三轴压阻微加速度计的结构力学分析

为了提高三轴加速度计机械精度和加工过程中硅片的一致性,设计了基于SOI的单质量块四边八梁结构的三轴加速度计。通过连接扩散在梁上的压敏电阻构成得惠斯通电桥检测三个方向的加速度信号。电桥设计为开环形式,并给出三个方向的电桥输出。结合材料力学和振动力学中的相关理论,建立了结构的数学模型,并对其进行了系统的力学分析,从而得出结构参数对加速度计的一阶固有频率、灵敏度等性能的影响。利用有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行了静态和模态分析,验证了力学分析的正确性。最后设计了八张版图及一套可行的工艺流程并加工出加速度计裸片。该微加速度计可同时检测三维加速度矢量,且电桥和结构的设计均较好的抑制了横向效应。     

三重檐攒尖顶仿古楼阁的结构设计及仿真分析

楼阁式古建筑因其精巧的设计和优美的造型已成为中国古建筑的典型象征.以第八届全国大学生结构设计竞赛为题,对三重檐攒尖顶仿古楼阁进行结构设计并对其结构进行力学特性分析.以质量轻、结构合理为设计目标,对结构进行选型,并利用有限元软件模拟地震作用,分析模型的受力状态并且不断优化模型结构.对模型的结构设计及其力学分析,可以为同类古建筑的抗震修缮与补强提供现实的理论依据,也具有工程实际意义.     

用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速(10~4 rpm)的启动时间为36.9 min。     

模态分析在高精度加速度计结构设计中的应用

石英振梁式加速度计是一种频率输出的高精度加速度计。石英谐振器是石英振梁式加速度计的关键部件。由于高动态性能要求，在结构设计阶段，必须对其进行模态分析。用模态分析理论和有限元软件工具，进行结构模态分析和谐响应分析，揭示其结构的静、动态性能。理论分析和计算机仿真结果表明所设计的结构能满足使用要求，同时为改善优化设计时的效率和质量提供依据和方法。     

力学复合环境下挠性陀螺仪的动力学分析

为研究分析挠性陀螺仪在过载振动复合环境下附加误差形成的机理和建立误差补偿模型,从结构分析入手,采用有限元分析软件ANSYS建立陀螺仪的实体模型和有限元模型,计算陀螺仪的章动频率,并与实验测量值进行比较,验证了模型的正确性;对挠性陀螺仪在过载-振动复合环境中的动力学特性进行分析研究,得到了各节点轴向位移,结合施加的载荷即可以计算得到陀螺仪的漂移角速度;同时通过模态分析计算得到陀螺仪的固有频率及相应振型.     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

精密离心机结构动静态特性计算

精密离心机是测量和标定加速度计的重要设备，而加速度计的精度直接关系到运载体的导航精度，本文结合精密离心机的机械结构设计，利用结构分析的有限元方法，对离心机结构设计的方案进行了详细的结构动静态特性分析计算，得出了精密离心机的动静态特性。     

石英挠性加速度计温度稳定性改进设计

石英挠性加速度计是捷联式惯导、重力梯度计等惯性测量设备的核心元件,其偏值和标度因数的温度稳定性是影响惯性测量设备性能的重要因素。为提高加速度计温度稳定性,从结构设计、材料选择、工艺改进、磁路优化四个方面进行了改进设计。首先,分析了加速度计零偏和标度因数温度稳定性影响机理。其次,设计了摆片隔离槽结构,摆片与骨架之间采用二次过渡粘接工艺,力矩器线圈骨架选用温度性能更好的氮化铝陶瓷材料,优化了上下磁路连接方式。最后,对改进措施进行了实验验证,实验结果表明,改进后的石英挠性加速度计全温条件下（-40℃～+60℃）偏值和标度因数温度系数减小约30μg/℃和10 ppm/℃,降低到6.8μg/℃和13.7 ppm/℃,显著改善了加速度计的温度稳定性。     

新型挠性支承结构及其加工方法

在分析现有几种挠性支承结构和加工方法的优缺点的基础上，研究了一种新型的挠性支承结构并在充分分析这种结构的优点后，提出了针对这种结构的切实可行的加工方法。此外还讨论了这种加工方法所存在的问题。     

