考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

爆炸载荷作用下具有可折叠芯层夹芯梁的动态响应

基于目前研究最广泛的刚性折纸(Tachi-origami)样式，通过改变其初始折叠角度构建出4种不同的蜂窝胞元，并且通过排列分布将其组成夹芯梁。采用商用有限元软件Abaqus/explicit对准静态和爆炸载荷作用下可折叠芯层夹芯梁的力学响应进行研究，分析可折叠芯层的泊松比变化规律、夹芯梁背板挠度以及能量吸收机理；并将夹芯梁与等质量的实体梁进行对比。采用后面板最大挠度作为抗爆性能的评价，结果发现:可折叠芯层在准静态载荷下具有一定的负泊松比效应；夹芯梁的抗爆性能优于实体梁，曲边蜂窝的初始折角对其作为芯层夹芯梁的抗爆性能有较大影响，随着初始折角的逐渐增大，其抗爆性能逐渐下降；当初始折角为直角时对应于方孔直边蜂窝，其抗爆性能最差。     

一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

无轴承旋翼柔性梁载荷特性研究

应用Hamilton原理建立了双路传力的无轴承旋翼运动方程。采用均匀入流模型,基于直升机飞行平衡条件,建立了无轴承旋翼柔性梁载荷的计算模型,并通过算例验证了模型的精度。利用该模型,研究了全机重心位置、机身气动阻力以及平尾安装角对柔性梁载荷特性的影响,给出了各因素对柔性梁载荷的影响趋势,得出了降低柔性梁载荷的方法。数值结果表明:2cm左右重心位置的变化能够引起9%~11%的柔性梁载荷变化量,15%气动阻力的增加会导致约9%的柔性梁载荷的增大;2°平尾安装角的变化引起约10%柔性梁载荷的变化量,3°平尾安装角的变化引起约26%柔性梁载荷的变化。     

梁-桩-土竖向耦合振动特性分析

针对桩与连续梁组合这一基础形式,研究了梁-桩-土竖向耦合振动特性. 首先,将桩假设为一维黏弹性杆件,采用平面应变模型模拟桩侧成层土对桩的动力作用. 同时,桩顶对梁的支撑简化为竖向点支撑. 然后,分别根据一维杆件纵向振动理论和Timoshenko梁理论给出桩和梁的竖向振动控制方程并求解,进而借助离散傅里叶逆变换获得在梁上瞬时激振下梁和土层以上桩段的时域响应半解析解. 通过与有限元模拟结果对比,验证了解的合理性. 在此基础上,讨论了梁几何参数和桩身缺陷对梁-桩-土竖向耦合振动特性的影响.     

轴向随动分布载荷作用下FGMs Timoshenko梁的后屈曲特性

研究了Timoshenko功能梯度材料梁在随动分布载荷作用下的后屈曲问题。在考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形基础上,建立了在轴向分布随动载荷作用下一端简支一端固定Timoshenko功能梯度梁的过屈曲控制方程。其中假设功能梯度材料性质只沿厚度方向变化,并以成分含量的幂指数函数形式变化。采用打靶法求解了所得线性常微分两点边值问题,获得了随动载荷作用下Timoshenko功能梯度梁的过屈曲平衡路径和平衡构形。对比了Timoshenko梁和Euler梁的后屈曲行为,并分析了材料的体积分数指数和长细比对梁屈曲行为的影响。结果表明:考虑剪切变形的Timoshenko梁的后屈曲行为与Euler梁的后屈曲行为明显不同;体积分数指数一定时,随着长细比的增加,梁的临界载荷减小;长细比一定时,随着体积分数指数的增加,梁的临界载荷也减小。     

固体力学中的统一分析梁与有限节线法

针对现有梁理论不能解决的杆状类工程结构构件和结构体系,论文提出了一种新的梁模型——统一分析梁与一种新的数值分析方法——有限节线法.利用统一分析梁和有限节线法不仅可以解决任意杆状类结构构件或结构体系的力学分析问题,而且当问题的性质与传统梁理论的前提条件一致时,会得出同样精度的解答.算例计算结果证明了统一分析梁的合理性与有限节线法的正确性.     

双稳态结构中的1/2次谐波共振及其对隔振特性的影响

以典型的双稳态系统——屈曲梁结构为例,基于等效模型,结合解析、数值和实验手段,研究了双稳态结构中的1/2次谐波共振特性、演化过程、参数调节规律及其对隔振特性的影响.研究发现,当非线性刚度系数或激励幅值增加到一定程度时,系统会在一定带宽下产生显著的1/2次谐波共振;随着激励幅值增加,阻尼系统的1/2次谐波遵循“产生-增强-衰退-消失”的过程,该过程对峰值频率和峰值传递率有重要影响;适当提高非线性强度能有效改善双稳态结构隔振特性.针对双稳态屈曲梁结构开展的实验验证了1/2次谐波特性和隔振特性变化规律.     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应，对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象，通过4次爆炸试验，观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征，分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:接触爆炸荷载作用下，RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式，爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上，将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级，采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。