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.      

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性，以雀尾螳螂虾螯为仿生原型，结合仿生学设计方法，设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标，通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度（0o、10o、20o和30o）条件下，仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响，通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合，设置了4种单一角度工况和3种多角度工况，采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明，胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明，单一角度工况下，最优结构参数高宽比的范围为0.88～1.50，壁厚的范围为0.36～0.60 mm，碰撞角度为0o和10o的最优高宽比明显小于碰撞角度为20o和30o的；多角度工况下，最优高宽比范围为1.01～1.10，壁厚范围为0.49～0.57 mm。     

变刚度层叠梁的力学性能研究

为满足不同场景下的功能需求，变刚度结构得到越来越广泛的应用．以机器人手臂为例，在执行操作时，需要其手臂的结构刚度足够大，避免出现过大的扭曲和变形，而在与人交互时，又需要其结构足够柔软，以保证在此过程中与人交互的安全性．该类变刚度结构可根据需求通过外部激励在柔性和刚性状态之间自由切换．在该文章中，研究分析了层叠梁结构，通过理论推导和数值模拟，对其力学性能做出了很好的预测，同时为此类结构的研究提供了有效可靠的思路和方法．     

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。     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

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.     

二维CAS小波求解变厚度功能梯度简支梁的弹性静力学问题

利用正交的二维CAS小波方法数值求解了变厚度功能梯度简支梁的二维弹性力学问题,此求解过程相对简单,易于编程,具有可推广性.     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

考虑塑性变形发展程度系数的RC梁开裂弯矩改进计算公式

针对RC梁开裂荷载计算方法尚未统一的现状，首先，结合18根RC梁试验数据对比了已有的6种RC梁开裂弯矩计算公式，发现开裂弯矩理论计算值与试验值的偏差大小和混凝土强度有关；然后，通过提出塑性变形发展程度系数k，推导新的RC梁开裂弯矩计算公式，并进一步基于k值和塑性影响系数计算值γ_k进行改进；最后，选取12根RC试验梁验证改进公式的准确性，证明改进公式的计算值与试验值吻合更好且偏于安全。