悬臂微梁固有频率和模态的尺寸效应

采用经典弹性力学预测悬臂微梁的基频远低于测量的结果,广义弹性力学由于计及了连续的旋转变形及相应的偶应力,完善了变形的度量,适用于分析结构动力学特性的尺寸效应。从虚功原理出发建立了广义弹性体的有限元动力学方程,对悬臂微梁的固有频率和模态进行数值分析。结果表明:微梁的固有频率是否存在尺寸效应与对应的模态有关;微梁的弯曲和扭转模态由于包含了旋转变形,对应的固有频率较之经典弹性力学有显著提高,而拉压模态不涉及旋转变形,其固有频率没有明显变化。     

复合材料薄壁梁的固有特性分析

本文采用复合材料薄壁梁的高次翘曲理论对复合材料薄壁梁的固有特性进行了分析,讨论了单闭室复合材料薄壁梁的高次翘曲,剖面分层对结构的固有特性的影响。数例表明,复合材料薄壁梁的高次翘曲函数和分层对结构的固有特性具有一定的影响。     

子系统参数对双层隔振系统固有特性的影响

为了研究子系统参数对双层隔振主系统固有特性的影响规律,将系统抽象为3自由度动力学模型,推导了系统动力放大系数(振幅比)和无量纲固有频率(固有频率比)解析式以及振型和解耦度与子系统质量比和刚度比的关系式,进而研究了子系统质量比和固有频率比对双层隔振主系统固有特性(固有频率、解耦度)的影响规律。在此基础上,针对含多个子系统的内燃动车动力包双层隔振系统,仿真计算了空冷子系统的质量和刚度对双层隔振12自由度主系统固有特性的影响规律。研究结果对双层隔振系统子系统的设计具有指导意义。     

多索-梁结构固有振动特性分析

进行了单索-梁结构和二索-梁结构模型固有振动试验,采用斜拉桥整体动力分析有限元方法建立了索梁结构有限元模型,与试验结果进行的比较验证了所建有限元模型的正确性。通过对单索-梁结构至四索-梁结构的固有振动特性的有限元分析表明,斜拉索的存在和数量对索梁结构的面内固有频率影响较大,对面外固有频率影响很小;斜拉索的增加使索梁结构面内振动频率增大的主要原因是斜拉索对主梁起到竖向支承的作用。将斜拉索竖向支承作用简化为弹性支撑,考虑斜拉索水平分力对主梁轴力的影响,推导得到了多索-梁结构面内固有振动的频率方程和振型函数,与有限元计算结果进行的对比说明了所得简化公式的正确性和适用性。     

纳米材料小尺寸效应的奇异特性

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。     

双层桥面桁架梁软颤振特性风洞试验研究

随着城市交通量的日益增大,双层桥面桁架梁的应用需求日益增加,研究其颤振特性有助于提升该类加劲梁的抗风设计水平。以武汉杨泗港长江大桥双层桥面桁架主梁为对象,利用节段模型自由振动风洞试验,测试了该主梁模型在不同工况下的软颤振特性,对比了不同风速条件下软颤振形态的异同。研究表明,双层桁架梁在试验中表现出了明显的软颤振特性,其振幅也随风速增加而增大。在0°风攻角的各级试验风速下,软颤振形态均表现为偏心扭转运动;在3°和5°风攻角下,起初表现为弯扭耦合运动,随着风速增大,弯扭耦合运动相位差逐渐减小;当风速增大到某个值后,弯扭耦合相位差为零,耦合颤振转变为偏心扭转颤振。无论是在连续的升风到降风过程中,还是在固定风速下给予不同初始激励,模型的软颤振振幅与折算风速之间具有唯一对应关系,不存在同一折算风速对应不同振幅的情况以及不同折算风速对应相同振幅的情况。最后从气动阻尼同时随振幅和折减风速变化的角度初步解释了双层桁架梁软颤振的发生机理。     

双层微穿孔结构扩散场吸声特性

本文在单层微穿孔结构的基础上,考虑到实际应用的声场条件和采用双层结构的要求,导出双层结构在扩用场中的声阻抗及吸声系数计算公式,分析了其在扩散场中的吸声性能,指出不能直接用垂直入射声波条件下的结果来判定某一双层结构在扩散场中吸声性能的优劣。并将理论计算结果和混响室中的测量结果进行比较,结果证明,理论计算可以较准确地预测实际结构的吸声性能。根据理论分析所设计的软件可以方便地进行双层或多层复合微穿孔结构     

