MEMS中变截面梁优化数学模型的建立

MEMS结构中采用变截面梁来降低应力集中的影响。建立变截面梁弯曲和振动的数学模型,对MEMS器件加工工艺提供可靠的理论依据。以增加空间利用率且保持最大转角、最大挠度和基频不变作为前提条件,分别构建最大转角尺寸刚度、最大挠度尺寸刚度表达式和基频关系式,并结合有限元分析,构建对原设计方案的优化思路,为MEMS中类似结构的设计提供优化方法。     

MEMS中梯形变截面梁优化设计

MEMS器件结构设计影响传感器的性能。为了提高加速度计系统稳定性,选用梯形变截面梁减小应力集中,同时将检测方向刚度和非检测方向刚度差值最大,减小交叉灵敏度并提高工作稳定性;为使系统动态特性达到最佳,选用合适的阻尼比ξ,计算出梁检测方向理论刚度。建立梯形变截面梁的力学模型,得到梯形变截面梁刚度方程,并给出了梁的强度。梯形等截面梁和梯形变截面梁同等刚度条件下,变截面梁质量稍微增加,但危险截面处应力大幅下降。     

复杂载荷变刚度静不定梁通用力学模型及变形方程

对复杂载荷下变刚度静不定梁建立了一种通用力学模型，得出梁任一截面的变矩方程。通过对变矩方程的积分和积分后方程的递推，推导出梁任意截面的转角和挠度变形的一般方程，并给出工程计算实例。该方程易于采用计算机处理，为复杂载荷下变刚度静不定梁程序化求解提供基础。     

梯形变截面梁蟹腿加速度计系统设计

结合蟹腿加速度计系统动态响应、稳定性和灵敏度对支撑梁刚度的要求,设计并优化了一种梯形变截面梁,满足加速度计的不同方向刚度要求。建立加速度计的动力学模型,得到系统动态响应性能参数与梁刚度关系;建立梯形变截面梁纯弯曲的数学模型,推导出梯形变截面梁刚度和尺寸关系;分析强度对尺寸要求;通过对加速度计系统稳定性和灵敏度分析,对梁结构提出了要求。在非检测方向同等刚度条件下,梯形变截面梁与等截面梁相比,危险截面处应力相当而检测方向刚度减小,系统灵敏度提高,提高系统动态输出特性,质量大幅减轻。     

铁道车辆车体挠度解析计算方法研究

采用等效刚度法,将车体这种具有复杂截面的变截面梁等效为等截面梁,计算其挠度,并根据车体结构特征,在门窗位置引入与门窗开孔高度相关的门窗系数,增强了等效梁对车体门窗位置刚度弱化的敏感性。分别以示例对简单车体和某型高速列车中间车车体进行有限元的挠度验证计算,两种车体的解析计算结果与有限元结果的误差均在工程允许的范围内,表明了该方法计算变截面列车车体挠度的准确性,能够为车体截面及车身刚度的优化设计提供计算依据。     

周期变截面梁刚度分析的均匀化方法

现代优化设计导致周期变截面梁广泛存在于工程实践,周期变截面梁的刚度分析方法是工程人员研究的热点问题。该项研究基于边界位移等效和截面转角等效原理,运用均匀化方法和Timoshenko梁理论,并借用ANSYS有限元分析软件,推导出周期变截面梁的等效抗弯刚度和等效剪切刚度,提出了一种周期变截面梁刚度分析的新方法。并针对工程实例,通过试验和方法的计算,一致的结果验证了提出的方法是一种精度较高、可行的周期变截面梁刚度分析工程方法。     

结构参数对并联型双轴直圆柔性铰链刚度的影响

为了深入分析并联型双轴直圆柔性铰链的微位移变形性能,基于弹性梁的小变形假设、变截面连续梁弯曲理论及微积分叠加原理,推导出其角变形及转角刚度计算公式;根据胡克定律,得到拉压变形时的伸长量和拉伸刚度计算公式,并对柔性铰链在不同结构参数下进行有限元分析;同时,对影响转角刚度和拉伸刚度的结构参数进行研究。结果表明,转角刚度有限元解与解析解的误差在7%以内,拉伸刚度有限元解与解析解的误差在3%以内;刚度与最小厚度、弹性模量成正比关系,与切割半径成反比关系,且最小厚度对刚度的影响最显著,切割半径次之,弾性模量最弱。     

基于UG CAE的典型截面分析研究

选取了汽车车身设计过程中具有代表性的典型截面02E,利用UG软件中的CAE模块初步分析探讨了在截面设计过程中加强板布置、加强板厚度、截面尺寸这些重要指标对于扭转刚度、弯曲刚度及受力状态最大应力的影响,通过对该典型截面施加合理的扭转和弯曲扭矩分别计算在不同状态下截面的扭转刚度、弯曲刚度及加载过程中的最大应力,对比分析了加强板布置、加强板厚度、截面尺寸这些重要指标对截面性能的影响,为今后截面设计提供了一些指导。     

