准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量...     

关于结构刚度方程病态问题的疑难分析

本文围绕矩阵位移法求解结构位移的误差,讨论了结构刚度矩阵的病态问题,指出了计算上的病态常常是结构刚度分布和结构拓扑的不合理,而不一定是计算本身的问题。首先,文章依据误差界的概念和范数的性质推导了衡量结构刚度矩阵病态程度的条件数的公式。然后,阐明了基于不同范数的条件数在衡量矩阵病态程度上的等价性。最后,通过两个具有代表性的算例,分别从结构构件的刚度差异和结构几何拓扑两方面,计算和分析了结构刚度矩阵的病态程度随结构本身性质的改变而改变的规律。在特定的算例中,还有使结构刚度矩阵的病态程度降到最低的最佳刚度分布。     

一种改进的残余力向量法在结构损伤识别中的应用

残余力向量法是结构损伤识别中常用的方法,复杂结构中单元数量较多而损伤位置较少,容易造成无关变量增多,进而导致计算量过大的问题。鉴于此,本文提出一种改进的残余力向量法用于结构的损伤识别。该方法利用刚度联系向量与残余力向量之间线性相关的特性,以向量投影值作为损伤定位的影响系数,初步筛选出结构可能出现损伤的单元范围。在此基础上,构建出残余力向量对应的线性方程组,根据顺序主子式不为零的条件,对线性方程组进行行初等变换,再根据单元的数量保留前n维线性方程,通过求解该方程组的代数解可得到该结构单元的刚度损伤参数。以简支梁为例的数值模拟表明,本文方法可减少无关单元变量的计算,降低残余力向量的维度并且具有较好的抗噪能力。     

墨鱼骨结构的力学行为及其应变率效应

墨鱼骨是一种墨鱼内部产生的生物矿化壳,通过调节壳内的气液比从而实现墨鱼的深浅浮动,同时满足轻质和高刚度的力学特性,使墨鱼能够很好地适应深海环境,所以墨鱼骨是一种典型的高比刚度的多孔材料。为探究墨鱼骨结构的力学性能,通过Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆实验装置,对墨鱼骨在不同加载应变率下的力学行为进行研究。研究结果表明,墨鱼骨在准静态加载下,其应力-应变曲线呈现典型的三阶段变化模式,即弹性段、平台段和压实段,具有很好地吸能缓冲作用;随着加载应变率的提高,墨鱼骨的初始压溃应力和平台应力也随之增加,表明墨鱼骨材料对加载应变率存在很强的敏感性。进一步分析不同生长方向的墨鱼骨在准静态压缩下的力学行为,结果表明随着生长方向的增加,墨鱼骨结构的刚度和吸能性能都得到了弱化,从而揭示了墨鱼骨材料压缩行为的各项异性。     

周期载荷下Nb3Sn温度裕度及变形研究

国际热核聚变反应堆ITER和国内聚变工程实验堆CFETR装置上的CICC运行于复杂的电磁环境中,为应对12 T及更高电磁场的影响,其上的中心螺线和环向磁体已采用Nb_3Sn超导材料,作为A15型的Nb_3Sn材料对应变变化较敏感。而应变下温度裕度和变形等是影响低温(4.2/4.5 K)下超导体稳定运行的重要参数,为获得真实运行情况下磁场与电流产生的电动力所导致的周期应变对温度裕度等的作用,本文采用周期电磁载荷来模拟应变作用,利用温度裕度与刚度的数学计算方法,对Nb_3Sn超导体的温度裕度和变形进行测试对比分析。结果显示分流温度和温度裕度随载荷周期增加而减小,其中分流温度在1～1 000载荷周期快速变小,温度裕度在2 000～3 000载荷周期急剧减小;同时载荷周期导致股线刚度减小和股线变形增加。由此可见,载荷周期产生的应变导致Nb_3Sn性能退化降级。     

