柔性铰链的有限元法设计与分析

大变形、小应力、小中心漂移的柔性铰链的研制一直是柔性铰链研究的难题。本文在参考国外某款柔性铰链的基础上,利用V型结构设计、叠加理论和对称布置方法设计了一种新型的柔性铰链。针对这种柔性铰链的设计进行了概念性研究,建立了铰链的数学模型,研究了这种新型柔性铰链的性能。有限元方法分析表明,该设计方法增加了铰链柔性部分的长度,降低了它的中心漂移和最大应力,得到其最大转角约为16°,最大中心漂移为3.557μm,最大应力为499.8 MPa,满足了最初的设计指标要求。结果证明该铰链具有一定的实用价值。     

柔性铰链机构柔节疲劳寿命的设计及研究

围绕基于迈克尔逊干涉仪傅里叶变换光谱仪的动镜支撑机构——柔性铰链机构的柔节疲劳寿命问题,先通过相关公式计算选取出机构柔节的各个参数,并由这些参数建立机构的有限元模型;然后再根据材料属性参数,利用疲劳分析软件msc.fatigue,通过拟合疲劳寿命S-N曲线来对机构的柔节参数进行仿真验证.从分析结果可知:柔节破坏点的寿命...     

基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统

为了改进傅里叶变换红外光谱仪的动镜驱动装置,设计了一种基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统。采用柔性铰链的支撑方式和音圈电机的驱动方式,利用具有高精度高稳定性的直角型柔性铰链支撑机构支撑动镜,利用音圈电机驱动动镜前后往复运动,采用DSP控制系统对动镜的匀速进行控制。实验结果表明所设计的动镜扫描系统具有方向稳定性、速度稳定性、抗震性能优越等优点。     

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

基于多层石墨膜的柔性热铰链换热性能研究

柔性热铰链以其优越的空间自适应和导热性能,在某些场景中具备取代传统均温板的巨大潜力。采用Peaceman-Rachford ADI迭代方法对温度场求解的结果与试验数据基本一致。在热流密度0.2 MW/m~2、传输距离150 mm的条件下,柔性热铰链的传热温差可控制在32 K以内。通过分析其温差的变化趋势,证明了长度尺寸和覆胶方案对各区域扩散特性的影响彼此独立;与增大宽度尺寸的方法相比,增加层叠数量对降低其热阻的效果更佳。最后提出层叠效率的概念,用于表征层叠数量增加对其换热效率的影响,为后续柔性热铰链的设计选型提供参考。     

光子晶体光纤在熔接夹具中的受力分析

运用接触力学和圆环压溃强度理论对由V型槽固定的光子晶体光纤进行了受力分析。分别考虑了两种极限情况,以推导光纤中的应力分布。第一种情况假设光纤是完全由纯石英材料制成的内部均匀的实芯圆柱体;第二种情况是把光纤假设成一个空芯圆柱体。根据这两种极限情况推导出了光子晶体光纤受力后光纤内部的最大应力点位于平行于接触面的外层空气孔的附近。采用有限元方法验证了此结论,计算出了光子晶体光纤可能承受的最大压力,并给出了光子晶体光纤在V型槽中的应力分布和变形情况。     

同步辐射聚焦镜压弯机构设计与面形误差分析

基于同步辐射聚焦镜的原理，对压弯机构进行设计，对压弯理论进行介绍, 并推导了压弯镜理论面形的计算过程；根据设计理论建立了基于柔性铰链的压弯机构的模型，并对压弯机构的参数进行计算，有效长度为84.9 mm，最大力矩为259.8×10-3 N·m。设计并校核了压弯机构，满足了压弯机构在材料力学上的要求；最后针对压弯镜存在的理论面型误差，通过对压弯镜进行有限元仿真得到模拟值，与理论值进行对比，分析了不同的因素对面型误差的影响。     

大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构.利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究.优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229....     

宽温变环境的空间反射镜结构分析与研究

相机在从地面到太空的过程中,需要经历重力、温度、气压、辐射等多种环境因素的变化,而这些因素都可能导致空间相机分辨率下降、像质变坏、功能失效甚至系统破坏。所描述的系统工作于18±15℃的温度环境,要求光学反射镜在30℃温度变化范围内仍能正常成像。经优化设计,应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析,提出了一种采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式,解决了在大跨度环境温度范围下的反射镜结构支撑问题。     

光学元件狭缝柔性调节机构的设计与分析

设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构,使光学元件在具备较高调节精度的同时,保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度,以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数,对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化,在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下,刚度比最优值达到1 573.6,较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移,从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便,可实现三自由度(θx-θy-Z)调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析,结果表明:径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 660.4,解析值与仿真值误差为5.23%,证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构,轴向调节行程为2.09 mm,绕x轴偏转角度调节行程为±16.6 mrad,绕y轴偏转角度调节行程可达到±14.4 mrad,满足光学元件调节的大行程要求。     

薄板挠曲型光纤Bragg光栅土压力传感器设计与分析

根据土压力传感器与土介质的匹配原则,设计了一种圆平膜片薄板挠曲型FBG土压力传感器。通过在圆膜片上设计一组对称的光栅固定柱,有效避免了传感器在使用过程中产生谱峰分裂。同时,利用光栅固定柱张角引起的应变效应,大幅度地提高了传感器的压力灵敏度。理论分析了该结构的增敏机理并给出传感器灵敏度公式,计算结果表明,传感器的压力灵敏度可达1 374.3 pm/MPa。使用ANSYS建立薄板挠曲的有限元模型,通过提取固定柱中心点处在光纤方向上的位移,获得了有限元模型的压力灵敏度为1 360.8 pm/MPa。有限元分析和理论设计结果的相对误差为0.98%,具有很高的一致度,验证了理论设计和分析的正确性。     

Optimal design and lifetime calculation of the belt chamber by finite element method

Abstract

A mixed numerical-analytical method for an optimal strength design is presented. Optimal number n of components and optimal radii r_j are calculated for an equivalent cylindrical model of the compound vessel. An iterative numerical method is proposed for evaluation of optimal overlaps Δr_j. A finite element method (FEM) elastic-plastic program has been developed to estimate the vessel lifetime.     