基于Mathcad求弹性梁弯曲问题的数值解

提出一种求解受复杂载荷作用的弹性梁弯曲问题数值解的新方法。该方法利用奇异函数表示弹性梁的弯曲内力和弯曲变形方程,与梁的边界条件和连续条件联立,应用数学软件Mathcad中相应的求解块和绘图工具,可以快速获得弹性梁的支座约束力、任意截面的剪力和弯矩、挠度和转角等参数以及相应的曲线图。该方法无需编程,既适用于静定或超静定梁,也适用于等截面或变截面梁,为梁的强度和刚度校核以及优化设计等提供了新途径。     

阶梯形变截面梁刚度的简便计算

本文以悬臂梁为例,用当量惯性矩将变截面梁转化为刚度相当的等截面梁处理,计算梁端的刚度。一、刚度计算公式推导下述为 n 段阶梯形变截面梁。设梁除端部受有轴向压力 N、横向力 P 和力矩 M 作用外,还受自重引起均布载荷 q。将坐标原点     

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题,设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度,在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程,建立了柔性铰链的大变形力学分析模型,并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系,提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案,确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。     

基于曲柄滑块机构变刚度关节的设计与分析

为了解决人机交互中的物理接触带来的刚性碰撞和安全隐患问题,以机器人关节模块为出发点,提出了一种新型变刚度关节。设计了变刚度关节的曲柄滑块刚度调节机构,分析了变刚度原理,建立了数学模型,搭建了样机,分别就关节刚度与关节偏转角度、板簧有效长度、调节机构输入角等参数关系进行了实验分析。实验证明,该方案可实现关节刚度的调节。     

KDP晶体支撑系统工作姿态确定

为了确定一个KDP晶体支撑系统的合理工作姿态,研究了工作姿态对支撑系统变形、KDP晶体偏转和激光束入射角的影响。首先,提出了关键刚度分量的概念,并采用这一概念对不同工作姿态时支撑系统在重力作用下的变形进行了理论分析。其次,采用有限元方法计算了重力作用下支撑系统的变形,以及由此引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化。最后,对不同工作姿态时支撑系统的变形、KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化进行比较,并分析了关键刚度分量的影响。数值计算结果表明,受关键刚度分量的影响,不同工作姿态下支撑系统的变形、引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化不同。支撑系统为最优工作姿态时,激光束入射角的变化达到最小值76μrad。这一结果满足KDP晶体支撑系工作姿态确定的相关要求。     

轻型客车车身刚度灵敏度分析及优化

建立某国产轻型客车车身刚度有限元分析模型，确定有限元模型的边界条件及分析载荷，并对有限元模型进行试验验证。利用ANSYS软件就该车的车身骨架及车架各部件对车身弯曲刚度和扭转刚度的灵敏度进行分析，根据灵敏度分析结果选择设计变量，以车身的总质量和车身构件的最大应力为状态为量，以车身弯曲刚度和车身扭转刚度为目标函数，对该车的车身刚度和车身扭转刚度进行优化。     

锥轴的切削变形计算与误差控制

为了计算锥形轴类零件的切削变形,推导出锥形变截面简支梁的弯曲变形通用表达式,应用C语言编程迅速求出最大变形量及最大变形位置。并用工艺参数控制法减少锥轴的切削变形误差,从而保证加工精度。     

车身动态刚度链建模及正向概念设计研究

提出了车身正向概念设计流程,由车身A级面及整车总布置方案建立了车身简化几何模型,确定了22个车身主断面位置,并以主断面属性为设计变量,基于梁单元理论与传递矩阵法得到模态坐标系下的车身动态刚度链数学模型,建立了主断面属性与车身固有频率的关系。以车身轻量化为目标函数,以车身静刚度与固有频率为约束条件对车身进行优化,采用遗传算法求解,确定优化后的各主断面属性参数。通过对比近似标杆车的静刚度与模态分析结果验证了动态刚度链设计方法的可行性。     

基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

Pro／E的变截面悬臂梁局部敏感度分析

结合Pro／E的参数化及行为建模技术,提出一种新的变截面悬臂梁结构参数优化方法。结合实例,在Pro／Mechanica工作环境中,通过灵敏度分析确定主要参数对模型影响的敏感程度,对变截面悬臂梁的结构参数进行优化,实现悬臂梁的优化设计,从而根据设计者的特定要求确定出对最大应力变化影响最大最敏感的设计参数,达到周期更短、更精确地设计目标。该方法可以推广应用于其他机械零件的结构设计中。     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

Modeling of mechanical behavior of microcantilever due to intrinsic strain during deposition

A model of mechanical behavior of microcantilever due to intrinsic strain during deposition of MEMS structures is derived. A linear ordinary differential equation is derived for the beam deflection as a function of the thickness of the deposited layer. Closed-form solutions are not possible, but numerical solutions are plotted for various dimensionless ratios of the beam stiffness, the intrinsic strain, and the elastic moduli of the substrate and deposited layer. This model predicts the deflection of the cantilever as a function of the deposited layer thickness and the residual stress distribution during deposition. The usefulness of these equations is that they are indicative of the real time behavior of the structures, i.e. it predicts the deflection of the beam continuously during deposition process.