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.      

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.     

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％。     

基于非线性微振动流体阻尼隔振器的Octo-strut隔振平台的动力学特性研究

针对一种新型非线性微振动流体隔振器的Octo-strut平台进行研究,基于隔振器的非线性五参数模型及牛顿-欧拉方法建立了Octo-strut隔振平台的动力学模型,并对平台的振动耦合性、安全冗余性等动力学特性进行了理论分析和数值仿真验证。研究结果表明:隔振平台垂直平动z方向、绕垂向转动θ_s方向动力学特性独立,径向平动x方向与径向平动y方向相互垂直,径向平动x方向与绕径向转动θ_y方向、径向平动y方向与绕径向转动θ_x方向的动力学特性相互耦合。隔振平台具有振动耦合性、安全冗余性、非线性温变特性,在工程实际应用时应避免失效隔振器的出现并关注隔振器温变特性,以保证隔振的安全可靠性。     

反共振流体浮筏的隔振特性研究

基于反共振原理, 设计了一种新型的流体浮筏隔振器. 应用流体动量方程和结构振动理论推导了该隔振器的数学模型, 分析了其隔振特性, 得到了最优隔振频率和浮体浸入流体深度的关系式. 仿真结果表明, 当浮体浸入流体深度在有限的范围内变化时, 新型隔振器会在从低频到高频的宽带内发生反共振现象. 反共振条件下的力传递率可降至极低水平.流体浮筏隔振器具有很好的(尤其是低频)隔振效果.     

新型轻质阻尼基座设计与隔振性能研究

为了减少船体振动与辐射噪声,采用声子玻璃和弧形衔接结构设计了一种新型轻质阻尼基座。然后用加速度振级落差表征其隔振性能,开展了水泵电机激励下的基座隔振性能试验研究,结果表明阻尼基座在20～10 000 Hz的频率范围具有显著的隔振效果,相较于同尺寸钢制基座,其振动落差总级可达12.93 dB。研究结果充分验证了本文设计的轻质阻尼基座具备高强度、高阻尼、宽频隔振的特点,在舰船机械设备等减振降噪领域具有广泛的潜在应用价值。     

基于静电悬浮的零刚度隔振减振控制方法

基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台是一种新型的隔振减振平台,但由于静电负刚度的耦合效应,会残留微振动传递路径,从而难以达到理想的隔振效果。首先,建立了基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台的系统模型,分析了静电负刚度的产生机制。然后,提出基于反馈电压反函数调制、非对称调制的两种绝对零刚度构造方法,并将其与基于刚度并联的准零刚度构造方法进行了比较。接着,给出了基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振控制与主动减振控制的一体化兼容设计流程。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统仿真模型,对所提方法进行了隔振性能和鲁棒性方面的仿真实验。实验结果表明,基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振方法能完全隔绝卫星微振动对载荷平台的扰动;在系统参数误差达10%的条件下,所提方法仍可获得比无刚度补偿系统优1～2个量级的隔振性能。     

引力波探测中的被动隔振系统

介绍了引力波探测实验中的被动隔振系统的基本原理和研究现状,讨论其性能及特点.低频被动隔振系统,如七级气体弹簧隔振系统,多级隔振堆,四级悬臂弹簧隔振系统以及三级弯曲弹簧隔振系统在10Hz以上,都具有好的隔振性能;倒摆、折叠摆、 X摆和锥摆等超低频水平隔振系统实现了几十秒的共振周期;建立在对称扭杆弹簧系统基础上,构思新颖的被动垂直隔振系统克服了传统被动垂直隔振系统无法解决的困难,实现了超低频被动垂直隔振.      

