静电致动圆形微泵膜片的变形计算

针对静电驱动微泵（micropump）多能量域系统仿真中存在计算量大的问题,基于弹性力学小挠度变形理论和微机电系统中的静电驱动理论,建立了静电力驱动下圆形微泵膜片（membrane）的变形曲面方程,采用伽辽金加权残值法得到膜片变形和泵腔容积变化的半解析式,结果显示膜片的变形和泵的容积变化与驱动电压的平方成正比．采用本文公式建立微泵系统宏模型（macromodel）或集中参数模型,有助于提高微泵系统仿真的计算效率．     

新型静电驱动双向平动MEMS变形镜(英文)

设计了一种新型静电驱动双向平动的MEMS变形镜,其结构包括3部分:中央下电极,4个静电驱动杠杆结构以及反射镜面(上电极).该变形镜有两种驱动模式:向下驱动模式和向上驱动模式.在向上驱动时,4个杠杆结构实现了位移的放大;向下驱动时,利用了非线性弹性系数法扩展了镜面的平动范围.采用表面硅工艺完成了变形镜的加工.通过白光干涉仪对变形镜的测试表明:在向上驱动模式下,变形镜在驱动电压为31 V时位移达到1.1μm;在向下驱动模式下,变形镜在6 V的驱动电压下位移达到1.1μm.变形镜的总行程为2.2μm,达到了同样工艺下传统变形镜的3倍左右.     

剪切可变形梁热过屈曲解析解

该文导出了面内热载荷作用下,梁过屈曲问题的精确解。首先基于非线性一阶剪切变形梁理论,推导了控制轴向和横向变形的基本方程。然后,将3 个非线性方程化简为一个关于横向挠度的四阶非线性积分-微分方程。该方程与相应的边界条件构成了微分特征值问题。直接求解该问题,得到了热过屈曲构形的闭合解,这个解是外加热载荷的函数。利用精确解,得到了临界屈曲载荷的一阶结果与经典结果的解析关系。为考察热载荷、横向剪切变形以及边界条件的影响,根据得到的精确解给出了两端固定、两端简支以及一端固定一端简支边界条件下的具体数值算例,讨论了梁在面内热载荷作用下的过屈曲行为,并与经典结果进行了比较。该文得到的精确解可以用于验证或改进各类近似理论和数值方法。     

螺栓与被连接件间轴向相对刚度的修正计算

螺栓连接结构的载荷分配比例和螺栓与被连接件间的轴向相对刚度密切相关。为了更准确地求解螺栓连接结构中螺栓与被连接件间的轴向相对刚度，基于被连接件垂直于螺栓轴的各受压层压应力均匀分布与非均匀分布形式下的轴向压缩变形量解析式，结合有限元仿真结果，提出了被连接件压缩变形体起始直径的修正公式及轴向压缩变形量的修正解析式。通过提取仿真应力值，对压应力理论修正方程、压应力仿真拟合方程进行积分计算。对比计算结果发现：用仿真拟合方程计算得到的被连接件压缩变形体轴向压缩变形量与用理论修正方程计算得到的变形量的误差小于2.5%，这说明用仿真拟合方程求解被连接件压缩变形体的轴向压缩变形量具有较高的精度。研究结果表明：修正起始直径与夹紧长度、螺栓头与螺母支承面直径呈线性关系。压应力非均匀分布下，用被连接件压缩变形体轴向压缩变形量的修正解析式求解螺栓与被连接件间轴向相对刚度时，误差小于2%，表明该修正解析式能够较为准确地计算螺栓与被连接件间的轴向相对刚度。在修正起始直径的基础上，基于被连接件各受压层压应力非均匀分布的轴向相对刚度计算结果比基于均匀分布的更准确。研究结果为理论研究和实际工程中准确分析螺栓的受力情况提供了一定参考。     

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF2HCl4NH4 Cl4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的也.横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2/μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.     

热过屈曲梁振动的解析解

该文导出了面内热载荷作用下, 梁在其过屈曲构形附近微幅振动的解析解。首先基于经典梁理论, 推导了控制轴向和横向变形的基本方程。然后, 将2 个非线性方程化为一个关于横向挠度的四阶非线性积分-微分方程。假设梁的振幅以及由此引起的附加应变为无限小, 另设其响应为谐振, 则该非线性积分-微分方程将化为两组耦合的微分方程:一组控制非线性静态响应;另一组就是叠加于梁屈曲构形之上的线性振动方程。直接求解这些问题, 可以得到梁热过屈曲构形以及固有频率的解析解, 这些解是外加热载荷的函数。该文得到的精确解可以用于验证或改进各类近似理论和数值方法。     

静电排斥驱动六边形MEMS微镜

为消除静电吸引型微镜因存在静电吸合效应而导致的短路现象,基于电场的非均匀分布可以产生静电排斥力的原理,设计了一种静电排斥型六边形微机械反射镜.微镜包含7组驱动电极,最大的一组驱动电极由镜面和其正下方的六边形下电极组成,其他6组分别位于微镜的各条边上,其中3组为梳齿结构,另外3组为U形弹簧,镜面由3组U形弹簧支撑.利用有限元软件对微镜频率响应和暂态响应特性进行了仿真,结果表明谐振频率高达7kHz,暂态响应时间小于0.0003s.利用表面硅工艺加工出了样片,并用白光干涉仪对其静态位移特性进行了测试,在50V直流电压下微镜位移量为0.7μm.由结果可知该微镜可消除静电吸合效应.故该微镜不仅可用于对反射光进行光程和相位的调制,也可用于自适应光学系统中波前畸变的校正.     

