折纸超材料折展稳态特性研究

Origami metamaterials can regulate and control macroscopic deformation by continuous deformation of their internal microstructure. Hence, mechanical properties such as Poisson's ratio, stiffness, and modulus of the metamaterials can be adjusted and designed. This work theoretically studied the mechanical behavior of origami metamaterials under the synergy of complex internal configuration and folding motion, with the methods of torsion spring equivalent and energy principle. Here, we established a mechanical model to describe the folding deformation of the metamaterials, and analyzed the influence of geometric parameters on external loading. Through parameter analysis, it is found that the external loading exhibits monotonicity during the unfolding process and does not have stability. The external loading can show three situations such as monotonicity, mono-stability and bi-stability during the folding process, which are closely related to the parameters. This work provides important guidance to origami metamaterials for improving the design of the configuration and the regulation of their performance.      

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.      

考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势, 在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景. 随着折纸结构的工程应用越来越广泛, 针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要. 本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构, 建立了一种通用的杆–链动力学模型. 考虑材料的几何非线性, 采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕, 可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构. 引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用, 相较于传统的卷簧本构模型, 本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性, 能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透. 基于虚功原理, 建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程, 并采用变步长的广义-α 法求解. 最后, 对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真, 验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性. 通过施加虚拟折痕和修正初始构型, 有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题. 与刚性折纸模型相比, 杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性, 并能够给出具有大变形张紧构型. 在此基础上, 揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为, 并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.      

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

蛋白质结构动力学研究进展

蛋白质是生物体赖以存在和生长的重要大分子有机化合物,由20种不同的氨基酸通过肽键连接成线性高分子链,具有特殊的三维空间结构. 蛋白质生物功能与结构动力学特征紧密相关,不同结构运动模式决定了蛋白质在生化过程中的不同生物功能.给定一种蛋白质的空间结构, 通过建立结构动力学模型,进而得到蛋白质结构的运动轨迹,或者将结构整体运动分解为不同频率振动模态的叠加,能够帮助进一步理解蛋白质生物活性点在配体结合、催化过程中的运动特征.阐述了蛋白质结构动力学研究的最新进展,分析了3种蛋白质结构动力学的物理模型和求解方法,详细讨论了谐波模型中的原子模态分析、弹性网络模型等动力学方法,并介绍了蛋白质结构动力学在生物研究领域的应用.蛋白质结构动力学方法的研究和发展表明,从物理原理和简化模型出发的理论分析方法,能够为生物学前沿研究提供有力帮助,是蛋白质折叠和结构预测中的一个重要研究方向.      

关于粘弹性结构和复合结构有限元动力学方程的探讨

对粘弹性结构有限元动力学方程和复合结构有限元动力学方程进行了探讨。对于粘弹性结构有限元动力学方程，研究了表示成MCK形式的可能性，并对几种典型模型进行了分析研究。根据对阻尼的假设，给出了考虑弹性材料阻尼及结构外部粘性阻尼的拉氏域内弹性－－粘弹性复合结构有限元动力学方程。     

考虑瞬态反应影响的结构动力放大系数研究

针对《结构动力学》中\瞬态反应和稳态反应" 的教学难点,从简谐载荷作用下单自由度体系的运动方程出发,推导瞬态振动的动力放大系数公式,并与稳态反应的动力放大系数公式进行对比,得到任意一个系数占主导因素的适用条件. 通过对比,使学生对振动响应计算有更全面认识和深入理解.     

TMP折纸防护的双稳态软体机器人

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力,但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决.基于此,提出了一种TMP (Tachi-Miura polyhedron)折纸防护的双稳态软体机器人.软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统,由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒,实现双稳态之间的切换,并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动. TMP折纸作为软体机器人的外壳,可为其提供防护,预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱;此外,其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献.结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法,确定了软体脊柱材料本构模型参数.探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系,并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法.开展了系列实验测试,发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动,在平地上平均速度达到1.81BL s^-1,其质量-运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域,属于刚-软耦合机器人.此外,证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂...     