非线性被动隔振的若干进展

工程中航空航天、船舶与海洋结构物及其上装备和精密仪器易受极端环境干扰和破坏,使得非线性隔振理论在近十年来迅猛发展;针对日益严峻的隔振和抗冲击等要求,工程师和科学家们已发展出各种不同的非线性隔振系统,包括主动、半主动、被动和复合隔振.利用非线性改善的被动隔振兼具传统被动隔振的鲁棒性和主动隔振的高效性成为振动控制领域的先进技术.本文主要综述了非线性隔振理论和应用的近十年进展,包括非线性隔振设计、建模、分析、仿真和实验.在隔振系统的构建中,既考虑了刚度非线性又考虑了阻尼非线性;动力学响应的研究中,既有确定性分析又有随机分析.首先提出了适用于非线性隔振系统改进的评价方式;其次综述了高静态低动态刚度隔振及其加强形式非线性阻尼加强和双层非线性隔振,混沌反控制技术、内共振影响、非线性能量阱应用等振动机制利用型隔振和非线性隔振功能材料.最后,对非线性隔振研究发展的热点和关键性问题进行了分析和展望.     

带非线性弹簧的两自由度准零刚度隔振系统力传递率特性

基于多自由度系统中的反共振特性,分别在传统线性隔振系统的上、下两层引入非线性倾斜弹簧负刚度机构,构成两自由度准零刚度隔振器。通过静态特性分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数之间的关系,分析了力学参数及结构参数对系统刚度特性的影响。建立两自由度准零刚度隔振系统的非线性动力学方程,利用平均法求解,推导出力传递率表达式,结合数值分析方法,探讨系统在不同的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比及质量比情况下的力传递率特性,并与单自由度准零刚度隔振系统及线性斜弹簧两自由度准零刚度隔振系统进行对比研究。结果表明：当结构参数 （即：倾斜弹簧处于静平衡位置的长度与倾斜弹簧原长的比值）较小且倾斜弹簧为软化弹簧时,可在平衡位置附近获得较小的系统刚度及较大的低刚度区间;通过选择适当的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比与质量比,可减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能。     

铁磁材料不同应变状态下的磁特性实验研究

通过实验测量了一种铁磁材料—中碳钢在不同应变状态下的磁滞回线．由此得出矫顽力-应变和剩磁-应变的关系曲线,研究了磁场和应力场对钢铁材料的耦合作用,并对现象作了初步的解释．     

基于拓扑优化的均匀磁场励磁结构设计方法

在一定限度的空间内设计励磁结构以使在所需要的区域内产生足够强度和均匀度的磁场,是实现重要的医学诊断设备设计的关键。本文基于拓扑优化方法,建立了能够产生均匀磁场的核磁共振成像仪器中超导励磁线圈空间排布形式的优化设计方法。以励磁线圈在给定区域内的分布参数为设计变量,以在所需区域内磁场的均方差为均匀性描述指标,建立了包含线圈体积和磁场强度要求的均匀磁场设计优化问题的数学模型。基于所建立的优化模型,给出了具体的均匀磁场的励磁结构设计方案。该设计方案的仿真分析,验证了磁场的均匀性以及所建立的方法的有效性。     

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。     

Study of cobalt ferrite nanosuspensions for low-frequency ferromagnetic hyperthermia

High-coercive cobalt ferrite nanoparticles were synthesized and studied for magnetic hyperthermia by direct injection of their suspension into a tumor and application of a strong audio-frequency magnetic field for heating.Physical (dynamic magnetic hysteresis and heat generation in both liquid and solid dispersions),biological (toxicity and penetration of particles in therapeutic quantities into mouse tumor tissue) as well as other properties of the particles were studied.A model was developed to describe the magnetodynamics in suspensions of magnetic nanoclusters with an account for both Brownian and regular rotations,to provide understanding of observed phenomena.The experimental and theoretical techniques developed have formed a basis for controllable synthesis of the magnetic nanoparticles for low-frequency heat generation in medical and other applications.     

