遗传算法在冲击隔振中的应用研究

借助泰勒级数给出了钢丝绳隔振器的一阶近似非线性数学模型, 选用遗传算法对系统固有频 率进行二进制编码; 然后建立了相应的冲击仿真模型, 并对冲击载荷作用下装有钢丝绳隔振 器的移动硬盘进行仿真实验. 理论分析与仿真结果表明, 采用遗传算法的仿真模型能够适应 脉冲宽度的多变性, 克服隔振效果与最大允许变形之间的矛盾, 良好地反演出钢丝绳隔振系 统的固有频率.     

考虑人体耦合作用的结构竖向隔振研究

结构在环境振动或地震作用下的竖向振动不容忽略,有必要采取竖向隔振装置进行减振控制。考虑人体与结构耦合作用后不仅使隔振动力模型更加真实,还可以直接获得人体的动力响应。采用碟形弹簧支座对结构进行基础竖向隔振,并根据国际标准ISO5982规定的不同姿势下的人体动力模型,建立了考虑具有非经典阻尼的人与隔振结构耦合运动方程,利用复模态分析实现了方程的解耦,通过算例分析了竖向隔振以及人体作用对结构响应的影响。结果表明:对于一般的质量和刚度分布均匀的结构,人体对结构具有微弱的减振作用。碟形弹簧支座可以显著地降低结构的竖向振动并改善居住舒适度。     

基于菱形压电作动器和内模控制策略的微振动隔振研究

提出了一种以菱形压电作动器为隔振元件,并结合内模控制策略的微振动主动隔振方法。首先设计并分析了菱形压电作动器,分析其力电耦合特性;以单自由度主动隔振系统为例,建立了隔振系统的动力学模型。在此基础上,设计了基于内模控制的主动隔振策略,进行了含有模型误差、迟滞等多工况的数值仿真分析。仿真结果表明,隔振位移传递率最大可达94%。菱形压电作动器结合内模控制策略的振动主动控制技术具有较好的隔振能力,为进一步微振动平台的主动隔振设计与实验研究奠定了基础。     

SH波对内含裂纹衬砌结构的散射及动应力集中

当衬砌结构内含裂纹时 ,采用Green函数的方法 ,研究了SH波对裂纹的散射及其动应力集中 ,构造了在含有半圆形衬砌的弹性半空间上 ,在水平面上任一点承受时间谐和出平面线源载荷作用时的位移函数作为Green函数 ;推导了SH波对衬砌内有裂纹的散射定解积分方程组 ,进而求得裂纹尖端的动应力因子 ,重点讨论了衬砌及周围介质对裂纹尖端动应力因子的影响 ,给出了介质参数变化对裂纹尖端动应力因子的影响曲线 ,为工程设计提供了依据。     

光学遥感卫星控制力矩陀螺隔振装置模态错位设计

针对整星结构频率和控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope,简称CMG)扰振频率分布密集易引起隔振装置共振的问题,本文通过引入高斯函数对残差项进行修正以改进响应面法,建立了CMG隔振装置近似数学模型;并采用多目标遗传优化算法,对隔振装置的前六阶固有频率进行了错位优化,实现了隔振装置固有频率分布避开整星结构频率和CMG扰振频率的设计目标。通过模态试验,验证了频率分布的准确性。试验结果表明:隔振装置的前六阶固有频率与整星结构频率和CMG扰振频率呈现错位分布,从而为CMG隔振系统频率设计和优化提供了理论支持和工程指导。     

爆炸试验室基础隔振系统设计与应用

针对某爆炸试验室的基础隔振系统的改造，首先提出了一种由钢丝绳和碟形弹簧组合而成的新型隔振器，给出了相应的基础隔振方案，并对组合隔振器进行了试验研究。然后，采用两自由度、有阻尼计算模型对隔振系统的动力反应进行非线性分析，研究了隔振层刚度和阻尼对隔振系统动力反应的影响，优化选择了隔振系统的有关参数。研究结果表明,当隔振层刚度约为110 kN/mm，阻尼比为0.20~0.35时，隔振层动荷载接近最小，且其他动力反应满足设计要求。改造后的爆炸实验室的抗冲击能力比改造前提高了50％。     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.      

