膜片弹簧应力分布的实验和有限元分析

本文用光弹性贴片法和非线性有限元法对膜片弹簧在小端加载时，弹簧上表面全场应力分布作了研究．实验结果与有限元计算结果吻合良好，并且得到膜片弹簧在危险工况下，其最大应力发生在凹槽边缘中部，否定了目前通用的传统理论所确定的最大应力发生在分离指根部中点的结论     

集中载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性分析

波纹膜片是一种薄壳弹性体，由于它的参数很多，又相互制约，所以使得它的设计很复杂。在大多数位移式仪器仪表中，要求波纹膜片产生至少和膜片厚度是同样数量级的弹性位移。这就要求使用薄壳的几何非线性理论进行分析。大多数学者研究波纹膜片的弯曲问题，是采用扁壳理论讨论具有浅波纹的膜片。而工程实际中，经常遇到深波纹膜片，这就要求从一般壳体大挠度方程进行求解。本文采用轴对称旋转壳体的简化Re-issner方程。研究了在中心集中载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性弯曲问题。应用积分方程方法，可以获得膜片的特征关系（载荷-中心挠度关系）和应力分布。文末给出实例计算的数值结果。     

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。     

工程中一类非线性弹性元件——碟形弹簧和膜片弹簧的研究进展

本文较详尽地论述了工程中广泛应用的一类非线性弹性元件--碟形弹簧(Belleville 弹簧)和膜片弹簧的研究概况,力学理论在此类问题中的应用现状,并指出了今后有待进一步研究的方向与领域....     

拱形金属薄膜非线性力学行为数学建模及其计算

对大变形金属薄膜结构塑性应力应交关系、几何关系和静力平衡关系进行整理和适当交换，将其转化成由3个微分方程和1个代数约束方程组成的初值问题的1阶微分代数方程。采用可变步长和交阶的Klopfenstein-Shampine数值微分方法和Newton-Raphson求解方法，可求得膜片任何位置在任意时刻的应力、应交和变形等力学参量，还可以估算出膜片的极限荷载。最后对一个实例作了数值分析，其计算结果与实验数据得到了较好的符合。     

激波风洞高低压段钢膜片破裂特性研究

激波风洞是用于高超声速飞行器气动外形设计和优化的常用地面试验装置,基于爆轰驱动技术,激波风洞能够在短时间(毫秒级)内产生高温、高压的驱动气体来模拟高超声速试验气流.主膜片位于激波风洞中的爆轰驱动段和激波管段之间,试验时膜片在爆轰脉冲压力下打开,膜片的打开状态和脱落情况对激波风洞气流品质有很大的影响. 同时,膜片也是形成激波的先决条件. 传统的风洞采用铝质膜片进行试验,在激波风洞中需要承压能力更强的膜片, 此时铝质膜片不再适用, 需要采用钢质膜片.因此, 对激波风洞中的钢膜片破裂特性进行研究很有必要.将数值计算结果与试验结果进行比较, 发现数值计算结果与试验结果吻合得比较理想,计算结果具有可靠性. 基于膜片的应力-应变模型, 建立了膜片打开的动力学模型,根据CJ爆轰理论, 采用有限元软件计算模拟了膜片破裂的过程,分析总结了膜片破裂的机制和力学特性规律.采用控制变量法对不同厚度和凹槽长度的膜片进行分析研究,得到了膜片破膜压力和有效破膜时间的变化规律. 在激波风洞试验中,根据膜片总破膜时间设计了适用于JF-12复现风洞的膜片参数.      

激波管聚酯膜片变形过程分析

使用聚酯薄膜作为激波管膜片，通过施加不同压力的激波管实验，获得了膜片厚度及多张膜片的组合方式对膜片所能承受最大压力的影响。利用高速相机对激波管膜片从开始变形到破坏的全过程进行拍摄，使用三维DIC软件获得膜片在变形过程中的位移场。实验发现了膜片会出现圆弧反翘并快速破坏的特别现象，并以此为特征将变形过程分为2个阶段。给出任意厚度膜片第1阶段圆弧变形的数学规律及第2阶段圆弧反翘的形状特征，以及全过程中膜片厚度变化的数学规律。     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测。首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化。本文以某飞机舱门单锁机构中的螺旋压缩弹簧为试验对象进行了不同温度条件下的应力松弛试验,得到其松弛动力学曲线,并基于Arrhenius模型建立了弹簧在工况下的应力松弛服役寿命预测模型;其次,基于应力松弛和蠕变在本质上的一致性,结合金属材料蠕变规律并根据试验弹簧的受力特点,推导出用于描述试验材料松弛行为的蠕变本构方程,由试验结果获得该本构方程的材料常数;最后,通过该本构方程及材料常数,在ANSYS软件中对试验弹簧的松弛过程进行模拟,结果表明,模拟结果与试验结果误差不大于4%。因此,通过本文方法所建立的蠕变方程对弹簧在不同载荷条件下的应力松弛规律进行仿真分析具有一定的可行性与准确性。     

工程中一类梁壳组合结构的有限变形分析与实验研究——碟形弹簧、膜片

本文用梁和轴对称壳体的有限变形理论与实验方法,全面系统地分析研究了工程中广泛应用的一类梁壳组合结构(碟形弹簧、膜片弹簧等).本项研究的主要工作有以下几个方面:...     