Study of cobalt ferrite nanosuspensions for low-frequency ferromagnetic hyperthermia

High-coercive cobalt ferrite nanoparticles were synthesized and studied for magnetic hyperthermia by direct injection of their suspension into a tumor and application of a strong audio-frequency magnetic field for heating. Physical （dynamic magnetic hysteresis and heat generation in both liquid and solid dispersions）, biological （toxicity and penetration of particles in therapeutic quantities into mouse tumor tissue） as well as other properties of the particles were studied. A model was developed to describe the magnetodynamics in suspensions of magnetic nanoclusters with an account for both Brownian and regular rotations, to provide understanding of observed phenomena. The experimental and theoretical techniques developed have formed a basis for controllable synthesis of the magnetic nanoparticles for low-frequency heat generation in medical and other applications.     

磁流体密封自修复的试验研究

通过磁流体密封试验观察了磁流体密封破裂后的自修复过程。研究了导致磁流体密封破裂的加压速率、破裂次数、密封磁场梯度、磁极的密封齿级数和磁极级数等因素对磁流体密封自修复后承压能力的影响规律。结果表明：加压速度越大，破裂次数越多，磁场梯度越小，则自修复程度越低；齿级数过多会降低磁流体密封的自修复能力，而采用多磁极少齿级密封结构可使磁流体损耗后得到较好的补充。从而提高磁流体密封的自修复能力。     

Stability of plane-parallel flow of magnetic fluids under external magnetic flelds

In this work, we present a theoretical study on the stability of a twodimensional plane Poiseuille flow of magnetic fluids in the presence of externally applied magnetic flelds. The fluids are assumed to be incompressible, and their magnetization is coupled to the flow through a simple phenomenological equation. Dimensionless parameters are deflned, and the equations are perturbed around the base state. The eigenvalues of the linearized system are computed using a flnite difierence scheme and studied with respect to the dimensionless parameters of the problem. We examine the cases of both the horizontal and vertical magnetic flelds. The obtained results indicate that the flow is destabilized in the horizontally applied magnetic fleld, but stabilized in the vertically applied fleld. We characterize the stability of the flow by computing the stability diagrams in terms of the dimensionless parameters and determine the variation in the critical Reynolds number in terms of the magnetic parameters. Furthermore, we show that the superparamagnetic limit, in which the magnetization of the fluids decouples from hydrodynamics, recovers the same purely hydrodynamic critical Reynolds number, regardless of the applied fleld direction and of the values of the other dimensionless magnetic parameters.     

直流稳恒磁场下高速钢/45~#钢环干滑动摩擦磨损特性研究

采用改进后的MPV-1500型摩擦磨损试验机,研究了常温下直流磁场对高速钢销/45#钢环摩擦副干滑动摩擦磨损特性的影响.结果表明:适当控制磁场强度可以降低磨损;磁场促进氧化,随着磁场强度增加,摩擦面生成的Fe2O3含量增加,磁场强度较大时,将有部分Fe3O4生成;载荷250 N,线滑动速度0.2 m/s下,随着磁场强度的增加,高速钢销试样的磨损量一直降低,45#钢环试样的磨损量、摩擦系数先降低后增加;磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损.     

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。     

Revisiting the elastic solution for an inner-pressured functionally graded thick-walled tube within a uniform magnetic field

In this paper, the mechanical responses of a thick-walled functionally graded hollow cylinder subject to a uniform magnetic field and inner-pressurized loads are studied. Rather than directly assume the material constants as some specific function forms displayed in pre-studies, we firstly give the volume fractions of different constituents of the functionally graded material (FGM) cylinder and then determine the expressions of the material constants. With the use of the Voigt method, the corresponding analytical solutions of displacements in the radial direction, the strain and stress components, and the perturbation magnetic field vector are derived. In the numerical part, the effects of the volume fraction on the displacement, strain and stress components, and the magnetic perturbation field vector are investigated. Moreover, by some appropriate choices of the material constants, we find that the obtained results in this paper can reduce to some special cases given in the previous studies.