考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

中心刚体-楔形梁-质点刚柔耦合系统动力学分析

研究了中心刚体-楔形梁-质点系统的固有特性和动力学响应.楔形梁为Euler-Bernoulli梁,高度和宽度都沿着梁的长度方向线性变化.利用广义Hamilton原理和一阶近似耦合模型得到了含有楔形梁完全耦合且时变的微分/代数控制方程.考虑了离心刚化效应,利用有限元得到了系统完全耦合的有限维方程.忽略轴向与横向位移的相互作用,得到了系统的一致质量、阻尼和刚度矩阵.最后对楔形梁和等截面梁在有无端部质点的四种结构进行仿真,结果表明存在显著差异,重点比较了同等条件下楔形梁与等截面梁的差异指数,说明均匀梁和楔形梁的截面细微的差别能够导致系统频率和动力学响应的明显差别.指出实际系统中使用楔形梁模型能够得到更为精确的仿真结果.     

ANALYTICAL SOLUTIONS FOR RESPONSE OF COLLISION OF PARTICLE WITH CONICAL ROD CAUSED BY LONGITUDINAL VIBRATION

The objective is to present exact analytical solutions of longitudinal impact analysis for slender conical rods struck by a particle and a new method is proposed for conical rod-particle impact analysis, in which the superposition method is used and the response of the rod is presented. These analytical results are exact and can be used to validate the numerical methods or other analytical results. The numerical example shows that one of the advantages of the present method is that the analytical form is very simple. The result is that mass ratio and some variables describing the geometrical shape of rods such as taper, length and radius play an important role in impact dynamic system.     

考虑固结效应的结构-土壤相互作用分析及其有限元解

本文讨论了考虑饱和土壤固结效应的结构-土壤相互作用问题。利用子结构分析技术,将结构静力凝聚到与饱和土壤交界的界面上,建立结构-土壤体系变形-渗流过程的控制方程及相应边界和排水条件。文中给出了用于隐式-隐式逐步积分过程的改善的交错迭代求解方案及算法。本文工作巳在微机程序SACESS-J上实现。数值例题表明了结构变形和饱和土壤固结过程之间的藕合效应。     

EFFICIENT NUMERICAL INTEGRATORS FOR HIGHLY OSCILLATORY DYNAMIC SYSTEMS BASED ON MODIFIED MAGNUS INTEGRATOR METHOD

Based on the Magnus integrator method established in linear dynamic systems, an efficiently improved modified Magnus integrator method was proposed for the second-order dynamic systems with time-dependent high frequencies. Firstly, the second-order dynamic system was reformulated as the first-order system and the frame of reference was transfered by introducing new variables so that highly oscillatory behaviour inherits from the entries in the meantime. Then the modified Magnus integrator method based on local linearization was appropriately designed for solving the above new form and some improved also were presented. Finally, numerical examples show that the proposed methods appear to be quite adequate for integration for highly oscillatory dynamic systems including Hamiltonian systems problem with long time and effectiveness     

柔性机械臂碰撞系统的一种建模方法及精细积分数值模拟

对一单连杆柔性机械臂与外界发生碰撞时的动力学特性进行了研究。在建立动力学模型时，利用有限元思想，用有限个刚性单元和抗扭连接弹簧来模拟机械臂及其柔性性质，得出了较为简单的非线性动力学方程，根据几何关系，建立了系统在发生碰撞时的约束条件。本文在系统的动力学方程中引入对偶变量，并将方程导向Hamilton体系，用精细积分法对系统的动力学特性进行了模拟。     

奇异条件下Riccati代数方程的求解

本文讨论奇异条件下Rjccati代数方程,基于结构力学与LQ控制的模拟关系,将奇异条件下的控制问题转化为有约束条件下的控制问题,使有偿控制量的维数减少,同时分离出了同样维数的无偿控制变量。进而提出了Riccati代数方程的迭代解法,并给出了相应的例题。     

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析

空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。     

Surface effects of adsorption-induced resonance analysis on micro/nanobeams via nonlocal elasticity

The governing differential equation of micro/nanbeams with atom/molecule adsorption is derived in the presence of surface effects using the nonlocal elasticity.The effects of the nonlocal parameter,the adsorption density,and the surface parameter on the resonant frequency of the micro/nanobeams are investigated.It is found that,in addition to the nonlocal parameter and the surface parameter,the bending rigidity and the adsorption-induced mass exhibit different behaviors with the increase in the adsorption density depending on the adatom category and the substrate material.     

圆柱夹层多孔材料的主动散热性能研究与优化设计

通过推导不同边界条件的圆柱状夹层多孔材料散热指标,研究了一种特殊结构的圆柱状夹层多孔材料主动散热问题。这种圆柱夹层材料的每一层胞体个数相同,胞体尺寸随着外径的增大而增大,从而保持每一层胞体的相对密度相同。通过计算两种不同换热边界条件下圆柱夹层多孔材料的散热性能,比较并分析了与夹层材料层数相对应的最大散热效率和最优相对密度等指标,并最终得到这些工况下的最优质量。通过分析得到,无论哪种边界条件,正六边形胞体的夹层结构散热性能优于其他构型。同时当为达到某一限定散热效率值时,正六边形胞体结构的质量最小,正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。