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。     

折纸及其折痕设计研究综述

折纸是指不经剪裁和粘接,将二维平面纸张折叠成三维立体的方法,具有设计简单、成形迅速、适用范围广等优点,在可展开式结构、结构组装与自成型等领域有着广阔的应用前景. 本文首先简述了多种典型的新式折纸应用,如屈曲诱导的微尺度三维结构、可折叠太阳能电池板、DNA螺旋组装结构等;根据折纸的曲线折痕数量、相对运动、刚性折叠面、使用纸张数量界定折纸的分类;然后 折痕设计是实现折纸结构的核心问题,着重阐述了折纸的折痕设计方面,包括梳理折痕设计的基本条件,给出若干典型折痕设计如三浦折痕设计、水弹折痕设计、吉村式折痕设计和对角线型折痕设计,介绍典型折痕设计的显著特点及几何条件,将目前折纸折痕设计的创新方法归纳为对经典折痕设计适当改进、形成折痕设计数据库、利用拓扑优化方法、借助成型的汇编算法等;最后,基于当前折纸的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到可重构折纸结构、四维折纸、多材料折纸和多尺度折纸等.      

结构静动力屈曲问题研究进展

近几十年来，结构的静动力屈曲问题一直是力学工作者极为关注的一个前沿课题．本文总结和综述了这一研究领域的几个基本问题：屈曲问题的分类、动态屈曲问题的特点及其特征量；介绍了屈曲问题的处理方法和目前已取得的成果；总结评述了人们关心的热点问题；屈曲问题的模型分析和实验技术、动态屈曲判别准则．     

爆炸容器动力学研究进展评述

对爆炸容器在其内部爆炸加载下动力行为的理论和实验研究成果作了综述，对这一方面的工作作了展望并提出了一些建议．     

航天器铰接结构非线性动力学特性研究进展

航天器铰接结构非线性动力特性研究直接关系到航天器动力学模型的建立、航天器姿态控制方案的制定、有效载荷指向稳定度的保持以及部件可靠性的提高, 是航天器设计领域的研究重点之一. 首先介绍航天器铰接结构研究中发现的非线性动力学现象和对该类问题的研究思路, 然后分别对铰链非线性和高维非线性系统动力学研究的最新研究成果进行介绍, 最后对航天器铰接结构非线性动力学特性研究的发展前景进行总结.      

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

高速机构动力学研究进展

高速机械动力学及其控制是机构学研究领域的一个前沿性学科,与其内容相关者涉及多个新兴学科领域.本文首先概述了高速机构动力学基础------柔性多体动力学建模理论及周期时变机械系统动力行为研究的现状及其进展状况.其次,对机械工程中常见的典型高速机构,特别是对高速连杆、凸轮机构动力学的研究现状进行了分门别类的介绍.再次,对带间隙机构动力学的研究给予了一定的关注.相应地,对柔性机构振动主动控制的研究状况也进行了简要介绍.最后,指出上述研究领域内一些值得研究的问题.      

失谐周期结构中振动局部化问题的研究进展

周期结构在工程中有很多应用实例, 其具有频率通带和禁带等特殊力学性质. 失谐可使周期结构的力学特性产生本质变化, 即失谐周期结构中存在振动局部化现象.局部化破坏了周期结构模态的规则性, 在外激励下会使结构某些部位的响应幅值过大, 产生能量积聚, 甚至导致结构发生疲劳破坏. 因此分析失谐周期结构中振动和能量的传播方式与规律具有重要的理论与实际意义, 可以为重要子结构的振动控制和减振设计提供理论依据. 针对一维直线型周期结构、循环周期结构以及二维周期结构等, 综述了其中的振动局部化问题的研究现状,主要集中于力学模型的建立、振动局部化问题的研究内容、分析方法和主要研究结果等, 并提出了值得进一步研究的问题.      

超高速撞击动力学及航天器防护研究进展

概述了超高速撞击动力学的国内外研究背景;从超高速撞击厚板成坑、中厚板侵彻、薄板形成碎片 云、模拟实验技术和数值模拟技术5个方面总结了超高速撞击动力学的研究进展情况;分析 了超高速撞击对航天器的毁伤效应;给出了航天器的防护要求;讨论了航天器防护结构的方 案设计和性能表征. 为超高速撞击动力学和航天器防护研究提供技术参考.     

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).