基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

球形压痕的残余变形分析(英文)

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用。应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面( w)变形场进行了定量测量和分析。应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度。应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线。实验结果与已知的IN783合金相吻合。对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果。     

球形压痕的残余变形分析

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用.应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面(w)变形场进行了定量测量和分析.应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度.应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线.实验结果与已知的IN783合金相吻合.对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果.     

球形压痕的残余变形分析

球形压痕技术在材料力学属性，诸如硬度，弹性模量等的测量中得到了广泛的应用。应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术，本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究，并对残余压痕的面内（u,v）及离面（w）变形场进行了定量测量和分析。应用面内变形测量结果，进一步对试件表面的应力一应变分布进行了分析和计算，并在离面变形场的基础上，确立了压痕周围的弹塑性边界，从而进一步应用面内的分析结果，得到材料的屈服强度。应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式，本文进一步得到了材料的应力应变曲线。实验结果与已知的IN783合金相吻合。对所涉及的一系列压痕实验，本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果。     

一种基于双IMU框架的室内个人导航方法（英文）

为了实现低成本的室内行人导航,提出了一种双惯性测量单元(IMU)框架。在这种模式下,一个IMU固定于足部,另一个IMU固定于肩部。当行人在行走过程中处于静止状态时,卡尔曼滤波器利用测量得到的速度和角速度误差对足部IMU的解算误差进行预估,与此同时,通过对足部IMU和肩部IMU测量得到的航向角做差完成对航向角误差的观测。在此基础上,双IMU框架结构采用了闭环模式。实验结果显示,采用该方法能够提供行人导航信息,平均位置误差与采用开环模式的方法相比降低了14.93%左右。     

表面涂层半球全发射率的非接触测量探索

涂层表面发射率是飞行器表面涂层性能的关键指标之一。本文针对现有测量方法的局限性,建立了非接触测量半球全发射率的数学模型,应用红外相机作为探测器,开发了涂层发射率的非接触测量装置,该装置可实现原位、实时的测量;通过实验分析了影响测量结果的多个因素,利用搭建的非接触测量装置对多种涂层试样进行了标定和检测,并将测试结果与某型辐射率仪的测量结果进行比较,半球全发射率最大相对误差百分数小于4.1%,验证了该测量方法的有效性。     

压杆/试样表面接触变形对SHPB实验应变测量的影响

采用SHPB（split Hopkinson pressure bar）实验技术测量了3种不同尺寸纯铁试样的动态压缩应力应变关系,根据实验结果提出一个经验模型,定量分析了SHPB实验中压杆/试样表面接触变形对应变测量的影响。分析表明,在轴向应力平衡条件下,表面的接触变形对弹性段的应变测量影响显著;对塑性段应变测量的影响与试样的强化模量和长度相关,当试样强化模量较大而长度较小时,这种影响将不可忽略,可根据影响量的经验分析模型对应变进行修正。     

润滑膜厚测量的双色光干涉强度调制方法

提出一种红绿双色光干涉强度调制技术(DIIM)对球盘接触润滑油膜厚度进行测量.利用接触区外部干涉图像中红、绿分量强度值之差得到调制信号,并由此得到对应特征点的条纹干涉级次,进而由干涉强度得到接触区内任一点膜厚.运用多光束干涉理论对所提出的测量技术进行了原理分析,讨论了所用双色光的光波长、半峰全宽、测量介质对测量结果的影响.最后,应用该技术分别对球盘接触的静态间隙和动态油膜厚度进行测量,结果与经典理论有很好的一致性,证明了该技术的可行性.对试验所用的双色激光光源(红光653 nm、绿光532 nm),光学量程可达4μm.由于光强衰减小且能避免干涉级次计数,该方法可高效测量润滑油膜厚度.     

沸石分子筛单晶体弹塑性双线性本构关系的实验研究与有限元确定

为研究两种沸石分子筛方钠石SOD和镁碱沸石FER的力学性能,采用纳米压痕技术,测得随载荷连续变化的位移,得到载荷-位移曲线图.根据Olive算法,利用接触刚度连续测量技术,得到这两种沸石分子筛的硬度及弹性模量.基于弹塑性双线性本构关系假定,用ANSYS有限元程序模拟纳米压痕实验过程,利用搜索法得到沸石大单晶SOD和FER的双线性本构关系.     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

摩擦与滚阻对被动行走器步态影响的研究

本文研究了圆弧足被动行走器支撑足与地面间的摩擦系数和滚阻系数对被动行走器步态的影响. 首先分别利用扩展的 赫兹接触力模型和LuGre摩擦模型描述了支撑足与地面接触点处的法向支撑力和切向摩擦力,并考虑了行走过程中支撑足 所受的滚动摩阻;其次利用第二类Lagrange方程推导出了该系统的动力学方程,并通过与已有成果的对比确定 了合适的LuGre摩擦模型参数;最后仿真分析了摩擦系数和滚阻系数对被动行走器步态的影响. 研究发现:摩擦系数的改变 虽然对被动行走器行走的平均速度、步幅,以及支撑足接触点处的最大法向接触力的影响较小,但摩擦系数的减小 会改变其行走步态类型,如发生倍周期分岔甚至混沌现象;然而,滚阻系数的改变会对行走器行走的 平均速度、步幅,以及支撑足接触点处的最大法向接触力的影响较大,尚未发现滚阻系数的改变会引起其行走步态的变化.      