Design of a single layer micro-perforated sound absorber by finite element analysis

Micro-perforated sound absorbers with sub-millimeter size holes can provide high absorption coefficients. This paper presents results of work on the development of an effective single layer micro-perforated sound absorber from the commercial composite material Parabeam^® with micro diameter holes drilled on one side. Parabeam^® is used as a structural material made from a fabric woven out of a E-glass yarn and consists of two decklayers bonded together by vertical piles in a sandwich structure with piles (thick fibers) woven into the decklayers. The paper includes, the analytical model developed for prediction of absorption coefficients, finite element solution using commercial software MSC.ACTRAN and experimental results obtained from impedance tube measurements. A simple optimization is performed based on the developed models to obtain an efficient absorber configuration. It has been anticipated that several different and interesting applications can be deduced by combining structural and sound absorption properties of this new micro-perforated absorber.     

涡旋板弹簧的有限元分析及实验

板弹簧支承技术是线性压缩机的关键技术之一,在为活塞提供轴向回复力的同时,还用来支承压缩活塞、保证密封间隙。在优化分析的基础上,文中设计制造了一款三臂涡旋板弹簧。利用ANSYS有限元软件分析了该款板弹簧的轴向刚度、径向刚度、应力分布以及固有频率特性,并对板弹簧的轴向刚度和固有频率进行了实验研究。实验结果表明,采用有限元分析方法分析板弹簧性能是有效的。     

Design and optimization of carbon nanotube/polymer actuator by using finite element analysis

In recent years,actuators based on carbon nanotube(CNT) or graphene demonstrate great potential applications in the fields of artificial muscles,smart switches,robotics,and so on.The electrothermal and photothermal bending actuators based on CNT/graphene and polymer composites show large bending actuations,which are superior to traditional thermaldriven actuators.However,the influence of material parameters(thickness,temperature change,etc.) on the actuation performance needs to be further studied,because it is a critical point to the design and fabrication of high-performance actuators.In this work,finite element analysis(EEA) is employed to simulate the actuation performance of CNT/polymer actuator,which has a bilayer structure.The main focus of this work is to design and to optimize material parameters by using computational method.FEA simulation results show that each layer thickness of actuator has an important influence on the actuation deformation.A maximum curvature of 2.7 cm~(-1) is obtained by simulation,which is much larger than most of the actuator curvature reported in previous experiments.What is more,larger temperature change and larger difference of coefficient of thermal expansion(CTE) between two layers will result in larger bending actuation.This study is expected to provide valuable theoretical reference for the design and realization of CNT-based thermal actuator with ultra-large actuation performance.     

Analysis of mode shapes of a rigidly backed cylindrical foam using three-dimensional finite element acoustical analysis

In this study, the three-dimensional finite element frequency domain acoustical analysis is used to determine the modal shapes of cylindrical foam with a rigid backing and subjected to a unit normal incidence impulsive sound pressure loading while placed in the impedance tube. The acoustic results predicted for the foam are validated by data from the two-microphone acoustic measurements, and good agreement between the measured and predicted acoustic results is observed. The mode shapes of the incident face of the foam at a low frequency, resonant and anti-resonant frequencies as well as the frequency that occurring the peak loss modulus are illustrated. It is found that the modal behaviors of the cylindrical foam are dominated by the fluid, although the acoustic properties of the cylindrical foam are also influenced by the circumferential edge constraints and the modal movements of the solid skeleton.     

基于有限元法的光子并矢格林函数重整化及其在自发辐射率和能级移动研究中的应用

任意微纳结构中量子点的自发辐射率和能级移动均可用并矢格林函数表达.当源点和场点在同一位置时,格林函数的实部是发散的.为解决这一发散问题,可采用重整化格林函数方法.本文提出一种计算重整化格林函数和散射格林函数的方法.该方法利用有限元,计算点电偶极子的辐射场,将其在量子点体积内做平均得到重整化的并矢格林函数,减去均匀空间中解析的重整化格林函数,得到重整化的散射格林函数.在均匀空间情况下,本方法所得数值结果与解析解一致.将该方法应用到银纳米球系统,以解析的散射格林函数作为参考,结果表明该方法能准确处理散射格林函数的重整化问题.将该方法应用到表面等离激元纳米腔中,发现有极大的自发辐射增强和能级移动,且该结果不依赖于量子点的体积.这些研究在光与物质相互作用领域具有积极的意义.     

Design and analysis of coplanar waveguide optical modulator using finite element method

An analysis is given on the finite element method (FEM) for calculating the various parameters of optical modulators and a computer program is written to solve the finite element equation. Based on this method, a Mach-Zehnder type electro-optic modulator with coplanar waveguide (CPW) electrode is designed and fabricated. When compared with the Fourier series method, small differences on the 3-dB bandwidth, characteristic impedance and half-wave voltage, etc. are obtained.     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型.提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响.建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响.