基于能量有限元法的功能梯度梁振动分析

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于其优良的结构性能和重要的应用价值,近些年来得到了广泛的研究和关注。采用能量有限元法对功能梯度梁和耦合梁的弯曲振动特性进行研究,推导了功能梯度材料梁的能量密度控制方程、能量有限元矩阵方程以及耦合梁的能量有限元方程,从而得到梁中的能量密度和能量流。以一简支功能梯度梁为例,分别采用该方法和传统有限元法计算了梁弯曲振动时的能量密度,通过对比验证了能量有限元法求解的准确性。在此基础上进一步对耦合功能梯度梁结构的能量密度和能量流进行了求解,得到其能量分布特征。该研究为基于能量有限元法分析复杂功能梯度材料结构的振动特性提供了理论基础。     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

基于刚度匹配的汽车保险杠防撞梁改进设计

为提高某汽车保险杠防撞梁的吸能和经济性,基于刚度匹配原理对其进行改进设计.搭建有限元仿真平台,对40%偏置静压试验进行模拟分析,验证了仿真方法的有效性;考虑设计功效、制造成本与维修费用等因素,提出了包含横梁弹性变形、吸能盒塑性变形和横梁塑性变形三阶段的防撞梁合理变形模式;结合变形与刚度的关系,提出了防撞梁刚度匹配模式;以调整结构及材料参数为途径,针对原防撞梁变形不够合理的缺点进行了改进并验证.结果表明:改进后的防撞梁总吸能更多,达到吸能充分的要求;通过满足刚度匹配关系,实现了防撞梁合理变形模式.     

基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究

针对单一方法对结构同时发生多处不同程度损伤识别的不敏感性缺陷,本文结合小波变换在时域、频域内表征信号局部特性且能够聚焦到信号或函数的任意细节进行处理的能力,提出了一种基于单元模态应变能和小波变换的结构损伤识别方法。在单元模态应变能基础上,利用小波变换系数的变化和分布情况构建单元模态应变能小波变换结构损伤指标,通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型试验研究的结果与单元模态应变能平均变化率作为损伤识别指标的计算结果进行对比,结果表明该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度,为实际工程应用奠定了基础。     

体外预应力梁动力特性的能量法分析

不引入解析法中体外筋预拉力增量与梁中点振动位移成正比的假设,提出用能量法分析体外预应力梁动力特性。由于不引入解析法中的假设,梁自振频率也更准确,与数值解吻合良好。计算结果表明：解析法低估了体外筋对第1自振频率效应;高估了对第2自振频率效应;体外预应力筋对第1自振频率影响较大,对高阶的频率影响很小,可以不考虑其影响;随着体外筋面积和偏心距的增加,梁的第1自振频率也随之增加。在理论上,体外预应力能减小梁的自振频率,而体内预应力对梁的自振频率没有影响     

Optimization of wide-band linear arrays

An optimization method is proposed for linear arrays to be used in ultrasound systems under wide-band operation. A fast algorithm, the threshold accepting, has been utilized to determine the element positions and weight coefficients of a linear array that generates a desired beam pattern. To reduce the computational burden in the optimization procedure, an efficient numerical routine for the beam pattern evaluation has been implemented. We address the optimization problem of both dense and sparse wideband arrays. In the first case, the goal is to minimize the side-lobe energy by varying the element weights; we compare the optimized beam pattern with that obtained with classical shading functions, showing that better results can be achieved with a wide-band optimization. We also consider the optimization of the layout (positions and weights) of a sparse linear array to achieve a desired beam pattern with a fixed or minimum number of array elements. The comparison of the proposed method with a narrow-band optimization algorithm is presented, showing that better performances (about -7 dB further reduction of the side-lobe level) can be achieved with a wide-band sparse array optimization. Further numerical simulations are given, showing that the proposed method yields better results than wideband sparse random arrays and periodic arrays with the same aperture width     

