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.      

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

面向飞机各设计阶段考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法

针对现代飞机设计对于高效率、高精度飞行载荷分析的迫切需求,建立了面向飞机各设计阶段考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法,并以此为基础构建了飞机各设计阶段气动弹性优化框架,以加快各阶段的迭代,提高设计效率.概念设计阶段的气动力分析采用低阶面元法,可适应该阶段为确定气动外形参数范围所需的大量计算.初步设计阶段采用高阶面元法开展气动力分析,以兼顾求解精度和效率的需求.详细设计阶段的飞行载荷分析方法在基本面元法的基础上引入了外部高精度CFD气动力或试验气动力,以进一步提高飞行载荷的精度并兼顾求解效率.研究结果表明,所建立考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法具有较强的工程实用性,可以满足现代飞机各个设计阶段的需要.      

基于物理信息神经网络的薄壁结构屈曲分析

基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法.薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组,使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性.文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数,并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性.将弧长法,硬边界条件,基于预训练的权重调整策略,以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题.文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解,并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比.结果分析表明,物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析,并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率.该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢,但不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.     

梁在几种典型载荷作用下的弹性力学求解方法

梳理了针对梁在典型载荷作用下三种代表性求解方法,基于均布载荷作用下梁问题的解答,给出了梁受梯度分布载荷作用下的求解方法。将梁模型与复合材料力学相关联,加深了学生对弹性理论的理解。基于叠加原理,给出了具有复杂受载情况下梁的分析方法,拓展了学生对理论应用的认识,具有一定的工程应用价值和教学实践意义。     

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.     

微纳结构超疏水表面的浸润性分析及设计

微纳复合结构超疏水表面在防污、流动减阻、防冰等领域具有广阔的应用前景，超疏水表面主要通过设计表面化学性质和微观几何结构来获得.合理设计保持表面润湿态的稳定性是其性能发挥的关键.以"液滴-超疏水表面"系统为研究对象，基于最小能原理分析了四种稳定润湿形态，指出影响润湿状态的本征接触角和微观结构参数（相对柱距、相对柱高）.推导了本征接触角的计算公式并对常见材料的本征接触角进行了讨论.结合四种润湿态方程，绘制了随着相对柱距和相对柱高的润湿云图，并将润湿云图归纳为"一点三线六区四状态".分析了相对柱距和相对柱高对浸润状态的影响，结果表明较大的本征接触角、较小的相对柱距和较大的相对柱高能够减小浸润状态发生转变的临界参数，从而拓展超疏水表面的区域范围，有利于超疏水表面的稳定性.利用文献数据验证了上述润湿云图能够准确反映出润湿形态.在上述工作基础之上总结提炼了超疏水表面设计的一般思路.研究结果可为超疏水表面的设计提供理论依据和技术基础.     

环氧树脂电子束固化过程中的电子能量传播机制

将环氧树脂辐射固化过程中的温度分布和辐射固化后的固化度分布与反应前的电子能量沉积模拟计算结果相结合, 探讨电子束在辐射固化过程中的能量传播机制. 结果表明, 辐射开始初期, 固化反应发生前, 电子能量在聚丙烯模具内环氧树脂体系中的沉积满足离子注入理论, 即电子能量沉积在距辐射表面一定距离处达到最大, 然后随辐射距离的增加沉积能量减小; 而在玻璃模具内的树脂体系中, 电子能量从辐射表面向里逐渐降低. 随体系中固化反应的发生, 最大电子浓度区域转移, 最终出现在临近最大电子沉积浓度区域辐射深度稍远的地方. 能量吸收和反应放热导致的升温不影响树脂固化度大小, 但会影响固化度分布.     

具有正弦粗糙度的环形微管道中脉冲流动

研究了具有正弦粗糙度的环形微管道中脉冲流动,其中壁面粗糙度用小振幅的正弦波表示,不可压缩粘性脉冲流动由周期振荡的压力梯度驱动,运用摄动展开法求解了柱坐标系下的动量方程,获得了环形微管道内脉冲流动的近似解析速度及其体积流率.在此基础上,研究了相关无量纲参数,如Reynolds(雷诺)数Re、压力梯度振幅A、正弦波状粗糙的小振幅ε、内外半径之比α、相位差β及其波数λ对速度u及平均体积流率Φ_m的影响.结果表明,剖面速度随A的增大而增大,随Re的增大而减小,相位滞后χ随振荡Reynolds数Re的增大而增大.     

叠梁的变形与弯曲切应力影响的关系讨论

梁的弯曲切应力分析是材料力学中的一个重要内容，但是通过叠梁与整体梁不同弯曲变形形式的演示实验来说明梁层间存在切应力容易造成概念上的混淆。本文仍然采用材料力学方法分析了层间粘接后两层之间的相互作用，指出其本质是约束两层的拉伸与压缩变形而非约束层间剪切变形。正是这种约束作用使得横截面弯曲正应力重新分布，造成两种梁弯曲变形的明显差异。这一分析过程能够启发学生思考实验现象背后的力学本质，理解相关力学概念。