定常完整约束系统动力学方程的伪线性形式

 对定常完整约束系统,从动力学普遍方程出发,推导出一种用矩阵表示的伪线性形式的动力学方程.该方程只需写出质点系位置矢径与外力矢量的广义坐标表达式即可直接计算相关系数矩阵,从而得到系统的动力学方程.该方程形式简洁,计算格式整齐,适于用计算机代数语言的程式化实现,为力学系统的计算机辅助建模提供了一种途径.方法的正确性通过两个简单算例进行了验证.     

热流密度/对流换热边界下双向梯度板的瞬态温度场分析

采用有限单元-有限差分法研究了热流密度/对流换热边界条件下双向梯度板的瞬态热传导问题。采用细观力学方法结合混合律准则描述了材料的热物理属性,通过推导一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型。计算给出了在考虑组份属性的温度效应下,温度场的时间响应历程以及不同时刻温度场的空间分布形式,并与材料属性温度无关时的计算结果进行了比较,最后讨论了相关参数对瞬态温度场的影响规律。结果表明：温度较低时,组份属性的温度效应对瞬态温度场影响很小;在 y 方向热流密度载荷的作用下,温度场沿 x、y 方向均存在明显的梯度;x 方向组份体积分布系数的增大,延长了温度场达到稳态需要的时间,绝对温度梯度沿 x、y 方向均增大,稳态温度场升高;增大 y 方向组份体积分布系数的值,情况相反。     

高双折射光纤环镜轴向应变灵敏度研究

理论推导了高双折射光纤环镜轴向应变灵敏度公式,讨论了在高双折射光纤材料和入射光源不变的前提下,高双折射光纤长度以及作为敏感元件的传感长度与传感器轴向应变灵敏度的关系,讨论了入射光源相同时高双折射光纤材料与传感器轴向应变灵敏度的关系。结果表明：在高双折射光纤材料和入射光源不变的前提下,高双折射光纤环镜波长变化与轴向应变成线性关系,线性灵敏度为高双折射光纤材料和入射光源中心波长决定的常数,与接入的高双折射光纤长度、作为敏感元件的传感长度无关。     

带可控臂绳系卫星释放及姿态控制

考虑带可控机械臂绳系卫星的面内运动, 研究其释放阶段的子星位置和姿态控制问题. 系绳释放时, 通过调整机械臂转角实现子星姿态的无动量轮控制. 控制律设计分为两步: 首先, 基于非线性最优控制理论, 研究在状态和控制约束下的子星位置及其姿态控制, 通过二阶Legendre伪谱法求解开环最优控制律; 其次, 以开环解为参考, 基于轨迹跟踪思想设计反馈控制器, 其中反馈控制增益由开环最优控制算法及数值插值确定. 最后通过算例研究验证了该方法的有效性.      

斜直圆筒内基于Euler-Rodrigues参数的细长杆螺旋屈曲研究

基于Euler-Rodrigues参数描述受约束细杆的后屈曲变形状态,建立相应的能量泛函,导出非线性平衡微分方程及接触力表达式.采用有限元法对能量泛函进行分析计算,通过与现有文献中数值、理论结果比较,验证了公式和求解过程的正确性.结合算例,揭示了正弦屈曲模态与螺旋屈曲模态之间的转化过程,证实了在受约束细长杆的后屈曲响应中存在不同屈曲模态之间的互相转变.     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8 mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。     

植入碳纤维蜂窝夹芯结构的光纤光栅热载荷响应光谱研究

针对航天领域复合材料结构在空间服役环境的热响应监测需求,研究了一种热载荷作用下基于光纤Bragg光栅(FBG)反射光谱特征分析的碳纤维蜂窝夹芯结构监测方法。将光纤Bragg光栅传感器分别植入碳纤维蜂窝夹芯结构的不同铺层,通过监测不同热载荷下各铺层位置的光纤光栅反射光谱,得到碳纤维蜂窝夹芯结构相关铺层位置热应变特征。研究表明,碳纤维蜂窝夹芯结构不同材料铺层的热应变特征存在一定差异。植入外蒙皮表面与玻璃布之间的光纤光栅反射光谱随着温度升高,中心波长向长波方向漂移,且波形未出现明显改变。埋植于外蒙皮第二、三层碳纤维织物预浸料之间的光栅反射光谱随着温度降低逐渐出现旁瓣、多峰等啁啾效应,其主峰与右侧次峰中心波长均向短波方向逐渐漂移,主峰峰值幅度变化较小,温度灵敏度约为5.56×10-3 dBm·℃-1,而右侧次峰幅度显著增大,温度灵敏度约为40.32×10-3 dBm·℃-1;埋植于内蒙皮和蜂窝芯子之间的光栅反射光谱随着温度降低,其半波峰带宽逐渐增大,变化率约为3.19 pm·℃-1,且出现显著多峰趋势,这是由于层间热应力分布不均匀所形成。在-70~+60 ℃温度范围,各植入层热应变均随温度升高而增大,且变化趋势相接近,而在+60~+120 ℃温度范围内,各植入层热应变变化趋势呈现显著差异。这些特性能够为后继空间环境复合材料航天器结构状态在轨监测提供有益帮助。     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用。由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞。采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层。当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值。根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量。主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响。结果表明：不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响。     

基于石墨烯超材料的宽频带太赫兹吸收器

为了拓展太赫兹吸收器的相对吸收带宽,设计了一种基于石墨烯超材料的超薄、宽频带、可调谐的太赫兹吸收器,其由图案化石墨烯层、电介质层和金属反射底板层叠构成。仿真结果表明：该吸收器在4.48 THz频率处的吸收率为99.98%,通过调节石墨烯的化学势可使该频点处的吸收率变化至25.08%;同时,该吸收器表现出对入射波极化不敏感的吸收特性,且在太赫兹波倾斜入射的情况下仍能保持一定的宽频带吸收特性。在此基础上设计了基于三层图案化石墨烯的太赫兹吸收器,其可进一步拓展吸收频带宽度,仿真结果表明该吸收器在1.90～5.49 THz频率之间的吸收率高于90%,相对吸收带宽为97%。     

基于辅助电介质层的棱镜表面等离子体共振效应研究

研究了一种基于棱镜基底-辅助电介质层-金膜-待测介质四层结构的表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)效应激励模型.采用薄膜光学与波导理论,探索了由辅助电介质层与金膜复合而成共振薄膜对SPR效应的激励机理与调制特性.借助时域有限差分方法,数值模拟得到辅助电介质层属性与共振能量传输特性关系.在此基础上,构建了波长调制型棱镜辅助电介质层结构SPR激励系统.研究结果表明,当待测介质折射率相同时,相较基于棱镜基底-金膜-待测介质三层结构的Kretschmann激励模型,辅助电介质层激励模型共振光谱整体向长波方向偏移且半波宽度出现显著展宽效应.而当待测介质折射率增大时,辅助电介质层型激励模型的共振光谱不仅会向长波方向偏移,而且折射率响应灵敏度比棱镜Kretschmann三层激励模型高出75%.因此该模型能够为诸如高灵敏度检测、新型光学滤波与调制器件设计等领域的研究应用提供理论与实践储备.