Equivalent crack based mode II fracture characterization of wood

This paper reports a numerical study of the end notched flexure Pinus pinaster wood specimen. The main objective was to validate a data reduction method based on the equivalent crack concept, in order to avoid well-known difficulties in monitoring crack propagation. A cohesive linear softening damage model based on developed interface elements was used to simulate crack propagation. The equivalent crack proposed was related to the fracture process zone, whose effect on the perceived critical strain energy release rate was assessed. The equivalent crack was incorporated in a compliance-based beam method, which provided accurate values of the mode II critical strain energy release rate, G_IIc. Furthermore, compliance-based beam method does not require crack measurements during end notched flexure tests and additional tests to obtain elastic properties.     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

考虑剪滞效应的薄壁曲梁有限单元法

本文以最小势能原理为基础,考虑剪力滞后效应和翘曲扭转(包括二次翘曲剪切)的影响提出了一种用于分析单室或多室曲线薄壁箱型梁桥力学特性的曲梁单元,推导了单元刚度矩阵、等效节点荷载列阵。作为验证,在算例中对一双室曲线薄壁箱型梁模型的静力特性进行了分析,并将本文数值结果与试验结果和板壳有限元方法所得结果进行比较后证明了本文方法是有效的。     

A method for measuring the high voltage of a low energy Van de Graaff accelerator

A simple method for measuring the operating high voltage of a small positive ion Van de Graaff accelerator was developed. It is based on the determination of the end-point energy obtained from the X-ray radiation spectra. The accuracy of the proposed method is better than 1%. Most of these accelerators have an associated magnetic beam analyzer and/or generator voltmeter gauges that require calibration. The proposed method can be used to calibrate these instruments.     

A multichannel energy filter comprising a cylinder with closed ends and an axial filament electrode

A new electrostatic multichannel deflector providing energy filtration of charged particles is proposed. The device comprises a cylinder with closed ends and an axial filament electrode. The potential profile in the system is analytically calculated. The main parameters of the energy filter are calculated for a charged particle beam injected and extracted via grounded end faces. Owing to a small azimuthal beam size compared to the cylinder perimeter, the proposed system is quite compatible with one-to four-channel dynamical monopole mass spectrometers, providing energy-filtered beam deflection to a detector.     

中低频集中质量悬臂式簧片仪基频分析方法研究

簧片仪是一种中低频冲击响应谱测量装置,设计时可将其简化为端部附带集中质量的悬臂梁。簧片仪的振型方程中存在超越函数,对于等截面簧片仪来说,可使用二分法等数值方法求解,计算量较大,该方法不适用于复杂截面簧片仪基频设计。首先利用悬臂梁自由端受集中力的挠度公式,推导出其等效刚度等效单自由度的弹簧振子系统,利用弹簧振子相关频率公式解决求解集中质量等截面悬臂梁的基频问题,该方法与振型方程求解的基频对比,发现在10 Hz以下的中低频区域,可以很好的保证等截面悬臂梁的基频精度,大于10 Hz的中频段,误差随频率的升高而迅速增大。接下来,通过Mohr积分的方法,推导出等强度集中质量悬臂梁自由端的最大挠度,并给出其基频的设计公式,该方法与试验进行对比,发现误差与等截面悬臂梁有相同趋势,因此利用瑞利能量法修正设计公式中的质量参数,修正后与实验误差在5%左右。经理论与试验验证,所提出的簧片仪设计方法简单可行、计算结果可信。     

电子束中Boersch效应的实验研究

在现代电子光学与电子束技术研究中，Boersch效应作为离散空间电荷效应的一个主要特征，越来越引起了人们的重视。本实验设计并制作了一台观察和测量Boersch效应的实验装置，并进行了动态真空实验。实验装置的电子光学系统包括层流电子枪、聚焦透镜、准直透镜和拒斥场分析器等部分。对实验结果及数据进行了处理和分析，观测到了电子能量分布的反常增宽现象并测量了能量分布曲线。当束腰区束流为微安量级时，测得的电子能量分布宽度为1～3eV，并且得出了随着束流强度的增加能量分布展宽的近似规律。     