???????????????漰????????????????

简单回顾了被动行走的发展,建立了无量纲形式的平面直腿圆弧足被动行走动力学 模型,详细介绍了被动行走模型仿真的步骤. 并且采用胞胞映射计算得到该圆弧足模型的吸 引盆,发现该模型的吸引盆大于以前研究者研究的点状足模型的吸引盆. 这表明在初始状态 变量偏离不动点很大时,模型仿真仍可收敛到稳定的步态,即该模型具有较高的鲁棒性.     

氧化锆口腔种植体的动态植入过程分析与设计

在牙科种植领域常使用的种植体材料多为纯钛或钛合金, 然而钛金属种植体存在美学缺陷及潜在的致敏可能等问题. 氧化锆陶瓷由于其高强度、美观性与生物相容性被认为是钛金属种植体的理想替代品, 但目前国内对于氧化锆种植体的研究仍处于起步阶段. 本文通过对氧化锆种植体及骨组织进行有限元建模, 并对种植体的动态植入过程进行仿真, 分析了骨组织内部的应力-应变状况. 结果发现, 随着植入深度的增加, 种植体与骨组织的接触面积增大, 松质骨内应力增加. 考虑到骨组织的具体结构, 将松质骨内的最大应力-应变作为分析的主要对象, 结合损伤分析, 对种植体模型进行了优化. 此外, 还设计了3种具有自攻刃设计的种植体模型, 分别进行应力应变分析后确定了最优设计. 之后建立了具有自攻刃设计的种植体模型, 并模拟了临床的3种植入方案: 螺纹成形、螺纹切割、螺纹成形与切割进行分析, 通过分析得到螺纹成形与切割种植方案更为安全的结论. 本文结果可以指导氧化锆种植体的结构设计以及植入时的条件设定等, 为我国自主研发的氧化锆种植体进行了理论指导, 为其早日进行临床应用指明了方向.      

空间机械臂柔性捕获机构建模与实验研究

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.      

DYNAMICS MODELING AND EXPERIMENT OF A FLEXIBLE CAPTURING MECHANISM IN A SPACE MANIPULATOR 1)

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.     

板材冲压成形有限元数值模拟界面摩擦约束处理方法

基于弹塑性大变形板材冲压成形增量有限元法,采用线性弹簧单元提出一种空间三维板材冲压成形等效界面摩擦力的处理方法.这种方法的优点是可以反映界面摩擦力的同步、被动产生效果,同时它还可以保证约束后刚度矩阵的对称性.将提出的摩擦约束处理算法引入自主开发的板材成形模拟软件FASTAMP,计算了汽车油底壳的成形过程,计算结果的厚度分布与实际冲压件吻合比较好,验证了等效界面摩擦力约束处理方法的有效性.     

渤、黄海的底摩擦系数

利用伴随法，根据32个验潮站的水位观测资料来优化渤、黄海的底摩擦系数．所作的一系列数值模拟实验表明；利用伴随方法优化渤、黄海的底摩擦系数能够有效地减少数值模拟结果与观测结果的差异．     

弹簧刚度对被动步行的稳定性影响

由人类步行的生物力学研究得到启发,在被动双足步行机器人的髋关节处引入了扭簧,并通过仿真和试验研究了弹簧刚度对被动步行稳定性的影响.在仿真中,用胞映射方法计算被动步行机器人的吸引盆,并用吸引盆来衡量机器人的稳定性,研究了弹簧刚度对被动步行吸引盆大小的影响. 仿真结果表明, 吸引盆随着弹簧刚度的增大而增大. 在试验中,使机器人在各弹簧刚度参数下沿斜坡向下行走100次,记录下行走到头的次数作为稳定性的度量. 试验结果表明, 存在一个大小适中的弹簧刚度使机器人稳定性最大. 对弹簧提高机器人稳定性的原因进行了分析,对造成仿真与试验之间差异的原因进行了分析.      

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

弹塑性微凸体侧向接触相互作用能耗

传统的结合面研究多基于光滑刚性平面与等效粗糙表面接触假设,忽略了结合面上微凸体侧向接触及相邻微凸体之间的相互作用,这导致理论模型与实际结合面存在较大出入.针对承受法向静、动态力的机械结合面,从微观上研究了微凸体侧向接触及相互作用的接触能耗.将法向静、动态力分解为法向分力和切向分力,获取弹性/弹塑性/塑性阶段考虑微凸体侧接触及相互作用的加、卸载法向分力-变形和切向分力-位移的关系.通过力的合成定理,从而获取加、卸载法向合力与总变形之间的关系,由于法向分力产生的塑性变形及切向分力产生的摩擦,导致加载、卸载法向合力-总变形曲线存在迟滞回线.通过对一个加、卸载周期内的法向合力-总变形曲线积分,获得一个周期的微凸体接触能耗,包括应变能耗及摩擦能耗.仿真分析表明:微凸体在3个阶段的能耗均随变形的增大而非线性增大.微凸体侧向接触角度越大,能耗越大,且在弹性阶段最为明显.在弹性阶段,仅存在侧向的摩擦能耗,故结合面在低载荷作用下必须采用双粗糙表面假设.在塑性阶段,由于微凸体接触能耗为应变能耗,且接触角对其能耗影响甚微,故结合面在大载荷作用下可采用单平面假设对其进行研究.相对于KE和Etsion模型,本文提出的模型与Bartier的实验结果更吻合.