中小口径次镜支撑结构的动力学性能分析

针对口径在800mm以内的中小口径次镜支撑结构,采用有限元分析方法,利用Ansys软件时其梁片的厚度、长度及在支撑结构中的位置进行了一阶谐振频率及轴向变形分析.仿真结果表明在遮拦比一致的情况下,系统口径的增加导致次镜支撑结构的一阶谐振频率下降很快.当口径较小时,不同支撑结构的刚度都较好,由此引起结构谐振频率变化不大但都能很好的满足要求,因此可以选择加工工艺最简单的结构.而当口径较大时,不同结构的谐振频率差别较大,其中最高的为四翼偏置结构,但在不同口径时,几种结构的谐振频率的数值变化规律是相同的.当口径超过650mm时改变梁片厚度,结构的一阶谐振频率会相应变化,其中变化最大的为三翼对称结构,对相同的梁片厚度四翼偏置结构的谐振频率最高且轴向变形最小.     

空间望远镜主次镜支撑筒结构优化设计

为研究大口径望远镜的性能与稳定性,针对主次镜支撑筒结构初始方案刚度不足、次镜镜架刚度偏低等问题,展开了详细分析,并采用无源结构拓扑优化的手段对其进行优化设计,获得了镜筒结构的主要传力路线、确定了结构设计目标.进而针对镜筒主要结构参数开展了影响因素研究,并详细设计了具体方案.结果表明:优化后质量为47.4 kg,径向变形与轴向变形分别为14.5μm与14.3μm;一阶模态为114.8 Hz.相比初始方案,质量提高了14.5%;径向与轴向变形量分别减小了34.3%和37.0%,模态提高了42.8%. 1 m口径主次镜望远镜支撑筒结构的优化设计提高了结构的整体性能..     

复杂三维外形旋翼气弹稳定性分析

针对带有后掠、下反构型的复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题进行分析。基于中等变形梁理论以及Hamilton原理，在桨叶运动学描述中引入节点转换矩阵在有限元总体阵组集中引入变形相容原则，建立面向复杂三维外形旋翼的结构动力学模型，并在算例验证的基础上针对复杂三维外形旋翼气弹稳定性问题展开参数影响分析。研究表明：桨尖后掠引起挥舞-扭转结构负耦合效应，造成一阶扭转模态频率和模态阻尼比降低，一阶扭转模态阻尼最大降低90%;桨尖下反引起摆振-扭转结构正耦合效应，造成二阶摆振模态频率降低，一阶扭转模态阻尼比最大降低62%,采用后掠带下反设计会大大降低扭转稳定性。     

弱粘接结构中谐振频率特性

为了研究弱粘接结构界面波动特性,利用弹簧模型方法研究了水-铝-粘接剂-铝-水多层结构中的波动特性,并利用界面刚度系数的变化研究了反射系数与谐振频率之间的变化关系以及谐振频率的漂移规律,通过粘接层厚度的变化研究了谐振频率阶数的变化规律.理论分析和数值计算结果表明:粘接层厚度较薄时,弱粘接结构的谐振频率出现双峰现象;粘接层厚度较厚时,弱粘接结构的谐振频率将会出现多峰现象,且随着粘接层厚度的增加,粘接结构将会出现多阶谐振频率。     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

高超声速机的固定阶鲁棒控制器的设计

在采用现代控制理论设计方法对高超声速飞行器的控制系统的设计中,一般会生成高阶的控制器,而当对这些控制器予以实现的时候又会产生较大的不可接受的时间延迟。本文针对这个问题,应用了一种在控制器设计之前即限制控制器维数的方法来设计固定阶的H∞控制器,同时采用了一种控制器的规范实现以及同伦算法。最后,本文还设计了一种固定阶的μ控制器,它与全阶补偿器具有相似鲁棒性,但却显著地降低了控制器的复杂度。     

磁致伸缩驱动器的结构设计与输出特性研究

基于Fe-Ga磁致伸缩材料,设计了一种新型结构的磁致伸缩驱动器.基于材料的磁化模型,应用有限元软件和模态分析技术研究了驱动器的输出特性.研究发现,当对驱动器的2个驱动线圈通入反向电流时,驱动器在径向的谐振频率为1 000 Hz,在谐振频率处的径向输出位移为52 m,轴向输出位移为1.7 m.对磁致伸缩驱动器的2个驱动线圈施加同向电流时,驱动器在轴向的谐振频率为7 808 Hz,在谐振频率处的轴向输出位移为14 m.通过实验研究了磁致伸缩驱动器的输出特性,结果表明实验与仿真计算结果基本一致,证明研制的驱动器具有实用价值.     