一类新型多方向准零刚度隔振平台

本文提出了一种新的多自由度非线性隔振平台．利用一组预压的三角机构和曲面边界同时实现了竖直-旋转多自由度上的负刚度特性,结合正刚度原件,实现竖直-旋转多自由度准零刚度特性．首先,文章基于平面问题建立竖直-旋转两自由度隔振平台的力学模型,确定结构参数与非线性刚度之间的关系．可以看到,通过设计预压弹性元件的结构参数可以同时实现两自由度的准零刚度特性．然后,利用谐波平衡法建立振动响应与频率之间的关系,确定有效的振动带隙的宽度,由此确定结构参数的最优取值．本文提出的隔振平台可以用于大型装备的隔振,也适用于微振动的工况,还可以作为教学的演示实验．     

分数导数粘弹性模型描述的土中管桩竖向振动的频域解

在分数导数粘弹性本构模型的基础上综合考虑桩周土和桩芯土的平衡方程和几何方程建立了桩周土和桩芯土的竖向运动的控制方程．在频率域内利用分离变量法和分数导数的性质求解了桩周土和桩芯土竖向振动控制方程．考虑管桩与桩周土、管桩与桩芯土的边界连续性条件以及三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性模型描述的土中管桩的竖向振动,通过数值分析研究了管桩和土体模型参数和几何参数对管桩的桩顶复刚度的影响规律．结果显示：桩芯土本构模型的分数导数的阶数对管桩竖向振动的影响较桩周土本构模型的阶数要小,且与频率有一定关系;桩芯土与桩周土的模型参数比τ1 和τ2 对等效阻尼的影响较对刚度因子的影响要大;管桩桩周和桩芯的直径比d 越小,管桩复刚度的实部和虚部就越大;土体力学性能对管桩竖向振动的影响要比管桩桩身力学性能的影响小．     

DNA纳米管的扭转刚度模型

刚度是衡量材料弹性变形难易程度的一个定量表征参数,与DNA纳米管静动力学特性及其结构生物功能密切相关．本文致力于研究DNA纳米管的扭转刚度．首先,在六角形均匀封装条件下,考虑到单个DNA杆件弯扭组合问题的静不定特点,我们利用平衡方程、变形协调方程和弹性本构方程,合理预测了DNA纳米管扭转实验中单个DNA杆件的弯扭组合变形,由此给出了DNA纳米管扭转刚度预测的解析模型．最后的结果表明：随着DNA杆数的增加,DNA纳米管的弯曲刚度显著增加,而其扭转刚度却几乎不变,合理解释了扭转实验中发现的现象．有关结论为DNA折叠结构的设计和应用提供了参考．     

含等档的输电线面内自由振动理论

连续档导线运动方程包含平方和立方非线性项,倍频时会产生多模态耦合的复杂响应,因此研究连续档导线模态及共振的频率分布规律尤为重要．基于模态综合法获得了具有相等档距的连续档导线模态函数,基于动刚度理论得到了不同模态对应的频率理论公式,并应用有限元方法验证了模态及频率理论公式的准确性．研究了不同模态对应频率随几何参数的变化趋势,结果表明有相等档距的连续档导线的共振条件和单档导线有明显区别,连续档导线面内对称模态之间容易产生1:1共振,面内对称与反对称模态之间易产生1:2共振．本文研究内容可用来分析连续档导线内共振及其分岔行为．     

磁力负刚度薄膜结构低频吸声特性

针对背腔深度较小的薄膜吸声结构难以实现低频吸声的问题,提出了磁力负刚度的解决方法。采用传递矩阵法,建立了负刚度薄膜吸声结构理论模型,分析得出该结构的声阻抗等同与大背腔常规薄膜吸声结构的声阻抗;阻抗管实验验证得出,在一定磁场条件下,不同背腔的负刚度薄膜吸声结构与无负刚度结构相比其共振频率显著下降,吸声系数曲线与理论结构吻合。负刚度机制能够降低薄膜吸声结构的共振频率,用较小背腔实现低频吸声,从而实现薄型低频吸声结构设计。