轴向运动粘弹性夹层梁热力耦合振动频率分析

研究了温度场与位移场相互耦合时,轴向运动粘弹性夹层梁的横向振动特性。基于Euler-Bernouli梁理论和Kelvin粘弹性材料本构关系,建立了轴向运动粘弹性夹层梁横向振动控制方程;考虑材料变形与传热的相互影响,得到相应的热力耦合状态下轴向运动粘性夹层梁的耦合控制方程。采用Galerkin截断得到相应的热力耦合动力系统。用数值方法分析了相关热参数对梁振动频率的影响。     

转动柔性梁横向振动的一种近似解法

通过随体坐标系的建立分析做定轴转动的刚柔耦合系统的变形运动,在考虑柔性梁轴向、横向变形和截面弯转的情况下,采用Green应变理论分析系统的几何非线性.然后用微元法从应力-应变的角度得出了系统的动力学方程.在考虑梁的几何非线性的同时,通过忽略其轴向变形,得出一个描述转动梁横向振动的强非线性方程.最后采用一种改进的L-P法求得了方程的一阶近似解,通过与能量法所得结果的比较表明,所得近似解有较好的精度.     

柔性仿人机械臂设计与动力学仿真

为优化仿人机器人手臂设计,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法对动力学方程进行解耦;编写了自适应变步长求解算法;在ADAMS虚拟样机和MATLAB上对水平面内的柔性手臂运动进行了仿真,人体手臂的运动仿真在虚拟样机进行．以人体手臂运动为参考,对比分析了变截面和等截面手臂的柔性变形,比较6种不同材质手臂运动中的末端横向变形量．仿真结果表明：等截面的仿人手臂运动可以近似等效为人体手臂的运动;柔性仿人手臂末端轴向变形量远小于横向变形量,对要求不高场合可以适当忽略柔性手臂的轴向变形;ABS材质的仿人机器人手臂柔性和人体手臂较为接近;改变ABS材质手臂的截面高度,可使得仿人手臂末端柔性和人体手臂一致,且振动主频和人体手臂固有频率不同．     

摩托车车架多轴向多激励道路模拟试验方法研究

为在室内比较全面考核摩托车车架在实际道路行驶载荷作用下的疲劳可靠性,结合车架有限元分析建立了摩托车车架道路载荷谱采集方法,并对道路载荷谱进行了采集和分析。在分析摩托车车架实际行驶受力情况基础上,基于远程参数控制技术,结合美国MTS液压伺服作动器和控制系统,设计并搭建了一套多轴向多激励摩托车车架道路模拟试验平台,并提出了力-位移混合控制的道路载荷谱模拟迭代方法。结合所采集的摩托车车架道路载荷谱,采用力加载控制和惯性加载控制混合加载控制方式,在室内对摩托车车架道路载荷谱进行了高效准确的模拟,并建立了摩托车车架多轴向多激励道路模拟试验方法,为在室内考核摩托车车架的疲劳可靠性提供了一种行之有效的方法。     

轮带系统横向振动变结构控制方法

针对由主从动轮、作动器及皮带构成的典型轮带系统模型,皮带横向振动与主、从动轮及作动器振动相耦合,其横向位移受主、从动轮及作动器影响,给出皮带在谐波激励下横向振动位移精确表达式,利用变结构理论,采用指数趋近律设计出有效控制力以控制张紧臂方向,从而抑制皮带横向振动。在初始条件和与激励作用下,利用Matlab进行数值仿真。结果表明：在谐波激励下,皮带横向振动位移得到有效抑制,验证控制力的有效性。     

尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性分析

为了深入研究尺蠖型压电驱动器的性能,分析了尺蠖型压电直线驱动器的工作原理,研究了直线动子对驱动器性能的影响．通过实验方法分析了钳位机构调整前后对钳住稳定性的影响．采用驱动器输出单步位移的步距失稳系数和驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率的方法评价尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性．经实验测试发现驱动器的步距失稳系数与驱动电压关系密切,当驱动电压较高时,驱动器具有较好的步距稳定性．驱动器的驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率分别为1．8％和9．07％,说明所开发的驱动器具有很好的运动稳定性．     

基于径向励磁和永磁-电磁联合驱动的主动平衡执行器

在线主动平衡系统因可实时抑制旋转设备运行过程中的不平衡振动,在高端机床和航空发动机等高端装备领域具有重要应用价值.平衡执行器作为主动平衡系统的终端执行机构,其性能参数决定了平衡系统的整体指标.对已有电磁滑环式平衡执行器的轴向励磁方法进行了改进研究,提出了一种基于径向励磁和永磁-电磁联合驱动方法的新型执行器结构,通过建立...     