可控排气式气囊着陆缓冲特性研究

为了综合考量空投设备着陆缓冲过程中的最大过载、最大下降位移以及气囊最大超压等因素,利用LS-DYNA软件数值分析了一种可控排气式气囊的着陆缓冲特性,研究了排气阀的开口面积和压力门限对该系统缓冲性能的影响。结果表明:开口面积和压力门限对缓冲性能有显著的影响,取值过大或过小均不能满足缓冲性能要求;一定范围内增大开口面积可有效降低设备的最大过载和气囊的最大超压,但同时会降低设备的最小离地高度;压力门限对气囊最大超压量的影响较小,一定范围内降低压力门限可降低设备最大过载。     

多界面衰波隔振技术研究

鉴于传统隔振技术存在的低频隔振效率低下、控制频带窄、需外界供能等问题,深入研究了舰船振动噪声的特点和振动隔离的本质特性,提出了基于混合媒质多界面衰波隔振的舰船隔振技术思想;通过验证性实验,分析了多界面衰波隔振技术的实施效果以及液体层不同质量比例对隔振性能的影响规律。实验结果表明:通过向封闭的隔振装置填充气体、液体、多孔固体颗粒媒质形成的多界面混合媒质体系,在多孔固体颗粒填充量占液体表面积25%的条件下,液体总质量为0.5kg时,最大振级落差达14.08d B,其衰波隔振效果与最大振级落差为8.47d B的纯空气系、最大振级落差为9.61d B的空气-水二相系、最大振级落差为10.23d B的空气-油二相系相比有大幅提升;当水与油质量比为1:4时的隔振效果在整体上优于其他比例。本文的研究结果不仅为隔振的高效实施创造了有利条件,而且为隔振理论的进一步完善以及隔振装置的研制提供了必要的基础和依据。     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

Crashworthiness design of density-graded cellular metals

Crashworthiness of cellular metals with a linear density gradient was analyzed by using cell-based finite element models and shock models. Mechanisms of energy absorption and deformation of graded cellular metals were explored by shock wave propagation analysis. Results show that a positive density gradient is a good choice for protecting the impacting object because it can meet the crashworthiness requirements of high energy absorption, stable impact resistance and low peak stress.     

强动载荷下结构的柔性防护和刚性防护

通过研究柔性防护和刚性防护方面的实例,结合作者的研究结果,对应力波效应和材料动态特性效应如何影响强动载荷下的结构安全防护进行了分析和讨论。研究表明,在研究强动载荷下的结构安全防护时,不论结构承受的是爆炸冲击波还是弹体的直接撞击,都应该考虑结构与周围介质中的波传播效应与材料的应变率效应,以及这两者之间的互相联系和互相耦合。     

X-Ray diffraction evidence for the role of stacking faults in plastic deformation of solids under shock loading

A mechanism responsible for the high speed shear relaxation immediately behind shock fronts is suggested. The shear stress generated by the shock front causes the growth of two-dimensional defects in the crystal lattice, known as stacking faults (SF). Increasing the SF concentration and area leads to the absorption of impact energy. A breach of the lattice symmetry due to the SF presence causes an additional shift in peaks of the x-ray diffraction pattern obtained from the shock compressed material. Thus pulse x-ray diffraction is the only method that experimentally measures both the dilatational and deviatoric components of the deformation, which takes place during shock wave passage.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1.0 and the AMS fonts, developed by the American Mathematical Society.     