望远镜主镜支撑用液压缸研究与设计

液压支撑系统作为大型望远镜的主镜支撑得到了越来越广泛的应用，而支撑液压缸是液压支撑系统的关键技术，液压缸的轴向刚度又是液压缸设计的关键参数。本文给出一款利用滚动薄膜作为密封件的液压缸设计，并在考虑存在残留空气的情况下，分析了液压缸轴向刚度，得到了此种情况下液压缸的轴向刚度理论表达。发现存在残留空气会显著降低液压缸的轴向刚度，而提高初始压强则会提高液压缸的轴向刚度，在实际应用中0.5MPa初始压强可以保证液压缸刚度达到10N/μm。     

Whiffletree结构中的柔节设计

针对某空间遥感器大口径反射镜采用的复合支撑结构的定位、解耦和释放热应力需求,设计了一种空心圆柱切槽式的柔节。根据该柔节在支撑结构中的功能,采用传统材料力学公式和有限元仿真相结合的手段开展柔节结构件的设计。该柔节可以约束沿柔节轴向的自由度,释放垂直轴向的方向的自由度,该柔节结构简单,并且很实用。采用有限元和试验的方法,对柔节在设计载荷下沿轴向的变形量和径向的变形量进行了仿真和测试,沿轴向的变形量为0.002mm,沿径向的变形量为0.113mm,该柔节满足支撑结构的解耦要求。     

微波谐振腔内壁水膜对腔体特性的影响

应用微波谐振腔微扰理论分析了圆柱形谐振腔内壁水膜对腔体谐振频率和品质因数产生的影响,通过理论推导得到了由水膜引起的谐振频率偏移和品质因数变化的解析式,并对工作于9.6GHz的TE011模圆柱谐振腔进行了仿真分析,给出了谐振腔的谐振频率和品质因数随水膜厚度不同而发生变化的仿真曲线。结果表明,当水膜厚度小于10μm时,水膜对谐振腔的谐振频率和品质因数的影响可以忽略;当水膜厚度超过20μm时,需要考虑水膜的影响,对测量结果进行校正。     

基坑工程首道内支撑采用P-CFST的工程实例研究

针对北京地铁17号线某盾构竖井基坑工程开挖深度大、作业空间小的难点,围护结构首道支撑位置采用新型装配式钢管混凝土（简称P-CFST）支撑结构,扩大了支撑间距,便于基坑开挖、出土和支撑架设作业. 利用ABAQUS软件建立三维有限元模型,开展基坑开挖全过程数值模拟. 在工程实施过程中,对支撑轴力、围护桩水平位移、桩顶水平位移和地表沉降进行系统监测,保证了P-CFST支撑和钢支撑组合支护下的基坑施工安全,研究盾构竖井围护结构变形的空间效应、地表沉降曲面形态、不同位置处的支撑轴力关系等. 由模拟和监测结果的分析表明：围护桩同一深度上变形呈现抛物线形状或“盆形”,空间效应对盾构井围护结构变形的影响主要发生在距离基坑阴角小于8 m的范围内;基坑附近地表沉降等值线形状经过“圆弧形”-“陀螺形”-“梯形”变化,最大地表沉降位置经历由近及远、再向基坑靠近的移动过程;首道P-CFST支撑轴力对地层开挖、支撑架设等工况的影响更加敏感,大于架设深度更大的2、4道钢支撑轴力. 盾构竖井基坑工程内撑式围护结构首道支撑选用高刚度、高承载力的P-CFST内支撑,扩大了设计间距,围护结构和周围地层变形得到了有效控制.     

单负材料平面微腔结构的共振模研究

利用传输矩阵法研究了由单负材料构成的平面微腔结构的共振模特性。研究表明,腔模频率主要由腔中介质的物质参数和结构参数来决定。单负材料层的厚度影响共振模的线宽,随厚度增加而谱线变窄。单负材料损耗的存在,影响共振模的透射率,使腔内局域电场减小。选择合适的单负材料层厚度,可使腔中局域电场达到最大。还研究了斜入射时腔模的偏振特性,在一定条件下可实现TM腔模的全向透射,用以设计全向滤波器。     

一种薄膜体声波谐振器的设计与验证

为简化薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计,提出一种薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计方法。仿真结构由诱导层和其上层的电极层-压电层-电极层的三明治结构组成。在最优有效机电耦合系数下确定初始薄膜体声波谐振器的薄膜厚度;然后确定诱导层厚度及其相应的频偏值;使用频偏值补偿并联谐振频率,重新计算补偿后的薄膜体声波谐振器中电极层与压电层的最优厚度比值,并使用COMSOL Multiphysics进行仿真验证。当并联谐振频率为3.60 GHz时,100 nm的氮化铝的频偏值为0.20 GHz。氮化铝的有效机电耦合系数最优为5.907%,进行频率补偿后,氮化铝的串联谐振频率和并联谐振频率分别为3.48 GHz和3.60 GHz,设计方法得到了验证。诱导层有效地优化了压电层C轴特性,减少了能量损耗。     

电容式非制冷红外焦平面阵列设计及优化

提出一种基于MEMS工艺弯折双材料悬臂梁结构的电容式非制冷红外焦平面成像阵列（FPA,Focal Plate Array）。并利用软件CoventorWare对器件的物理学特性进行有限元模拟分析。发现FPA的温度响应度和位移响应度与辐射能量呈线性关系;得到热时间常数、位移、温度灵敏度与铝膜与二氧化硅厚度比的关系,并得出当比率为0.5～0.6时位移响应最大,100μm×100μm和50μm×50μm两种尺寸器件的位移灵敏度峰值分别为0.061nm/pW.μm^-2和0.008nm/pW.μm^-2;随着器件尺寸的增大,其探测能力增强,瞬态响应降低;计算了吸收面与探测极板间的吸合附电压,得到100μm×100μm面板的吸附电压为3.625V～3.750V之间,50μm×50μm面板的吸附电压为10.250V～10.375V之间,以及器件尺寸与吸附电压间的关系.     

