MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400, 80, 50, 1000和80 m 时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析（英文）

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400,80,50,1000和80μm时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

精密光束偏离装置棱镜组件的光机热分析

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型，进行了光机热集成分析.对棱镜组件的结构强度进行了校核，分析了机械载荷作用下的镜面变形；通过模态分析，给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况；最后对棱镜的热弹性变形进行了分析，对棱镜的光学性能进行了评价.结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级，最大应力为0.403 MPa，应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度；前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz，装置具有良好的动态性能；通过对比棱镜在热-结构耦合分析和机械载荷下的分析结果，说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响.装置使用时必须采取严格的温控措施.     

42T水冷磁体容器模态及抗震分析

42 T水冷磁体是我国稳态强磁场实验室在建的设计指标最强的高场水冷磁体装置.本文聚焦于42 T水冷磁体容器在本地7级地震这一极端工况下结构强度可靠性研究.首先基于有限元分析软件对水冷磁体容器进行高压工况下的应力分析，再通过自重分析研究其20阶非零模态的固有频率；根据前20阶固有频率，获得地震水平反应谱值，再结合Response Spectrum模块模拟地震作用下42 T容器的响应谱分析.结果显示，在3 MPa水压工况下容器最大应力为115 MPa,在地震谱激励下产生的最大等效应力为1.69 MPa,最大位移为0.016 mm, 304不锈钢材料许用应力为137 MPa,故42 T水冷磁体容器设计符合7级地震工况要求.     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

涡旋板弹簧的有限元分析及实验

板弹簧支承技术是线性压缩机的关键技术之一,在为活塞提供轴向回复力的同时,还用来支承压缩活塞、保证密封间隙。在优化分析的基础上,文中设计制造了一款三臂涡旋板弹簧。利用ANSYS有限元软件分析了该款板弹簧的轴向刚度、径向刚度、应力分布以及固有频率特性,并对板弹簧的轴向刚度和固有频率进行了实验研究。实验结果表明,采用有限元分析方法分析板弹簧性能是有效的。     

星载光电跟瞄转台动态特性分析EI北大核心CSCD

针对目前利用有限元方法分析星载光电跟瞄转台动态特性时存在的建模失真问题,提出使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构等效建模,并通过定义模态阻尼比,精确模拟转台的固有频率及响应特性。通过理论计算和基于模态试验数据的参数辨识,确定各等效单元刚度;通过基于扫频试验数据的参数辨识,确定结构模态阻尼。基于建立的等效有限元模型进行仿真分析,模态分析中前6阶固有频率与试验结果的最大偏差为5.1%,谐响应分析中X、Y、Z三个主方向的最大响应与试验结果的最大偏差为3.2%,固有频率与响应一致性良好,均在允许的误差范围内。说明使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构进行等效建模,通过模态和扫频试验数据确定转台刚度和阻尼特性是可行的,对同类型转台的建模仿真有一定借鉴作用。     

有限元法在光学工程中的若干应用

介绍了有限元法在光学机械结构件和光学件的设计中的应用。结合几个光学工程的设计实例，概括了有限元法在光学系统结构应力分析、形变分析和动态特性分析等方面的应用。     

基于ANSYS的红外光学系统的有限元分析

红外光学系统作为空-空导弹的重要有机组成部分,要经历复杂的动力学环境。采用有限元分析方法对红外光学系统结构在工作状态下的变形、应力及固有频率进行了全面分析。验证了光学系统的结构是否满足光学像质要求和刚度要求,确定了面形变化的显著区域,并专门对其中的关键结构进行了详细分析,进而提出结构优化的途径。该方法对光学系统结构设计和分析具有现实意义,有助于进一步分析研究光学系统结构动力学。     

真空应用太阳模拟灯的热分析方法

为了对某型号相机进行热平衡试验,在真空环境下进行太阳模拟灯热仿真分析,根据热平衡试验需要,提出了技术要求,对关键结构的刚性和应力分布进行了有限元分析,并根据有限元分析结果对设计进行优化,满足了关键结构件的刚性要求,主要技术难题是灯极导热问题,为了这一难题,采用了主动控制技术,专门设计了导热机构,充分利用了热管的高导热率,建立了科学合理的有限元热模型进行热分析,通过仿真设计,采用热管导热技术完成了太阳模拟灯结构的热设计,解决了太阳模拟灯使用时的导热问题。     