柔性梁几何非线性/后屈曲分析的改进势能列式方法研究

针对基于Updated-Lagrangian列式的能量方法存在：1) 由于位移模型的近似性而带来虚假节点力;2) 在分析节点空间转动效应上存在争议;3) 势能高阶项由于物理概念不明确给简化列式带来困难等问题,提出描述柔性梁构件有限位移过程受力状态变化的势能列式方法。根据连续介质力学极分解定理,将典型增量步内单元内力势能分解为刚体变位下初始节点力势能和自然变形中积累的初始节点力势能和应变能,推导了满足刚体运动检验和变形后节点受力平衡的空间梁单元几何刚度矩阵。建立全面反映构件非线性大位移行为的增量割线刚度矩阵显式列式。数值分析结果表明,势能列式能准确预测任意荷载作用下结构非线性平衡路径,物理概念清晰,适应工程实践对一般杆系结构非线性分析需求。     

张弦梁平面外弹性稳定性能研究

无平面外支撑的张弦梁在平面内受荷过程中可能发生平面外失稳。该文首先将张弦梁的平面外失稳分为索撑体系的失稳和张弦梁整体失稳,并采用平衡法和能量法对索撑体系的稳定性进行研究;其次对于张弦梁平面外整体失稳,指出将撑杆和拉索的作用等效为集中力、提取钢梁进行稳定设计的方法并不安全;该文采用Ritz法建立张弦梁的势能方程,结合势能驻值原理,得到张弦梁在全跨均布荷载和纯弯荷载下的平面外弹性屈曲荷载,结果与有限元吻合较好。该文得到的张弦梁平面外屈曲荷载计算公式对其平面外稳定设计具有参考作用。     

改进模态应变能法在混凝土组合箱梁桥损伤诊断中的应用

为提高结构损伤识别方法的准确性和对噪声的鲁棒性,将多源信息融合技术引入到结构损伤识别方法中。针对模态应变能法诊断结构损伤一般需要完备模态的特点,采用信息融合技术对各阶模态应变能进行融合,建立了基于信息融合的改进的模态应变能法。通过对一座预应力混凝土组合箱梁桥损伤识别数值算例的分析,可以看出该方法具有良好的损伤敏感性,仅需要较少的低阶模态就可识别结构的早期损伤;同时,该方法具有噪声鲁棒性,当加入噪声等于或小于10%时可以准确识别结构的早期损伤。因此该文提出的基于信息融合的改进的模态应变能法具有较好的工程实用性。     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

Diffractive phase elements for beam shaping: a new design method

A design method based on the Yang-Gu algorithm [Appl. Opt. 33, 209 (1994)] is proposed for computing the phase distributions of an optical system composed of diffractive phase elements that achieve beam shaping with a high transfer efficiency in energy. Simulation computations are detailed for rotationally symmetric beam shaping in which a laser beam with a radially symmetric Gaussian intensity distribution is converted into a uniform beam with a circular region of support. To present a comparison of the efficiency and the performance of the designed diffractive phase elements by use of the geometrical transformation technique, the Gerchberg-Saxton algorithm and the Yang-Gu algorithm for beam shaping, we carry out in detail simulation calculations for a specific one-dimensional beam-shaping example.     

Timoshenko梁能量守恒逐步积分算法

该文提出了Timoshenko梁非线性动力分析的能量守恒逐步积分算法。采用共旋技术考虑结构的几何非线性,空间离散采用相关插值形式,避免了剪切锁定现象。在时间离散时利用多参数修正方法对等效的节点动力平衡方程进行修正,实现了离散系统在保守荷载作用下的能量守恒。算法具备二阶局部精度,与已有的平均加速度方法和隐式中点方法相比,具有更好的数值稳定性。在二维情形下与Simo方法对比,指出了Simo方法在受保守外弯矩作用时系统能量不守恒。最后,通过三个数值模拟算例验证了算法的性能和能量守恒特性。