两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性

近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.      

动力机器地基随机振动研究

在土层中取一变截面土柱,从一维波动方程出发,采用复弹性模量,计及土的弹性模量沿深度的变化和阻尼影响,推导出动力机器简谐扰力作用下地基土垂直振动的位移,并在此基础上,计算出位于机器下方地基土对机器随机扰力的动力响应．     

自然界鱼类游动的力学现象与丰富多彩的仿生鱼设计

汉代辛氏《三秦记》中记述:``龙门山,在河东界. 每岁季春,有黄鲤鱼自海及诸川,争来 赴之. 一岁中,登龙门者不过七十二. 初登龙门,则有云雨随之,云火自后烧其尾,乃化为 龙矣. '民间``鲤鱼(Carp)跃龙门'美好的传说一直流传至今. 为什么在传说中选择鲤鱼 去跳龙门呢？不但因为鲤鱼长着``鱼须'酷像``龙须',更重要的是鲤鱼能够较迅速地跃出 水面. 那么鲤鱼是靠什么跃出水面的呢？尾巴！这一定是大家的回答. 答案是肯定的. 从力 学原理的角度上讲,鲤鱼能否跳过龙门取决于它跃出水面的速度和角度.     

自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台,对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究.实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡,通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉.为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制,对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性.基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据,阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性.研究结果表明:(1)在相同输入电压下,液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小,当输入电压为400 V时,液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍;同时,液氮单空泡经历了膨胀阶段-收缩阶段-振荡阶段以及上升阶段的演化过程.(2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导,没有明显的塌陷现象,收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍.(3)在液氮空泡振荡初期,空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应;在整个振荡阶段,空泡界面附近存在破碎的小泡.当输入电压较高...     

参数激励下静电驱动微机电系统动力特性研究

充分考虑压膜阻尼效应的影响,提出参数激励下时变电容式静电驱动微机电系统的动力学模型,采用谐波平衡法分析在参数激励和强迫激励耦合作用下系统的幅频响应特性,探讨不同控制电压和频率比对系统幅频响应的影响,分别以交流电压幅值、频率比和压膜阻尼比为控制参数研究系统的非线性动力特性,结果表明,微尺度下静电驱动微机电系统在参数激励作用下存在较为丰富的分岔与混沌行为,压膜阻尼效应对系统动力特性的影响不可忽视.      

表面张力驱动对流的实验研究

液桥的表面张力驱动对流问题,是目前国际上最受重视的空间科学研究课题之一。本文回顾了该问题的起因及实验研究的进展状况,综述了现有的实验结果,指出了一些存在的问题。      

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

单自由度体系地震动力响应的混沌特性分析

引入非线性动力学理论和混沌时间序列分析方法考察地震动作用下单自由度体系动力响应的混沌特性。输入典型近断层地震动记录,定量计算了代表性周期的单自由度弹性和非弹性体系加速度响应时程的非线性特性参数。计算表明,这些加速度响应的关联维数为分数维,最大Lyapunov指数大于0;地震动激励下单自由度体系的地震动力响应具有混沌特性,不是完全的随机信号,为理解结构地震动力响应的不规则性与复杂性提供了新思路和新视角。     

单色高温计测量火焰动态温度的可行性实验研究

一种测量固体表面温度的单色高温计经改进后,用于火焰动态温度测量,本文设计了三组实验对其可行性进行研究,即:黑火药与铝热剂的分层火焰温度测量实验、单色高温计与热电偶的测温对比实验和激波管内氢氧爆炸火焰动态温度测量实验。结果表明,当目标尺寸远大于单色高温计红外视场时,所测火焰温度可视为单色高温计光轴上的最高温度;采用单色高温计和热电偶同时测量发光火焰的温度,测量结果相差不到6.2%;单色高温计所测氢氧爆炸火焰的动态温度曲线,较好地反映了爆炸火焰的动态传播规律;经改进的单色高温计可以用于爆炸火球等发光火焰的动态温度测量。     

单晶金刚石车刀在超精密单点切削中的磨损分析

通过金刚石单点切削试验 ,考察了对无氧铜、铝合金和单晶硅进行超精密单点切削时金刚石刀具的磨损行为 ;分析了刀具磨损对被加工材料表面粗糙度的影响 ;并应用光学显微镜和原子力显微镜对刀具的不同磨损形态进行了宏观和微观观测 ;结合热力学、化学反应磨损和机械磨损的分析方法 ,对金刚石车刀在切削 3种材料时的不同磨损机理进行了实验研究和理论分析 .结果表明 ,为了减轻甚至消除金刚石刀具的磨损 ,在切削铜时应使用少氧或无氧的切削液 ;在切削铝时应在刀具表面涂覆润滑剂或隔离膜 ;在切削单晶硅时应保证低温和少氧环境 .同时应使用小切深和小进给量     

单颗金刚石划擦Ta12W的试验研究

采用单颗钎焊单晶金刚石划擦Ta12W,跟踪观察了金刚石的磨损形貌,测量了划擦过程的力信号以及力比的变化,监测了磨损过程中的声发射信号变化,提取不同磨损阶段的声发射信号,进行频谱和功率谱分析.结果表明:划擦过程中金刚石的磨损可分为初期、稳定和剧烈磨损三个阶段,三个阶段的划擦力和力比明显不同.划擦声发射信号频谱主要分布在0~170 k Hz之间,功率谱峰值主频分布在7.8~27.3 k Hz之间,金刚石磨损的加剧使声发射信号峰值主频由高频向低频趋近,并且功率谱峰值随之增加.     