机械荷载与热荷载共同作用下变厚度梁的热弹性力学解

本文研究了两端简支变厚度梁受机械荷载与热荷载共同作用下的热弹性力学解.温度场用调和级数展开,通过求解热传导方程可首先确定温度沿梁厚度方向的非线性分布情况.从二维热弹性力学理论的基本方程出发,导出满足控制微分方程和两端简支边界条件的位移函数的一般解,对上下表面的边界方程作傅立叶正弦级数展开确定待定系数,数值结果与商业有限元软件ANSYS进行了比较,显示出很高的精度.本文方法可直接应用于对应力和位移分析要求较高的工程问题,如航空航天和微型机械的设计.     

四种不同约束形式隔板式铅耗能器的试验研究

铅耗能器主要利用金属铅塑性耗能,是一种构造简单、耗能性能优良而又经济的耗能减震元件。本文提出了一种隔板式铅耗能器。根据其构造和耗能原理,设计了四种不同约束形式的耗能元件,并通过EHF-EM电液伺服疲劳试验机进行了低周循环试验,分析了这四种约束形式对隔板式铅耗能器的力学性能与耗能性能的影响,揭示了其耗能机制。研究结果表明:隔板式铅耗能器主要具有屈服位移小、造价低廉、构造简单、工作性能稳定、耗能性能优良的特点,在建筑结构和大型机械减振控制方面具有广泛的应用前景;对比分析表明,其中B型耗能器力学性能尤为优越,耗能能力大且随位移增大刚度增强,同时对结构振动还具有限位功能。     

半刚性连接钢框架的拟动力实验研究

在钢框架结构的设计中, 通常将梁柱节点处理为完全刚接或理想的铰接.但是在实际框架中, 梁柱节点表现出半刚性.目前的实验研究基本都基于结构和构件的静力分析.本文对半刚性连接钢框架结构进行了拟动力实验研究,得出了在地震波激励作用下,半刚性节点初始刚度对钢框架的楼层刚度、基底剪力、楼层位移和楼层加速度的影响.对实验结果进行对比分析可以看出,在结构侧向位移满足的前提下半刚性连接刚度的减弱会引起结构作用效应的降低.实验总结出的节点半刚性对结构动力性能影响的一些结论,将为高层钢结构设计规范的修改提供实验基础.     

加速度计的全组合标定方法

阐述了在重力场上用全组合法标定单加速度计的方法,并且推导了加速度计全组合标定法测试原理。这种方法剔出了测试设备的确定性角位置误差对加速度计误差模型系数标定精度的影响,提高了加速度计的标定精度。结合上述的理论分析,对某型号加速度计进行了实际测试和误差分析,实验结果证明本方法对于提高加速度计标定精度是非常有效的。     

Dimensionless design model for biaxial Cartwheel flexure hinges

Flexure hinges have been widely used in space-borne telescopes for mounting reflective optics with high surface figure requirements. To realize the three-point flexural mount of a Φ750 mm primary mirror, a Cartwheel biaxial flexural hinge composed by filleted short beams is proposed and the dimensionless design graph method for the flexural hinge is presented. The finite element analysis is performed on the flexure model to validate the proposed method. We also demonstrate the feasibility of the proposed method experimentally. The maximum relative error of the rotational stiffness between analysis, testing result, and design value is 5.0%. The proposed dimensionless design graph can be used as a design tool to determine the optimal geometry of a spatial flexure hinge rapidly.     

Design and analysis of a novel 6-DOF redundant actuated parallel robot with compliant hinges for high precision positioning

This paper presents the design and modeling of a new 6-DOF 8-PSS/SPS compliant dual redundant parallel robot with wide-range flexure hinges. This robot can achieve either high accurate positioning or rough positioning as well as a 6-DOF active vibration isolation and excitation to the payload placed on the moving platform. Adopting a kind of wide-range flexure hinge, we establish the kinematics model of the macro parallel mechanism system via the stiffness model and Newton–Raphson method, then we build up the dynamics model using Kane’s method for the micro-motion system. The investigations of this paper will provide suggestions to improve the structure and control algorithm optimization for a novel compliant dual redundant parallel mechanism in order to achieve the feature of larger workspace, higher motion precision and better dynamic characteristics. The results will be helpful in modifying the structure of the prototype platform to enhance its high kinematics and dynamics properties.     