基于有限元分析的超声椭圆振动切削装置设计

超声椭圆振动切削技术(Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting, UEVC)是近年来发展起来的一种超精密加工技术,其加工装置的结构设计是当前研究的难点之一。本文通过分析现有的超声椭圆振动切削装置,设计了一种基于圆弧型柔性铰链结构的超声椭圆振动装置,利用有限元分析工具对该装置进行模态分析,找出了影响其谐振频率的关键结构参数并用全局优化模块优化参数,使装置的某一阶纵振和弯振模态的谐振频率一致,同时对该装置进行了多场耦合分析以预测不同相位下的刀尖运动轨迹。仿真分析表明,后盖板长度的变化会引起纵振和弯振模态谐振频率的显著改变,而底座厚度的变化对纵振和弯振模态的谐振频率几乎都没有影响,顶端长度的变化仅对弯振模态的谐振频率有一定程度的影响。基于上述仿真分析及优化,制造出UEVC装置的样机并测量其谐振频率和振动特性,测量结果显示该装置的谐振频率测量值与仿真结果吻合较好,所开发的装置能在谐振状态下输出椭圆轨迹,同时可通过调节施加电压的幅值和相位来使刀尖输出不同的椭圆轨迹,能用于脆性材料微结构曲面的加工。此外,对该超声椭圆振动切削装置施加频率与装置谐振频率一致的交流电时,其纵振和弯振的振幅将随电压幅值的增加而线性增大,其中弯振振幅对电压幅值的变化更为敏感。     

频域响应函数评估管道壁厚

管道的腐蚀和阻塞直接影响管道壁厚变化,为此,推导频域响应函数评估管道壁厚变化.通过连续方程和动量方程推导系统场矩阵,提出基于频域响应函数管道壁厚评估模型.通过频域响应压力函数(h)和峰值数目(m)对管道壁厚变化位置和壁厚变化长度进行精确评估,并且通过实验对理论方程进行验证,定位误差小于4%.由于壁厚改变程度直接影响共振峰偏移,最终通过建立频域响应模型评估管道当前状态.     

基于合成射流的无阀压电泵性能

提出了一种可以实现连续出流的大流量无阀压电泵,该泵基于合成射流原理,其输出流量大于泵腔体积变化量.为了分析微泵流动特性及内部流场,建立其三维模型并采用CFX软件进行数值模拟.结果表明:泵腔高度、进口直径和出口直径是影响该泵性能的3个主要因素;进出口间距和泵腔直径对流量的影响较小;在一定速度范围内,对空气和水2种介质的计算结果进行了分析,发现在较小速度范围内2种介质的计算结果相差较大,在较大速度范围内二者相差较小.进口直径为2 mm,出口直径为1 mm,泵腔高度为3 mm,频率f=100 Hz,喷口最大雷诺数Re=750时,流量为24 m L/s,容积变形量为1.12.     

富水区隧道渗流场解析解及合理支护参数

以复势函数和地下水力学理论为基础,引入双极坐标描述等势线,推导由围岩、注浆圈和初期支护组成的富水地区隧道渗流场解析解,获得隧道注浆前后初期支护外水头的水头差公式. 通过与保角变换法、镜像法和数值模拟计算结果对比,验证所提解析方法的合理性. 通过研究隧道注浆圈、初期支护的渗流参数与初期支护外水头、渗水量及水头差的关系,提出隧道结构合理渗流参数的确定方法. 结果表明：减小初期支护渗透系数或增大初期支护厚度都可致渗水量减小且水头增大;水头差随初期支护渗透系数或厚度增大先增大后减小,当水头差处于峰值时,注浆圈能发挥较大的作用,初期支护外水头可以降至全水头的30%±6%.     

热态气压胀形聚碳酸脂板材盆形件有限元分析

为了研究聚碳酸酯板材在热气压胀形过程中的几何形状变化、应力、应变分布及璧厚等参数的变化情况,利用DYNAFORM软件对板厚为4 mm、直径100 mm聚碳酸酯盆形制件加工过程进行数值模拟,并且得出了相应的结论.分析表明:聚碳酸酯板材在均匀增压至某特定数值时,有一个突然的变形.在纬向应变分布,璧厚分布及位移变化所得的云图中均有一个临界圆,这使得制件的璧厚从临界圆到压边圈的厚度逐渐增加.实验结果与有限元分析结果一致.     

压电圆环厚度振动分析

应用压电本构方程,通过分析圆环径向小体元的振动,将其等效为长度伸缩振动模态,以简化圆环的运动方程,推导其径向厚度振动的谐振频率。采用有限元分析法对圆环进行建模仿真,计算出圆环谐振频率,并用阻抗测量法实测圆环实体振动进行比较,结果表明圆环厚度为4～9 mm时吻合较好。