A REVIEW OF STUDIES OF MECHANICAL PROPERTIES OF TURTLE CARAPACE 1)

历经上亿年,大多数龟类爬行动物均进化出了比重轻、强度高、韧性好的防护外壳。研究这些龟壳的结构特征和材料力学行为对安全防护结构的仿生设计有着重要启示。本文分别从龟壳的宏微观多尺度结构--功能关系、静动态力学性能和仿生应用三个方面介绍了近年来国内外的研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,本文还进一步展望了龟壳力学性能研究未来需关注的重点,以期能够更好地促进仿龟壳结构在安全防护领域的应用。     

压电结构振动控制及压电片位置优化的遗传算法

采用比例反馈控制,由线弹性压电层合结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程.采用三维八节点实体耦合单元(Solid5)模拟压电致动器/感应器,三维实体单元(Solid45)模拟主结构,利用ANSYS中参数化语言(APDL)编写了压电层合智能结构的有限元程序.以零一最优问题来描述致动器/感应器的位置优化问题,用遗传算法(GA)求解.以压电智能悬臂板为数值算例,采用比例反馈控制,研究了瞬时荷载作用下,最优位置和一般位置配置致动器/感应器时智能结构的控制效果.为了进一步验证本文方法的正确性,研究了简谐荷载作用下系统的控制效果.数值结果表明采用遗传算法搜索压电智能结构振动控制中压电致动器/感应器的最优位置是十分有效的并具有较高的计算效率.     

智能结构的结构/控制综合设计中矩阵的混合优选法

以独立模态空间控制的权矩阵元素为设计变量,根据求解结构/控制综合设计的多目标优化问题的Preto优化解的约束方法,建立了以ARE的解矩阵的迹为目标函数,以满足闭环系统之渐进稳定条件为约束的多目标优化模型.然后根据此权矩阵的优化解构造出耦合模态空间控制的权矩阵.由此可以使控制系统用较少的执行器对结构的多个模态进行控制并使被控系统满足给定的稳定条件与性能限制而且使性能指标极小化.对两个机敏柔性梁的计算机模拟结果验证了这一方法的有效性.     

复合结构壳体蠕变变形有限元研究

基于蠕变理论，采用有限元数值计算方法，用ANSYS作为计算平台，建立了壳体结构的蠕变变形计算模型．对由耐火材料是镁碳砖炉衬和炉壳组成的复合结构转炉，由于高导热率的镁碳砖广泛使用，引起转炉炉壳的温度升高，导致转炉不同程度地出现了炉壳蠕变变形，致使炉壳使用寿命缩短．研究转炉炉壳蠕变变形的状态及分布规律，可为控制炉壳蠕变变形、延长炉壳使用寿命提供依据．运用所述的有限元计算模型，对复合结构的转炉炉壳的蠕变变形行为进行模拟，模拟结果与现场测量值基本吻合．     

基于遗传算法和梯度算法压电层合结构的最优形状控制

基于压电层合结构的有限元方程,运用ANSYS/APDL语言,编制了力-电耦合有限元分析程序(MPFEMP).以该程序为计算基础,采用遗传算法和一阶梯度优化算法,以压电片尺寸为设计变量,以压电层合梁和板的预期位移或最小重量为目标函数,给定初始变量和适应度函数,通过循环迭代MPFEMP计算程序,研究了多点控制的压电层合梁板结构的形状最优控制.结论对比分析证明了两种优化方法分析压电层合结构的有效性,同时,对复杂多层智能结构的最优形状控制和主动控制研究具有一定的参考价值.     