一次起爆FAE中心装药的实验研究

为了探讨不同组分的中心装药对不同FAE燃料可能的一次起爆情况,采用物理方法对中心装药的配方进行设计,并对不同的FAE燃料进行了一次起爆实验研究,结果表明含有诱发剂的中心装药可以实现FAE燃料的一次起爆。为了进一步弄清中心装药中诱发剂含量对FAE燃料一次起爆过程的影响,利用不同诱发剂含量的中心装药对自行研制的新型复合燃料进行了一次起爆实验研究,CCD像机现场拍摄记录及压力测试结果表明,中心装药中的诱发剂含量会直接影响FAE燃料抛撒、延迟点火时间、爆炸波超压大小以及爆炸作用效果,诱发剂含量存在一个最优值,中心装药中加入适量诱发剂会增强FAE的一次起爆效果。     

高拱坝动力特性与动力响应模型试验研究

高拱坝的动力破坏特性越来越受到关注,动力特性和动力响应是其研究的一个重要方面。通过模型试验的方法研究高拱坝动力特性和动力响应的特征,动力特性试验比较了完好结构与有施工横缝结构的基阶动力特性,表明当结构存在施工横缝时,结构基阶频率降低,阻尼增大。结构动力响应采用振动台模拟地震波激励,试验结果表明,完整结构与有施工缝结构动力响应具体数据不同,但规律相同。加速度最大响应沿拱顶水平向在坝中拱顶的值最大,向两边的坝肩处,加速度最大响应逐渐减小。沿拱坝垂向加速度最大响应从坝顶到基础,响应均逐渐减小。试验结果可为高拱坝结构动力安全研究提供技术依据。     

CuAlNi单晶形状记忆合金压缩特性的实验研究

具有相变伪弹性特性的CuAlNi单晶是目前应用最广泛的形状记忆合金之一。这种材料被广泛应用在工程、生物和医学科学等领域。由于单晶是各向异性，没有多晶中晶粒之间的相互作用，因而在特定晶向上的力学性能稳定。但是这种材料的一些基本性质，如压缩状态下马氏体的发生、生长和传播等还没有人详细研究。本文主要研究CuAlNi单晶在特定晶向上的变形过程，它的应力—应变特性，并利用特殊的显微成像系统首次获得了沿[110]方向压缩时二维马氏体的发生、生长和传播过程。     

斑马鱼C型起动中动力学特性的活体实验研究

提出了一种从鱼类自主游动的运动学实验数据出发推算其动力学特性的实验研究方法。该方法基于变形体动力学方程,不仅可以计算出变形鱼体的整体转动角速度以完善其运动学数据,还可以计算出作用在自主游动的鱼体上的流体合力和流体合力矩,进而分析鱼体的力能学特征。本文运用此方法研究了斑马鱼的两种典型C型起动,对比分析了它们的运动学及力能学特征。结果表明,在相仿的C型弯曲变形下,逃逸型C型起动与非逃逸型C型起动相比,前者推力较大,导致其在前进方向上的质心速率较大;前者侧向力较大,导致其转弯半径较小;前者转矩较大,但因在起动中后期的S型摆动产生了反向转矩,最终导致转动角度小于后者。通过对两种典型C型起动的实验研究发现,斑马鱼会因不同的运动需求而表现出不同的机动性能。     

洗衣机悬挂系统动态特性的实验研究

悬挂系统是全自动洗衣机最重要的部件之一,其动态特性直接影响整机的工作平稳性或鲁棒性。本文通过压电式加速度计拾取脱水工况下滚筒式洗衣机外筒上各测点的响应信号,运用DASP（Data Acquisition ＆ Signal Processing）信号采集分析处理系统,分别采用频域自互谱法和时域随机子空间法对其进行模态参数识别。结果表明,工作状态振动实验足以识别出该型号洗衣机所感兴趣的模态参数;其结果可以作为有限元模型修正的参考依据。     

动荷载作用下高速铁路风积土地基动力特性试验研究

根据辽西地区的地震资料和波速测试资料,通过动三轴试验,进行了地震冲击荷载和列车振动荷载两种动荷载作用下辽西风积土地基的动力特性试验研究。研究结果表明,风积土的动强度、动变形和动模量等指标与荷载类型、持续时间、振动频率和动应力幅值等条件有关。在地震荷载作用下,动荷载频率和动应力幅值越大、震动持续时间越长,其产生的动应变越大;在高速列车振动荷载作用下,土的动强度和动抗剪强度随振动次数的增加而降低;固结比相同时,动弹性模量Ed和动剪切模量Gd随固结压力的增大而增大;随动应变εd的增大而减小,且初始时刻减小速度明显,之后逐渐变缓。     

辽西风积土动力特性实验研究

通过一系列动态三轴实验,研究了原状饱和辽西风积土在不同固结压力条件下的动态强度、动态弹性模量和阻尼比。结果表明,辽西风积土的破坏动态强度随着固结围压和固结应力比的增大而增大,而动态剪切强度明显区别于静态剪强度;其动态弹模量随着固结应力比和固结围压的增加而增加,而阻尼比随着固结应力比和固结围压的增大而减小。同时,分别拟合得到最大动态弹模量和最大阻尼比与有效固结应力的关系式,并且对动态弹模量和阻尼比进行了归一化处理。