识别问题转化为模态坐标函数识别问题,以结构特性参数与已知自由度上的动响应为输入,利用最小二乘拟合得到模态坐标的拟合函数,根据叠加原理与结构动力学控制方程,识别出结构时域动载荷。分别用计算仿真与试验测试得到的时域加速度响应作为输入,实现时域动载荷的识别。识别结果与真实动载荷对比表明,本文的识别方法能较准确地识别结构动载荷值及载荷作用部位。     

基于结构特征的柔性机器人动态性能优化研究

以改善柔性机器人的动态性能为目的,提出了对机器人的拓扑结构进行改进以优化其动态性能的想法.利用支杆引入一种局部运动,通过动力学耦合的方式改善机器人的动态性能.利用模态理论,将机器人的振动控制转换到模态空间中.通过规划支杆的局部运动构造合适的模态控制力,起到消减激振力、获得期望阻尼特性的作用,以此对柔性机器人的低阶振动进行控制.最后,通过仿真算例验证了这种方法的有效性.     

高阻尼黏弹性阻尼器性能与力学模型研究

对2个高阻尼黏弹性阻尼器进行不同应变幅值、加载频率下的力学性能试验和疲劳性能试验,研究试件在不同工况下的最大剪应力、存储剪切模量、损耗剪切模量和等效黏滞阻尼比等力学性能及其变化规律,提出五单元模型模拟黏弹性阻尼器的滞回性能。研究结果表明：黏弹性阻尼器滞回曲线饱满、稳定,具有较高的等效黏滞阻尼比,表现出良好的变形性能和耗能能力;黏弹性阻尼器力学性能与应变幅值的相关性明显,与加载频率相关性较小,抗疲劳性能较好;五单元模型模拟的滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好。     

弹簧和补偿环用辅助密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响研究

In actual operation of a gas face seal, its stator ring’s ability to track its rotating seal ring’s axial endplay and angle swing (i. e. , its tracking property) is crucial, its excellent tracking property can reduce the influence of external disturbances on the seal stability. Here, a gas face seal assembly was simplified into a spring-damper-mass system. Using the perturbation method based on the linearization, the gas film dynamic stiffness and damping coefficients were solved. Then, the effect laws of stiffness and damping of spring and secondary seal on the tracking property of gas face seal were investigated. Gas face seals had three different end face structures including dynamic pressure one, hydrostatic pressure one and dynamic-hydrostatic pressure hybrid one. Results showed that the three types of seal possess perfect axial and angular tracking properties when stiffness and damping are less than a certain order of magnitude; with increase in stiffness and damping, the tracking property of gas face seal becomes poorer; under the same conditions, the dynamic pressure gas face seal has the best tracking property, followed by the dynamic-hydrostatic pressure hybrid one, and the last is the hydrostatic pressure one.     

Vibration characteristics of SMA composite beams with different boundary conditions

Recently, the development of shape memory alloy (SMA) actuators, in the forms of wire, thin film and stent have been found increasingly in the fields of materials science and smart structures and engineering. The increase in attraction for using these materials is due to their many unique materials, mechanical, thermal and thermal-mechanical properties, which in turn, evolve their subsequent shape memory, pseudo-elasticity and super-elasticity properties. In this paper, a common type of SMA actuator, Nitinol wires, were embedded into advanced composite structures to modulate the structural dynamic responses, in terms of natural frequency and damping ratio by using its shape memory and pseudo-elastic properties. A simple theoretical model is introduced to estimate the natural frequency of the structures before and after actuating the embedded SMA wires. The damping ratios of different SMA composite beams were measured through experimental approaches. The natural frequencies changed slightly at a temperature above the austenite finish temperature of composite beams with embedded non-prestrained SMA wires. However, the increase of the natural frequencies of the beams with embedded prestrained SMA wires were found in both the theoretical prediction and experimental measurements. The damping ratios of SMA composite beams increased with increasing the temperature of the embedded wires with and without being pre-strained. Compressive and local failures of the beams with high wire content are a possible explanation.     