非完全覆盖双层微梁谐振器热弹性阻尼建模

热弹性阻尼是决定微机械谐振器品质因子上限的关键参数之一。以往热弹性阻尼解析解只适用于完全覆盖多层微梁结构。由于制造工艺和实际功能需求,非完全覆盖双层梁为代表的复杂结构形式更普遍。基于傅里叶传热定律,推导出非完全覆盖双层微梁谐振器热弹性阻尼的解析解。同时利用数值方法和实验验证了该解析解的有效性。并分析了镀层厚度、长度和位置对热弹性阻尼的影响。     

脆性材料微裂缝无序度与尺寸效应

假定在某些脆性无序材料内含有相同的微裂缝随机分布概率密度,但具有不同无序度的情况下,建立了模拟材料力学行为的二维不连续位移法边界元数值计算模型.实现了材料微裂缝生长、扩展到最终破坏的全过程数值仿真.根据分形几何理论确定了材料断裂表面几何形貌的分形维数.得到了材料的断裂强度随微裂缝长度随机分布无序度的增加而降低的规律性.数值模拟结果符合Bazant尺寸效应定律,并进一步证实了脆性或准脆性无序材料产生尺寸效应的微观机理.     

硅薄膜导热系数微尺度效应的临界尺寸

基于灰介质假设及拟合的色散关系,采用蒙特卡洛方法对微纳米硅薄膜内的声子热输运特性进行了模拟.将3μm厚的硅薄膜导热系数的计算结果与文献结果进行了对比,二者吻合较好.分析了厚度对薄膜内温度场及导热系数的影响.结果表明,当厚度小于某一尺度时,薄膜导热系数会随着厚度的减小而降低,呈现尺度效应;薄膜内温度场也不再是线性分布,而是在边界处呈现阶跃特性,且随着厚度减小,温度阶跃增大.基于该方法求得了100~400 K温度区间内,硅薄膜法向导热系数出现明显尺度效应的临界尺寸.计算发现,随着温度的升高,临界尺寸变化范围很大,平均温度为100 K时,临界尺寸约为50μm,平均温度为400 K时,临界尺寸约为2.5μm,前后相差了一个数量级.     

考虑质量偏心Timoshenko梁的弯-纵耦合固有振动特性研究

针对有限元法等数值方法较难处理的质量偏心梁问题,考虑质心、形心不重合情形下的弯-纵耦合效应,建立了有偏心Timoshenko梁弯-纵耦合振动的数学模型,推导了相应的特征方程。进而给出了若干偏心工况下Timoshenko梁弯-纵耦合振动的解析表达式,并探讨了偏心率和典型边界条件对纵向和弯曲振动固有频率和模态振型的影响规律。分析结果表明,固有频率随着偏心率的增大而减小,且质量偏心对纵向振动的影响较弯曲振动更为明显。     

无序材料微裂缝分形几何与尺寸效应的微观机理

针对一些含有相同的微裂缝随机分布概率密度但无序度不同的材料,建立了模拟材料断裂力学行为的二维不连续位移法边界元数值计算模型,实现了材料微裂缝的生长、扩展到最终破坏的全过程数值模拟.从分形几何的新视角深入地揭示了脆性或准脆性无序材料产生尺寸效应的微观机理.材料断裂力学行为的数值模拟结果与Bazant尺寸效应定律相符,不仅与微缺陷的密度有关,更与微缺陷大小随机分布的无序度相关,无序度越大的材料其尺寸效应越明显.得到了用初始分形维数D0表示的关于材料断裂强度的分形维数Dσ经验公式,可以更深入地解释材料的微观尺寸效应机理和断裂过程.     

应变梯度弹性理论下微构件尺寸效应的数值研究

根据位移二阶梯度分量的不同,应变梯度理论可以分为偶应力理论和全应变梯度理论。与偶应力理论相比较,全应变梯度理论增加了伸长梯度对应变能密度函数的贡献,因此,该理论预测的尺寸效应要强于偶应力理论预测的尺寸效应。基于建立的应变梯度弹性理论C¹ 自然单元法,研究了微夹持器和拉伸微试件的尺寸效应现象。对于微夹持器,梳状静电驱动臂与固定端之间采用S 形弹簧连接,降低了夹持臂的弯曲刚度,增加了夹持力的有效输出;当弹簧宽度接近材料的特征长度时,无量纲弯曲刚度值很大,微夹持器具有强烈的尺寸效应。对于拉伸微试件,当圆孔半径和椭圆孔长轴接近材料的特征长度时,无量纲应力集中系数很小,微试件尺寸效应明显;随着U 槽端部半径的增加,微试件尺寸效应明显变弱;随着槽深的增加,微试件尺寸效应缓慢减弱。对于微构件的所有计算情况,全应变梯度理论下的尺寸效应强于偶应力理论下的尺寸效应,数值计算结果与理论预测相吻合。     