光学无线电测量信息融合定位方法

在外弹道测量系统中,将光学设备与无线电设备测量数据进行融合处理,可以提高系统的综合测量水平和设备的使用效率。利用部署在光电经纬仪附近的雷达,建立光电经纬仪和雷达联测定位模型。由全微分公式,根据测站站址差将光电经纬仪的测角信息与雷达的测距信息进行数据融合,可以得到目标相对于雷达的方位角和俯仰角,从而确定目标的空间三维位置;分析了定位模型的主要误差来源和对定位结果的影响。结果表明,光电经纬仪雷达联合定位算法得到的精度优于雷达单台定位精度,联合定位的精度达到2 m以内,同时发挥了光电经纬仪和雷达跟踪测量的长处。     

不等厚环在经纬仪二轴差调校机构中的应用

本文介绍了一项用于经纬仪二轴差校正的整体式调校方案—不等厚环装调机构,分析了其调校原理,并结合工程实例介绍了其调校过程,证明了它具有实用、高效、可靠等鲜明的特点.     

光电经纬仪测角精度分析

测角精度是影响光电经纬仪定位功能的重要因素。为了进一步提高光电经纬仪的测角精度,对测角误差进行详细分析是必要的。从光电经纬仪的总体设计出发,找出了影响测量数据获取、转换、合成中的各项误差源,并详细分析了它们的大小和性质。通过分析光电经纬仪工作原理及结构找出了主要误差源。对机架系统的误差、测角单元误差、电气系统误差、脱靶量误差、大气折射修正误差等主要误差源进行分析计算,并对各单元进行了误差分配。最后,计算了光电经纬仪投影测角精度的均方根值。分析计算结果显示:通过精心设计、加工、检测,修正可使一部分误差减小甚至忽略,但机架系统的误差、测角单元误差、脱靶量误差对测角精度的影响仍很显著;在当前工艺水平下,光电经纬仪事后空间指向精度可以达到2。     

导弹四级磁场电枢轨道过盈配合参数优化

为了促进四级电磁轨道发射器在地空导弹武器发射中的应用,对四级电枢的过盈结构进行了研究。在有限元软件Ansys Workbench三维过盈装配仿真的基础上,选择最大等效应力、接触面积系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数四个表征接触特性的评价指标,采用正交试验的方法对四级电枢的过盈量、尾翼宽度、尾翼厚度和过盈长度4个过盈结构参数进行了综合优化。结果表明,采用过盈量2 mm、尾翼宽度140 mm、尾翼厚度40 mm、过盈长度270 mm的优水平组合能够使发射前期电枢和轨道间接触特性更理想,可为四级电枢结构设计提供参考。     

Improved eigenvalues for combined dynamical systems using a modified finite element discretization scheme

New approaches are presented to discretize an arbitrarily supported linear structure carrying various lumped attachments. Specifically, the exact eigendata, i.e., the exact natural frequencies and mode shapes, of the linear structure without the lumped attachments are first used to modify its finite element mass and stiffness matrix so that the eigensolutions of the discretized system coincide with the exact modes of vibration. This is achieved by identifying a set of minimum changes in the finite element system matrices and enforcing certain constraint conditions. Once the updated matrices for the linear structure are found, the finite element assembling technique is then used to include the lumped attachments by adding their parameters to the appropriate elements in the modified mass and stiffness matrices. Numerical experiments show that for the same number of elements, the proposed scheme returns higher natural frequencies that are substantially more accurate than those given by the finite element model. Alternatively, the proposed discretization scheme allows one to efficiently and accurately determine the higher natural frequencies of a combined system without increasing the number of elements in the finite element model.     