第十届亚洲土木工程邀请赛某参赛模型结构设计与分析1)

第十届亚洲土木工程邀请赛的题目为制作一个可承受静载荷和动载荷的弯桥,要求模型具有足够的承载力和合理的刚度,且模型质量尽可能小。针对西南交通大学代表队的参赛作品,从材料力学性能、桥梁概念设计、数值优化等几方面,阐述了结构优化步骤和方法,对比了静、动力仿真分析 和实体模型试验,总结了模型设计的优点和不足。本文可为今后的类似赛事提供参考。     

STRUCTURE DESIGN AND ANALYSIS OF A COMPETITION MODEL FOR THE 10th INTER-UNIVERSITY INVITATION CIVIL ENGINEERING COMPETITION1)

第十届亚洲土木工程邀请赛的题目为制作一个可承受静载荷和动载荷的弯桥,要求模型具有足够的承载力和合理的刚度,且模型质量尽可能小。针对西南交通大学代表队的参赛作品,从材料力学性能、桥梁概念设计、数值优化等几方面,阐述了结构优化步骤和方法,对比了静、动力仿真分析 和实体模型试验,总结了模型设计的优点和不足。本文可为今后的类似赛事提供参考。     

非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计

将刚度可靠性设计理论和稳健设计方法相结合,讨论了具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计问题,提出了刚度可靠性稳健设计的计算方法.把可靠性灵敏度融入可靠性优化设计模型之中,将刚度可靠性的稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下,通过计算机程序可以实现具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计,迅速准确地得到具有非正态分布参数的梁结构刚度可靠性稳健设计信息.     

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.      

减小转子共振敏感性的结构设计方法初探

汽轮机工业发展的要求和转子动力学的进展,使现代汽轮机设计师开始有必要研究如何设计出振动性能更好的汽轮机,以便在突然产生不平衡等情况下仍保证机组安全,或者甚至在临界转速区也能安全运行的设计方法.本文通过一种简单的模型以及一系列不平衡响应计算来分析转子结构因素对共振特性的影响,从而提出从设计上减小转子共振对不平衡量的敏感性的若干方法.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

一种逆优化设计振动控制作动器的数目和位置的方法

在建立了悬臂梁上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的动力学方程的基础上,研究了一种逆优化设计作动器/传感器的数目和位置的方法:用压电陶瓷作为自传感作动器,以悬臂梁的振动控制为研究对象,要求振动控制系统具有一定的模态阻尼比,并以作动器控制力最小为目标函数,优化设计作动器/传感器的数目和位置.最后通过数值算例证明了该方法的有效性.     

飞机结构设计中载荷安全系数的工程意义1)

飞机结构设计课程中将安全系数作为外载荷的内容进行阐述,而材料力学中安全系数属于材料强度方面的内容,初学者很难区分两者的不同,容易对安全系数的内涵产生误解。为此,本文首先对两个安全系数的定义进行对比,分析两者内涵的差别,进而阐述飞机结构设计中载荷安全系数的工程意义,并从复合材料结构设计值及安全系数的确定方法与金属结构的对比分析,加深对载荷安全系数工程意义的理解,以期帮助初学者尽快掌握安全系数的概念。     

在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一, 组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变, 给结构主动控制任务带来了新的挑战. 针对这一问题, 提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法. 首先, 建立不同类别组装模块的基础模型库, 以用于后续直接调用; 然后, 定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化, 并根据在轨组装任务特点, 设计了面向分布式控制的智能组件结构形式; 在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法, 利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵, 分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型, 该模型可随组装的进行同步自适应更新; 最后, 以在轨组装桁架结构为例, 给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真. 结果表明, 在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化, 主动控制非常必要; 基于提出的建模方法, 可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型; 智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围, 适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.      

基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析

基于遗传算法及一阶剪切理论, 提出一种弹性地基上加肋板肋条位置优化的无网格方法. 首先, 通过一系列点来离散平板及肋条, 并用弹簧模拟弹性地基, 从而得到加肋板的无网格模型; 其次, 基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似原理导出位移场, 求出弹性地基加肋板总势能; 再次, 根据哈密顿原理导出结构的弯曲控制方程, 并通过完全转换法处理边界条件; 最后, 引入遗传算法和改进遗传算法, 以肋条的位置为设计变量、弹性地基板的中心点挠度最小值为目标函数, 对肋条位置进行优化达到地基板控制点挠度最小的目的. 以不同参数、载荷布置形式的弹性地基加肋板为例, 与ABAQUS有限元结果及文献解进行比较. 研究表明, 采用所提出的无网格模型可有效求解弹性地基上加肋板弯曲问题, 结果易收敛, 同时基于遗传算法与改进混合遗传算法所提出的无网格优化方法均可有效优化弹性地基加肋板肋条位置, 后者计算效率相对较高, 只进行了三次迭代便可获得稳定的最优解, 此外在优化过程中肋条位置改变时只需要重新计算位移转换矩阵, 又避免了网格重构.      

