基于螺旋卷绕型人工肌肉驱动的机械手指设计及其运动分析1)

螺旋卷绕型聚合物人工肌肉作为一种新型致动器,因具有较高的柔韧性、通用性和功率密度,在柔性驱动领域具有广阔的应用前景。本文设计了一种螺旋卷绕型人工肌肉驱动的多自由度机械手指模型,建立了热驱动型人工肌肉的物理模型,实现了对机械手指多关节偏转的控制和运动分析。结果表明,人工肌肉的收缩量随温度的增加呈非线性增加;机械手指的关节偏转角随温度或肌肉收缩量的增大而增大。提出的人工肌肉驱动的多自由度手指模型,为实现其在机械手领域中的应用奠定了基础。     

磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性

基于磁致伸缩材料的本构关系模型,结合磁致伸缩作动器结构动力学模型建立了可描述磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性的运动方程.方程中考虑了作动器工作时磁致伸缩材料的弹性模量随着应力和磁场的改变而发生的变化,磁致伸缩材料的这种特性使得作动器系统表现出具有时变刚度的参数振动特性.通过对此参数振动方程进行数值求解,得到磁致伸缩作动器的参数频响特性,并研究了激励电流幅值以及作动器负载质量对作动器频响特性的影响.     

单丝碳纳米管纤维的横向冲击性能研究

由于碳纳米管(CNT)纤维具有优异的力学和电学性能,使其成为人工肌肉、超级电容器和耐撞结构的理想材料.但由于纤维单丝的力学信号较弱,对其横向冲击失效行为的研究尚欠缺.本文基于高精度力传感器发展了纤维单丝在横向冲击过程中的信号测量装置,利用该装置结合扫描电镜对比研究了尼龙纤维和碳纳米管纤维的横向冲击特性.研究结果表明:碳...     

60Si2Mn螺旋弹簧的压缩应力松弛行为与贮存寿命预测

为评价60Si2Mn螺旋压缩弹簧的室温松弛特性,利用InstronE3000K8953型小吨位电子动静态疲劳试验机,对其在不同温度和初始应力水平条件下进行了高温压缩加速应力松弛试验,研究了环境温度、初始应力水平对松弛行为的影响.基于粘弹性体模型,揭示了应力松弛过程中弹性应变向塑性应变的转化特性与塑性应变随松弛时间的变化规律.在对应力松弛前后弹簧丝材金相和TEM微结构进行对比分析的基础上,探讨了应力松弛的微观机制.结果表明,环境温度与初始应力水平对松弛速率具有显著影响.基于应力松弛过程的热激活特性,建立了60Si2Mn螺旋压缩弹簧的贮存寿命预测方程,并对不同应力水平下弹簧的室温和高温贮存寿命进行了合理预测.     

混杂纤维增强纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能研究

研究了纸浆纤维与Kevlar纤维浆粕混杂纤维中纸浆纤维的含量对其压缩回弹性能的影响,评价了不同比压和转速条件下纸基摩擦材料的摩擦磨损性能,分析了材料的压缩回弹性能与摩擦性能的关系.结果表明,纸浆纤维含量对压缩率和回弹率影响不明显,但随着加载压力增加,材料的压缩率和回弹率明显增大.在相同比压和转速条件下,纸浆纤维含量对纸基摩擦材料动摩擦系数的影响不明显,但随着比压和转速的增加,纸基摩擦材料的摩擦系数降低,其中含有17.5%纸浆纤维的纸基材料在循环制动条件下的摩擦系数最稳定,磨损率最低.     

两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究

干气密封环端面的接触摩擦不容忽视,在槽型设计与优化时也应该考虑端面的摩擦特性.利用端面摩擦磨损试验机,分别对16°和18°两种螺旋角的螺旋槽干气密封环进行测试,通过对比分析磨损量、摩擦温度、摩擦系数以及表面粗糙度来讨论密封环的摩擦特性和两种螺旋角对端面摩擦性能的影响.结果表明:18°螺旋角试验的磨损量、摩擦温升和摩擦系数均稍大于16°螺旋角试验,说明18°螺旋角试件的磨损比16°螺旋角的更加剧烈;石墨环被螺旋槽覆盖的外圈粗糙度的变化有较大的差异,内圈粗糙度变化相似,说明槽型参数的改变对石墨环磨损的影响主要体现在外圈.试验结果为今后端面摩擦学性能的研究及槽型优化提供了依据.     