Electromechanical analysis of a symmetric piezoelectric/elastic laminate structure: theory and experiment

The dynamic characteristics of a piezoelectric laminate cantilever structure treated as an actuator are analyzed by electroelasticity. General formulation of calculations for displacement sensitivity, electric current, electromechanical coupling coefficients, and results from parametric analyses are presented for axial expansion/contraction, transverse bending, and expansion/contraction-bending coupled motion. The frequency response of displacement and electrical current and the displacement sensitivity were experimentally measured. Close agreement between theoretical and experimental results confirms validity of the theory.     

基于视觉的微机器人结肠镜运动导航

设计出一种用形状记忆合金驱动的头部转动机构和一种基于视觉的控制算法,用其进行了微机器人结肠镜在肠道内的自主导航研究.建立了转动机构模型,推导出记忆合金弹簧位移和偏转角度之间的关系.针对人体腔道内图像特点,使用腐蚀生长法找到腔道中心,反推出头舱的偏转角度和记忆合金弹簧位移.基于Preisach模型,提出了记忆合金驱动的前馈控制算法,进行了数字仿真和猪大肠内离体试验.结果表明,控制算法偏转误差小于2.6°,具有良好的实时性.该系统灵活可靠、控制方便,为主动式无创诊疗内窥镜的临床应用奠定了基础.     

巨磁致伸缩自适应精密驱动和振动控制

针对巨磁致伸缩系统的自适应精密驱动和微振动控制系统,结合受控自回归滑动平均模型(CARMA)与递推增广最小二乘法（RELS）相结合对巨磁致伸缩驱动器（GMA）实现在线模型辨识;分别用不同类型的信号作为输入,辨识模型能精确描述GMA输出位移,辨识误差达0.23 %;将改进的广义预测控制算法（MGPC）应用于GMA的闭环位移控制,与最小方差自适应控制（MVSTR）相比,MGPC具有更好的实时性和更高的控制精度,在0～10 μm给定位移下,其驱动控制误差达0.143 μm。最后基于上述CARMA模型和MGPC算法对GMA隔振系统进行微振动控制实验,抑制效果达到20 dB。该研究结果对精密工程及航天振动控制应用具有一定的价值。     

A numerical study of the behaviour and failure modes of axially compressed steel columns subjected to transverse impact

In this study a numerical simulation of the behaviour and failure modes of axially compressed steel column subjected to transverse impact by a rigid mass at different impact speeds and locations is presented. Firstly, the capability of the present numerical model to trace the response and to predict different failure modes of transversely impacted beams and columns with and without axial compressive force has been validated. These failure modes include plastic global failure, tensile tearing failure and transverse shear failure. The validation was performed by comparing simulation results in term of the contact force, deformation shape, failure mode and the maximum transverse displacement with available published experimental test results by others. The progressive damage and failure model available in ABAQUS/Explicit has been utilized in the present numerical models to account for material shear and tensile tearing failure under impact. Comparisons between the experimental and simulation results confirmed that the numerical models were able to accurately predict the aforementioned failure modes. Thereafter, a parametric study has been conducted to investigate the effects of several parameters on the response of axially loaded steel column, based on the results of which simplifying assumptions on column behaviour under impact can be made to develop appropriate design calculation methods for steel columns under such loading conditions.     

On the dynamic behavior of piezoelectric sensors and actuators embedded in elastic media

Summary Embedded piezoelectric sensors can be used to monitor the mechanical behaviour of structures for damage detection. This paper provides an analytical study of the dynamic behaviour of piezoelectric sensors embedded in elastic media under high frequency electromechanical loads induced by piezoelectric actuators. A generalized sensor/actuator model taking account of the deformation in both transverse and longitudinal directions of the piezoelectric sensor/actuator is developed. The dynamic load transfer between the sensors/actuators and the host medium is studied using Fourier transform method and solving the resulting integral equations in terms of the interfacial normal and shear stresses. Detailed numerical simulation is conducted to study the relation between the deformation of the sensor and that of the host medium under different loading conditions. The results show the significant effect of the geometry, the material combination and the loading frequency upon the behaviour of the sensor.     

A numerical approach for predicting the failure locus of fiber reinforced composites under combined transverse compression and axial tension

A computational model based on the finite element method is presented for the estimation of strength of a fiber-reinforced lamina subjected to a combination of the transverse compression and axial tension. A complex damage mechanism including fiber breakage, fiber/matrix debonding and matrix plastic deformation is reproduced in the proposed model by using appropriate constitutive equations. The numerical simulation of mechanical response of the unidirectional lamina under biaxial loading is used to obtained the failure locus. Subsequently, the model is verified against an analytical solution and experimental data. It was found that the numerical calculations agree better with experimental results than analytical predictions.