静定结构受力分析中约束力换算公式与二力杆的妙用1)

对于满足两刚片规则或三刚片规则的简单静定结构,可以证明,用平衡方程进行受力分析时,必可做到一个方程解一个未知力。本文在一个方程解一个未知力的基础上,进一步提出了约束力换算公式及二力杆转化思路,使静定结构的受力分析更加简化。     

THE CONVERSION FORMULA OF CONSTRAINED FORCES AND THE TWO-FORCE BAR METHOD FOR FORCE ANALYSIS OF STATICALLY DETERMINATE STRUCTURE1)

对于满足两刚片规则或三刚片规则的简单静定结构,可以证明,用平衡方程进行受力分析时,必可做到一个方程解一个未知力。本文在一个方程解一个未知力的基础上,进一步提出了约束力换算公式及二力杆转化思路,使静定结构的受力分析更加简化。     

HTPB复合底排药压缩屈服应力模型研究

目前广泛应用于底排增程技术的 HTPB 复合底排药 (composite base bleed grain,CBBG) 是一种颗粒填充含能材料,战场环境中将承受冲击、温度等载荷作用. 为研究 HTPB CBBG 冲击压缩力学性能,进行了不同温度 (233$\sim$323 K) 和应变率 (1100$\sim$7900 s$^{-1}$) 下的分离式霍普金森压杆实验. 实验结果表明,各工况下,应力应变曲线均呈现屈服-$\!$-应变硬化特征,HTPB CBBG 保持高韧性. 提高应变率和降低温度均导致相同应变下的应力幅值上升,但温度较应变率对HTPB CBBG 冲击压缩力学性能的影响更为显著. 基于所研究温度范围高于 HTPB CBBG 玻璃化转变温度,通过将水平、垂直移位因子与温度的关系表示为 WLF 方程的形式,将时温等效原理引入协同模型,并计及内应力的应变率增强效应,提出了一种新的屈服应力模型.选取参考温度,利用水平、垂直移位因子-$\!$-温度曲线和屈服应力主曲线拟合模型参数.模型预测值与实验数据对比结果表明:该模型可准确表征 233$\sim$323 K 时 HTPB CBBG 屈服应力的双线性应变率相关性,明确了较低和较高应变率时,应变率效应分别主要由内应力和驱动力贡献.      

INFLUENCE OF SHAMPOO ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF HUMAN HAIRS1)

头发的弹性和抵抗意外拉断的能力是人们非常关注的指标。为了迎合这一需求,有些厂商推出了具有所谓“强韧”发质功效的洗发水,但其实并不清楚是否真能使头发变“强韧”。为此,针对市场上常见的一种标称具有“强韧”功效的洗发水,通过拉伸力学实验对头发洗护前后的力学性能进行了对比研究。结果表明,用洗发水处理后的头发,屈服应力下降,意味着头发更容易过早进入塑性变形;抗拉强度、最大应变减小,意味着头发抵抗外力拉断的能力下降;杨氏模量下降,说明头发抵抗弹性变形的能力变差。综上,所研究的洗发水对“强韧”发质没有帮助。 关键词: 头发,洗发水,力学性能,强度,韧性     

底层大空间高层结构自由振动的实用计算方法

本文以连杆节间为界，按弹性支座上和Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ悬臂梁建立力墙部分的振动方程，按一般框架建立框架部分的振动方程，根据力，变形协调条件，形成底层大空间高层建筑结构的自由振动，并据此计算其自由振动。