离子束溅射沉积Co膜光学特性的尺寸效应研究

本文采用离子束溅射沉积了不同厚度的Co膜,利用Lambda-900分光光度计,对不同厚度的Co膜从波长为310nm到1300nm范围测量了薄膜的反射率和透射率.选定波长为310、350、400、430、550、632、800、1200nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随薄膜厚度变化的关系进行讨论.实验结果显示,Co膜的光学特性都有明显的尺寸效应.对在可见光范围内同一波长时的反射率和透射率随薄膜厚度变化关系的实验结果作于同一图上,发现反射率曲线与透射率曲线都有一个处在网状膜阶段的交点,这个交点对应的厚度作为特征厚度,该厚度可认为是金属薄膜生长从不连续膜进入连续膜的特征判据.     

不确定性热弹耦合梁的固有振动分析

考虑材料参数存在的不确定性,研究热弹耦合梁的固有振动特性。基于欧拉梁的振动微分方程和傅里叶定律热传导方程,得到了梁的热弹耦合振动微分方程;在给定梁的自由振动形式下求解得到梁的固有频率,并分析耦合固有频率随参考温度的变化规律;在考虑材料参数不确定情况下,分析热弹耦合耦合固有频率特性。研究结果表明考虑热弹耦合效应时,梁的各阶固有频率都有所增加;耦合固有频率随着参考温度的升高逐渐增大;考虑材料参数不确定性时,梁的各阶耦合固有频率规律复杂,但具有跟材料参数相同的分布规律。     

膨胀石墨的尺寸效应

以不同产地、不同粒度的鳞片石墨为原料, 采用硫酸、硝酸、高锰酸钾的适当配比为氧化剂制备膨胀石墨, 发现石墨膨胀倍数从粒度>420μm的750mL/g减小至95～85μm的110mL/g. 电镜及压汞法观察膨胀石墨的形貌及微孔的特征, 表明膨胀石墨的孔隙大小随粒度减小而减小, 反映出膨胀石墨存在尺寸效应.不同粒度的膨胀石墨的灰分、硫分和对机油的吸附能力不同, 与不同粒度膨胀石墨制备的柔性石墨板的抗拉强度也不同. 这种效应源自石墨的结晶程度的不同.     

考虑结构尺寸效应的台风场阵风因子特性分析

为了克服现行固定时距阵风因子在进行结构抗风设计时潜在的不足,提出一种基于性能设计的阵风因子确定方法。首先,在极值理论所建立的阵风因子基础上,通过引入滑动平均滤波器与气动导纳函数等效的方法建立了考虑结构尺寸效应和平均风速的阵风时距确定方法;之后对常见的5种气动导纳函数进行分析得到了等效阵风时距计算公式;最后利用2006年到2008年间影响中国的三次台风过程实测数据,分别建立了A,B两类场地不同时距阵风因子曲线。研究结果表明:由Vickery通过实验测得气动导纳函数确定的等效阵风时距最大,由Newberry等实测得到的脉动风压相干函数经验式确定的等效阵风时距最小;综合五种气动导纳函数的计算结果,等效阵风时距可取为1.33倍的结构宽度与平均风速比值;随着场地粗糙度增加,阵风因子显著增大;实测台风场阵风因子大于规范给出相应场地类别推荐值。     

辐射源尺寸效应研究

为辐射测温领域中的辐射源尺寸效应问题进行了系统的理论与实验研究，提出了背景有效源面积的背景有效辐射亮度的概念，解释了熔凝差的存在；实验验证了理论模型的准确性。     

形状记忆合金元件的尺寸效应

对形状记忆合金元件的尺寸效尖进行了较深入的研究。除对其力的尺寸效应进行了研究外,还对其动作时间、响应时间、输出功率等随尺寸的变化情况进行了研究。研究后发现,形状记忆合金元件的形状回复力与特征尺寸的二次方成正比;其动作时间、响应时间与特征尺寸的一次方成正比;其输出功率与特征尺寸的二次方成正比;其功率／体积比与特征尺寸的负一次方成正比。因此,形状记忆合金是微机械领域能够采用的一种非常重要的功能材料。     

纳米材料的小尺寸效应

小尺寸效应是纳米材料三大效应之一。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒的质变。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生一系列新奇的性质。