电磁轨道炮C型固体电枢坡膛段的装填方式研究

 为了满足电磁轨道炮对电枢和轨道间初始接触压力的要求,以小口径电磁轨道炮C型固体电枢的坡膛段装填过程为研究对象,在力学分析的基础上,采用有限元计算方法,对匀速装填、冲击装填以及组合装填3种方式进行了计算,并对电枢臂头部、中间和尾端单元的径向变形、应力和剪切应力随时间的变化进行了对比分析。分析结果表明,在同等条件下,采用组合装填方式可以明显地降低固体电枢在装填过程中受剪切破坏的程度,并有效地提高初始接触压力。研究结果表明,组合装填方式有利于提高电磁轨道炮的发射效率。     

DYNAMIC ANALYSIS OF LARGE-DIAMETER SAGGED CABLES TAKING INTO ACCOUNT FLEXURAL RIGIDITY

For the purpose of developing a vibration-based tension force evaluation procedure for bridge cables using measured multimode frequencies, an investigation on accurate finite element modelling of large-diameter sagged cables taking into account flexural rigidity and sag extensibility is carried out in this paper. A three-node curved isoparametric finite element is formulated for dynamic analysis of bridge stay cables by regarding the cable as a combination of an “ideal cable element” and a fictitious curved beam element in the variational sense. With the developed finite element formulation, parametric studies are conducted to evaluate the relationship between the modal properties and cable parameters lying in a wide range covering most of the cables in existing cable-supported bridges, and the effect of cable bending stiffness and sag on the natural frequencies. A case study is eventually provided to compare the measured natural frequencies of main cables of the Tsing Ma Bridge and the computed frequencies with and without considering cable bending stiffness. The results show that ignoring bending stiffness gives rise to unacceptable errors in predicting higher order natural frequencies of the cables, and the proposed finite element formulation provides an accurate baseline model for cable tension identification from measured multimode frequencies.     

A novel formulation for the numerical computation of magnetization modes in complex micromagnetic systems

The small oscillation modes in complex micromagnetic systems around an equilibrium are numerically evaluated in the frequency domain by using a novel formulation, which naturally preserves the main physical properties of the problem. The Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) equation, which describes magnetization dynamics, is linearized around a stable equilibrium configuration and the stability of micromagnetic equilibria is discussed. Special attention is paid to take into account the property of conservation of magnetization magnitude in the continuum as well as discrete model. The linear equation is recast in the frequency domain as a generalized eigenvalue problem for suitable self-adjoint operators connected to the micromagnetic effective field. This allows one to determine the normal oscillation modes and natural frequencies circumventing the difficulties arising in time-domain analysis. The generalized eigenvalue problem may be conveniently discretized by finite difference or finite element methods depending on the geometry of the magnetic system. The spectral properties of the eigenvalue problem are derived in the lossless limit. Perturbation analysis is developed in order to compute the changes in the natural frequencies and oscillation modes arising from the dissipative effects. It is shown that the discrete approximation of the eigenvalue problem obtained either by finite difference or finite element methods has a structure which preserves relevant properties of the continuum formulation. Finally, the generalized eigenvalue problem is solved for a rectangular magnetic thin-film by using the finite differences and for a linear chain of magnetic nanospheres by using the finite elements. The natural frequencies and the spatial distribution of the natural modes are numerically computed.     

空间激光跟瞄中指向驱动电机运动特性研究

设计了一种深空非合作目标的激光扫描、捕获、跟踪地面实验装置,通过模拟深空同轨道运动的两颗卫星跟瞄过程,在理论上计算了跟瞄装置中光束指向驱动电机的最小加速度和其在跟踪过程中的运动特性。理论分析与仿真结果表明,当卫星偏离光斑中心一定距离时,指向驱动电机先加速后减速,补偿这个偏心,重新捕获跟踪卫星;重新捕获到跟踪所需时间受电机加速度和望远镜探测精度以及探测器响应处理时间影响,其中探测器精度对重新捕获到跟踪所需时间影响较大,探测器响应处理时间要减小到最小;为了使从捕获到跟踪过程中卫星始终在扫描光斑范围内,经纬仪驱动电机的最小角加速度为25.5°/s2。