工程中一类梁壳组合结构的有限变形分析与实验研究——碟形弹簧、膜片

本文用梁和轴对称壳体的有限变形理论与实验方法,全面系统地分析研究了工程中广泛应用的一类梁壳组合结构(碟形弹簧、膜片弹簧等).本项研究的主要工作有以下几个方面:     

均布载荷作用下带边缘大波纹膜片的非线性弯曲

采用轴对称旋转壳体的简化Reissner方程，研究了在均布载荷作用下具有硬中心的带边缘大波纹膜片的非线性弯曲问题．应用积分方程方法，获得了具有夹紧固定和滑动固定两种外边界的膜片的特征关系，即荷载-中心挠度曲线．作为算例，给出了夹紧固定膜片中的应力分布．     

非线性弹性元件—碟形弹簧,膜片弹簧的力学与数学模型的研究

本文提出了研究碟形弹簧和膜片弹簧的新的力学模型。用梁的大变形理论与一般轴对称壳体Reissnef有限变形理论,建立了符合力学模型和实验资料的新的数学模型——非线性边值问题。应用Green函数方法,将边值问题化为等价的非线性积分方程组,便于理论研究和求解。     

冲击凿入系统入射波形与凿入效率的研究

根据凿岩机冲击活塞的特点提出了弹簧双质量理论模型，并对该模型的入射应力与凿入效率进行了电算。电算结果与实验结果有较好的一致性。     

安装方向对角接触球轴承保持架动态特性的影响

利用二次开发后的有限元软件MSC Patran/Ls-dyna实现角接触球轴承的参数化建模与动态性能分析. 通过与试验以及文献结果进行对比,验证了建立的有限元模型的正确性及仿真结果的可靠性. 在此基础上研究了角接触球轴承不同安装方向对保持架动态特性的影响. 结果表明:由于重力作用,保持架水平安装较竖直安装时更易形成圆形的质心轨迹. 低速工况下,保持架竖直安装时最大应力发生在过梁位置,水平安装时最大应力发生在侧梁位置. 高速工况下,保持架在两种安装方向的最大应力均发生在过梁位置. 不同转速下保持架在轴承竖直安装时最大应力值均更大.      

60Si2Mn螺旋弹簧的压缩应力松弛行为与贮存寿命预测

为评价60Si2Mn螺旋压缩弹簧的室温松弛特性,利用InstronE3000K8953型小吨位电子动静态疲劳试验机,对其在不同温度和初始应力水平条件下进行了高温压缩加速应力松弛试验,研究了环境温度、初始应力水平对松弛行为的影响.基于粘弹性体模型,揭示了应力松弛过程中弹性应变向塑性应变的转化特性与塑性应变随松弛时间的变化规律.在对应力松弛前后弹簧丝材金相和TEM微结构进行对比分析的基础上,探讨了应力松弛的微观机制.结果表明,环境温度与初始应力水平对松弛速率具有显著影响.基于应力松弛过程的热激活特性,建立了60Si2Mn螺旋压缩弹簧的贮存寿命预测方程,并对不同应力水平下弹簧的室温和高温贮存寿命进行了合理预测.     

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

动力扰动诱发巷道围岩冲击失稳的能量密度判据

能量积聚程度及积聚位置是判别冲击矿压是否发生的两个重要参数,运用ANSYS/LS-DY-NA模拟了应力波作用下巷道围岩的能量积聚过程及应力波强度对能量积聚程度的影响,得到了一定围岩应力状态下巷帮围岩能量积聚的大小、位置等结果.模拟研究表明:应力波是巷帮能量积聚、继而诱发冲击矿压的一个重要因素;应力波强度决定了最大能量密度值及其位置,随着扰动应力波强度的增加,巷道围岩的最大能量密度随之增加,最大能量密度点的位置渐渐向巷帮边界面靠近.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理及冲击矿压发生的预测预报具有重要意义.     

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴.当膜片振幅区间在30μm～42μm可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8μm,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.     

复合载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性分析

采用轴对称旋转壳体的简化Reissner方程，研究了在复合载荷作用下具有光滑中心波纹膜片的非线性弯曲问题。应用积分方程方法，可以获得膜片的特征关系（载荷－中心挠度关系）。文末给出了实例计算的数值结果。