多孔泡沫牺牲层的动态压溃及缓冲吸能机理研究

本文对强动载荷下多孔泡沫牺牲层的动态压溃行为及缓冲吸能机理进行了研究. 基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L)及刚性-塑性硬化(R-PH)两类多孔泡沫材料本构, 建立了强动载荷下多孔泡沫牺牲层动态响应的理论分析模型, 分析了一维冲击波在多孔泡沫牺牲层中的传播规律; 利用Voronoi方法建立了多孔泡沫牺牲层的二维细观有限元模型, 获得了冲击载荷下多孔泡沫牺牲层的变形模式和动态响应曲线, 讨论了多孔泡沫材料的层间界面效应对多孔泡沫牺牲层缓冲吸能的影响. 研究结果表明, 考虑多孔泡沫材料塑性硬化影响的理论分析模型能够预测入射波在远端的反射及对多孔泡沫牺牲层的二次压缩过程和端部应力增强现象; 相比较存在界面的多孔泡沫牺牲层, 连续设计的多孔泡沫牺牲层可增强其缓冲吸能能力, 但在界面处增加设计刚性面板则能够降低界面胞元不完整对缓冲吸能的影响; 相同冲量载荷下, 端部应力峰值随冲击能量增大而增大, 而端部冲击波的反射可能是端部应力增强的主要诱因.      

高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统动力学响应特性

为了给弹载记录仪的防护设计提供依据，从机械振动的角度揭示了高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应机理。在分析弹载记录仪内部载荷传递关系的基础上，基于双自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了一种简化的防护系统动力学响应模型，并开展了数值模拟，通过脉冲响应分析和谐响应分析辨识了模型参数。理论计算与数值模拟的对比分析结果表明:建立的动力学响应模型能较准确地预测高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应特性。在此基础上，以模型的幅频响应特性为依据，分析了防护系统动力学响应特性随各种参数的变化规律。研究结果可为更有效地指导弹载记录仪的防护设计提供依据。     

具有填充材料的金属格栅夹层板在高速冲击下动态响应的数值分析

利用大型非线性有限元程序ABAQUS和LS-DYNA,对具有填充材料的金属格栅结构的冲击问题进行数值模拟.研究了不同的填充材料(金属泡沫和陶瓷)分别填充到不同的格栅构型(波纹型、蜂窝型和加强六边形)夹层板后,各类夹层板受到金属泡沫子弹和不锈钢子弹冲击时变形与能量吸收特性,探讨了夹层板上下面层板、支撑格栅及填充材料等各部分的吸能比率.研究结果表明,泡沫填充夹层板在缓冲吸能方面具有优势,陶瓷填充夹层板则在抵抗冲击穿透方面更具有优势,不同构型的夹层板,性能略有不同.     

Dynamic tensile characterization of pig skin

The strain-rate dependent response of porcine skin oriented in the fiber direction is explored under tensile loading. Quasi-static response was obtained at strain rates in the range of 10-3s-1to 25 s-1. Characterization of the response at even greater strain rates is accomplished by measuring the spatio-temporal evolution of the particle velocity and strain in a thin strip subjected to high speed impact loading that generates uniaxial stress conditions. These experiments indicate the formation of shock waves; the shock Hugoniot that relates particle velocity to the shock velocity and the dynamic stress to dynamic strain is obtained directly through experimental measurements, without any assumptions regarding the constitutive properties of the material.     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

TiNi柱壳在不同约束下的横向冲击实验

为了解TiNi柱壳横向压缩力学性能以制造可重复使用抗冲吸能装置, 对有、无侧向约束的TiNi柱壳进行了横向冲击实验。利用改进的霍普金森压杆装置(SHPB), 配套波形分离方法, 实现了较长时间(~3 ms)的波形测量, 获得了TiNi柱壳在动态加载下的载荷压缩量曲线。通过高速摄影, 捕捉了柱壳的动态变形过程。结果表明, 无约束试件具有优良的可恢复变形能力, 承载力平台段特征明显。侧向约束的引入, 可以有效提高柱壳的承载力和耗能能力, 可以承受更高速度的冲击。选择合适的约束组合, 可望同时实现较大压缩行程和高耗能, 制造实用的抗冲吸能装置。