Experimental Determination of Inflatable,Braided Tube Constitutive Properties

The primary objective of this study was to conduct constitutive tests of relatively large diameter inflatable, braided fabric tubes at different inflation pressures and braid angles in order to quantify the longitudinal modulus, in‐plane shear modulus and effective lamina stiffness properties. The stiffness properties quantified here are of high interest because the same braided fabric tubes have been used in the construction of test articles for a major, multi‐year, ground based test campaign led by the United States National Aeronautics and Space Administration. These properties are also input directly into high‐fidelity yet computationally intensive 3D shell‐based finite‐element simulations of the large, inflatable structures. Experimental methods employed during this study included tension–torsion testing, uniaxial tension testing of individual fibre tows, and uniaxial tension testing of gas bladder coupons. Digital image correlation was used to measure all of the geometric information that is necessary to perform netting theory calculations. The test results indicate that fabric in‐plane shear modulus is highly dependent on both braid angle and inflation pressure, but that longitudinal stiffness is quite small and relatively unaffected by braid angle and pressure. In addition to advancing the state‐of‐the art in experimental constitutive property determination of inflatable, braided fabric, this study includes the development of a method to back calculate lamina properties from the experimental results that are suitable for use as input to commonly used finite‐element programmes. The digital image correlation data revealed spatial variation of shear strain that was important to consider when computing the gross shear stiffness. Digital image correlation data also captured the braid surface flattening with increasing inflation pressure, which supports the fibre de‐crimping theory.     

层间过渡约束阻尼结构动力响应的分布参数传递函数解

针对传统约束阻尼结构振动能耗散有限问题,引入“层间过渡层”设计的概念,提出一种层间过渡约束阻尼结构,采用分布参数传递函数法对该结构进行了动力响应分析。经推导,得到了阻尼结构的各阶损耗因子和频率的解析解,并进行了有限元仿真验证,二者计算结果吻合良好。以悬臂阻尼板为例,探讨了过渡层参数行为对其频响特性的影响,结果表明,在结构振动时,过渡层可将变形传递给阻尼层,起到放大阻尼层的剪切变形作用,从而耗散更多的振动能量;同时还讨论了过渡层的厚度、剪切模量、密度与泊松比对结构固有频率和损耗因子的影响,为进一步优化工作打下了良好基础。     

非平稳激励下薄板结构减振附加阻尼层的拓扑优化

讨论了附加阻尼层的薄板结构在非平稳随机力作用下以减振为目标的阻尼材料层的拓扑优化问题。建立了以阻尼材料的相对密度为设计变量,以结构非平稳响应位移方差最小化为目标和阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。由于结构受到非平稳随机激励作用,其随机响应可以采用时域显式法快速求解;随机响应方差对设计变量的灵敏度采用了基于伴随变量法的时域显式法进行分析,并采用优化准则法求解优化问题。数值算例验证了所提方法在非平稳随机激励作用下进行动力拓扑优化减振的可行性与有效性。     

压膜阻尼对原子力显微镜振动特性的影响研究

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)在轻敲模式下工作时,随着探针针尖与样品距离的逐渐减小,空气压膜阻尼的作用随之增大。为研究压膜阻尼对原子力显微镜振动系统的影响,分别使用无针尖探针和微球针尖探针进行扫频实验,并基于振动理论将该过程简化,得到了两种不同的振动模型的系统刚度。在考虑压膜阻尼作用影响后,将微球针尖振动系统模型进一步简化为一维振子模型,并对压膜阻尼的影响进行讨论。实验表明空气压膜阻尼模型对于探针样品在微尺度下的作用过程是准确合理的。该结果对原子力显微镜轻敲模式研究具有重要意义。     

水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能,利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量,获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式,比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明,较相同面密度的单层板,蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形,提高夹层结构整体抗冲击性能。     

空间充气膨胀展开结构的可控刚化技术

刚化技术是空间充气膨胀展开结构的一项关键技术。Adherent Technologies有限公司的技术人员首次提出了“可控刚化”（Rigidization On Command—ROC）技术概念,利用此技术ILC Dover公司制造了空间充气膨胀展开结构的示范支撑管件。和传统的刚化技术相比可控刚化技术有许多优点,此技术可控、清洁,适用于空间的特殊环境。作者对空间充气膨胀展开结构刚化技术、可控刚化技术、可控刚化技术所用材料和紫外光（UV）固化复合材料进行了简单介绍。可控刚化技术可靠性高,固化后复合材料的机械性能好,为空间充气可膨胀展开结构提供一种急需的刚化技术,能满足充气膨胀展开结构多项任务的需要。