纸基摩擦材料绿色制备工艺与摩擦磨损性能研究

以炭纤维作为增强纤维,开发出了一种原材料可回收、无石棉污染和工业垃圾的纸基摩擦材料绿色制备工艺,用所开发的新工艺制备了含50%回收原材料的纸基摩擦材料,用QM1000-Ⅱ型摩擦材料性能试验机考察了其摩擦磨损性能.结果表明:新工艺的原材料利用率为80%～95%;用新工艺制备的含50%回收原材料的纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.129,且摩擦系数稳定;静摩擦系数、静/动摩擦系数比和磨损率分别为0.149,1.16和6.47×10-8 cm3/J;其摩擦磨损性能同不含回收原材料的同类纸基摩擦材料相比无显著差异,是一种比较理想的新型纸基摩擦材料.     

磁头精定位控制中压电致动特征的解析解

利用压电弹性介质的二维本构关系,对于分割电极片状压电致动器在恒定的反平行电场作用下的电-力致动特性,在对自由端边界作圣维南意义下的放松处理后,采用弹性力学的半逆求解方法,导出了其力-电耦合的静态位移和应力分布的解析解.通过将所得解析解与没有简化假设的有限元数值解进行比较,结果表明:所得解析解的致动特性（即自由端位移随外加电压的变化特征）与数值解的结果几乎完全重合,表明其二维解析解是有效和可靠的.     

钢绞线中激励纵向模态的磁致伸缩型激励及接收器的选型

为在钢绞线中有效激励和接收纵向模态超声导波,对磁致伸缩型传感器的敏感元件螺线管的结构进行了优化,并进行了试验验证.首先,对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励及接收纵向模态超声导波的方法进行了分析,选用频率160kHz的L(0,1)纵向模态作为用于公称直径17.8mm的7芯钢绞线检测的导波.设计制作了激励该模态专用磁致伸缩型传感器.经过对结构和绕向不同的螺线管进行比较后,选取3段式螺线管作为磁致伸缩型传感器的敏感元件.为证实其检测能力,利用该传感器对钢绞线外围钢丝上的人工缺陷进行了检测,通过得到的实验信号可以很好确定缺陷位置.本文的研究为今后进一步检测钢绞线的健康状况奠定了基础.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备纤维增强陶瓷基摩擦材料,研究了钢纤维、钢纤维/莫来石纤维、莫来石纤维、钢纤维/硅酸铝纤维以及硅酸铝纤维增强陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性.研究结果表明:不同纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦系数的影响较为复杂.相比较添加单一纤维增强摩擦材料的情况,钢纤维增强的试样具有较好的耐磨性能,其次为莫来石纤维增强的试样,硅酸铝纤维增强的试样表现出最差的耐磨性能,钢纤维/莫来石纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强试样的磨损均低于相应的陶瓷纤维增强的试样;在高温下以莫来石纤维增强的试样,其磨损形式以磨粒磨损为主,而以硅酸铝纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强的试样的主要磨损形式为黏着磨损,钢纤维和钢纤维/莫来石纤维增强的试样的磨损属于磨粒磨损和黏着磨损.     

人工膝关节模拟试验机及其生物摩擦学性能评价研究进展

人工膝关节生物摩擦学模拟试验是在设计和制造阶段评价人工膝关节假体的主要方法.本文介绍了球面接触型、假体力和运动直接控制型及膝关节肌肉力重建型3类人工膝关节模拟试验机及其对应生物摩擦学研究现状,讨论了3类人工膝关节生物摩擦学试验的要求和特点,详细说明了现有人工膝关节生物摩擦学试验和测试标准,指出今后还需增加动物活体试验方式,扩大模拟人体运动测量范围,并应加强多因素同时作用下人工膝关节磨损机理研究,制定统一的人工膝关节生物摩擦学试验标准.     

倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料的细观力学模型

利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型,对材料的弹性性能进行了预测。这个力学模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直,纤维束的横截面形状尺寸和相邻纤维束之间的孔洞以及材料制造过程中碳纤维性能下降对弹性性能的影响。基于层合板理论,提出两种单胞应变状态假设分别对材料的九个弹性常数进行了推导计算,结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合,表明所提出的细观力学模型是合理的,可以为纺织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。     

仿特斯拉阀结构新型槽端面干气密封的数值研究

基于特斯拉阀结构的单向导通特性,提出一种集聚点更多和高压区域面积更大的新型(特斯拉阀型)干气密封槽型结构,该结构可获得比经典对数螺旋槽型更佳的密封效果. 通过建立特斯拉阀密封槽型的几何模型和数学模型,采用Fluent软件对不同几何参数和工况参数的密封性能进行系统数值仿真,获得密封开启力、气膜刚度和泄漏量等稳态性性能参数及瞬态膜压波动幅值方差. 分析了主阀道、支阀道和阀槽半径等参数对密封性能的影响规律,对比研究对数螺旋槽与特斯拉阀槽型在不同工况条件下的性能特性. 结果表明:相较于经典对数螺旋槽,同一工况下的特斯拉阀槽型具有更佳的开启力和刚度特性,尤其在高速、高压、小膜厚和大槽深时的开启力提升效果更加显著;在干气密封气膜稳定运行区间(h=3~6 μm),特斯拉阀槽型的气膜刚度较螺旋槽提升近20%;在高转速时(N>30000 r/min),特斯拉阀槽型的稳定性更好,且具有更小的压力波动.      

串列风力机尾流干扰的研究简

广义致动盘方法是通过引入体积力代替叶片的致动盘技术与三维Navier-Stokes 方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法. 该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究. 以NH1500风力机为计算模型,将常规CFD (computational fluid dynamics) 方法与广义致动盘方法计算所得的叶片载荷分布进行比较,以验证广义致动盘方法的可行性. 然后使用广义致动盘方法对风场中串列风力机进行数值模拟,研究串列风力机之间间距变化时,上游风力机产生的尾流对下游风力机的干扰影响.     

用两种功能材料综合控制智能梁的振动

给出了用两种材料对梁进行振动控制的综合控制方法。采用多层分布压电层进行精密主动控制时,将压电传感层和压电致动层分割成若干单元来设计压电模态传感器和压电模态致动器,进而实现了梁的模态控制,同时利用形状记忆合金的超弹性特性对梁进行被动控制来抑制梁的大振幅振动,取得了很好的控制效果。     

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明:在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9~1.5,槽坝比δ取1.8~2.4,螺旋角φ取18~24°,槽深h_g取6~8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.     

猪后腿肌肉的动态拉伸性能

利用生物材料试验机和套管式高聚物霍普金森拉杆装置,试验得到了猪后腿肌肉在宽应变率范围 (0.02~2100s-1)内沿纤维方向和垂直纤维方向的拉伸应力应变曲线。编写程序对动态试验中高聚物杆波 的弥散和衰减效应进行了修正。对试验结果采用了1维方差统计分析,结果发现:应变率从0.02s-1上升到 2100s-1,肌肉在2个加载方向上流动应力都显著提高,即具有明显的应变率效应;低应变率下,纤维方向的 极限强度比垂直纤维方向的大,而破坏应变无显著不同,准静态应力应变曲线的形状与其他软组织类似,开始 为足趾区,后进入线性区,接着又有1段非线性区,最后达到极限强度,试样逐渐破坏;高应变率下,应力应 变曲线无足趾区,这是因为组织中的螺旋结构来不及伸直所致。垂直纤维方向比纤维方向有更高的初始模 量,但随应变增加,两者流动应力无显著差别,且纤维方向流动应力有逐渐高于垂直纤维方向的趋势。     

共晶基陶瓷复合材料的强度模型

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表达式.考虑共晶陶瓷棒体长度和方位的随机性,根据概率理论得到共晶陶瓷基复合材料的宏观强度的理论模型.结果表明复合材料的宏观强度与亚微米纤维的直径和长度、以及亚微米纤维、基体、共晶陶瓷棒体的弹性常数有关.理论与实验结果十分接近,说明文中理论模型是合理的,同时证明了共晶界面对陶瓷复合材料的重要影响.     

主动振动控制中的非线性研究

本文采用磁致伸缩作动器进行了主动隔振的研究,分析,试验的结果表明,由于磁致缩材料的伸长率与磁场强度之间的非线性特性,导致了该作动器的输出具有谐波成分,激励激的运动亦可表示为杜芬方程的形式,试验证实,由于非线性的存在,主动振动控制效果受到影响。文中通过对激励源的振动信号进行分析,发现这一运动可能是混沌的。