Design and dynamic performance research of MR hydro-pneumatic spring based on multi-physics coupling model

Aiming at the problem that the damping coefficient of the traditional hydro-pneumatic spring cannot be adjusted in real-time, the magnetorheological (MR) damping technology was introduced into the traditional hydro-pneumatic spring with single gas chamber. A new shear-valve mode MR hydro-pneumatic spring was proposed. And its dynamic performance was analyzed based on multi-physical coupling simulation and mechanical property test. Firstly, a structural scheme of MR hydro-pneumatic suspension was proposed to ensure the original height adjustment function based on the working principle of traditional hydro-pneumatic suspension with single gas chamber. Secondly, based on the design requirements, the parameter of MR hydro-pneumatic spring damping structure was designed by using MR damper design method. Thirdly, the multi-physical coupling dynamic performance of the MR hydro-pneumatic spring damping structure was analyzed based on the electromagnetic field analysis theory, flow field analysis theory and thermal field analysis theory. The analysis results showed that the designed MR hydro-pneumatic spring has reasonable magnetic circuit structure and excellent working performance. Then, the mechanical properties of MR hydro-pneumatic spring were tested. The results showed that the maximum damping force can reach 20 kN, and the dynamic adjustable multiple can reach 6.4 times. It has good controllability and meets the design requirements. Finally, a nonlinear model of MR hydro-pneumatic spring was established based on the elastic force calculation model of the gas and the Bouc–Wen model. The simulation results of the established model agree well with the experimental results, which can accurately describe the dynamic properties of the hydro-pneumatic spring. The proposed design and modeling method of the MR hydro-pneumatic spring can provide a theoretical basis for the related vibration damping devices.

     

展开式战斗部能量吸收铰链结构

基于展开式战斗部动力学展开原理及理论模型,设计一种具有能量吸收特性的限位铰链,并对不同辅助装药量下展开式战斗部的展开过程进行数值模拟,对比分析了普通铰链和能量吸收铰链的展开过程,重点研究了限位角度时的受力与能量吸收情况,结果表明能量吸收铰链可以更好地降低碰撞力及提高吸能效果。对两种铰链装配的展开式战斗部结构进行了静爆实验,结果显示普通铰链发生不同程度的破坏,而能量吸收铰链结构完整,证明能量吸收铰链达到限位角度时能有效保证战斗部及铰链的完整性,进而验证了能量吸收铰链设计的合理性以及数值模拟的可靠性。     

Flexure-based micromechanical testing machines

The successful design and fabrication of structures and systems at the small scale require robust methods for characterizing the mechanical behavior of materials at the same scale. In this paper we describe the design of two flexure-based micromechanical testers capable of measuring forces with an accuracy of 25 μN over a range of 1–30 N, and specimen extensions with an accuracy of 20 nm over a range of 1–5 mm. These force and displacement resolutions and ranges are required in a wide variety of material characterization applications, such as microtensile testing of micrometer-dimensioned films, foils and wires, bending of millimeter-sized beams, as well as micro-indentation. The novel feature of our machines is that they are based on the use of two compound flexures in an integrated monolithic frame: one flexure functioning as a precision guide for actuation, and the other fexure as a linear spring for force measurement. Two machines, one with a maximum load capacity of 1.5 N and the other of 30 N, have been constructed based on this concept. Details of their design, construction, and typical test results are presented in this paper.     

单轴旋转对惯导系统误差特性的影响

分析了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理,对陀螺和加速度计常值漂移、安装误差、标度因数误差等因素在单轴旋转下的调制情况进行了研究。通过仿真分析了转动速度对各种误差的影响规律,指出了实际系统旋转速度和方式的选择要综合考虑陀螺的常值漂移和标度因数误差的影响。利用激光捷联惯导系统在实验室中进行了单轴旋转IMU实验,其定位精度优于1nm／24h。研究结果可以为单轴旋转惯导系统的进一步优化和工程设计提供理论参考。     

可重构力学超材料的设计与波动特性研究

力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注. 文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构, 首先建立了等效弯曲梁模型, 基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理, 之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响, 分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围, 绘制了几何参数与力学性能之间的相图. 同时, 可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性, 利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系, 对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响, 之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性. 通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控, 为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.