MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

金属丝网——油液介质耦合减振器抗冲击动态力学特性研究

基于金属丝网－油液介质耦合减振器原理样机的抗冲击动态力学特性进行研究，样机的多参数匹配冲击试验研究表明该减振器具有强非线性动态特征，并能实现抗大冲击；在此基础上结合流体理论和库伦摩擦理论建立了原理样机非线性冲击动态特性模型，研究减振器抗冲击力学特性的设计可控性，该建模方法直接引入结构参数，为直接设计具体的器件建立了理论基础。     

MSC折纸结构设计及其双稳态解析与实验

折纸是一门古老艺术,其本质是将平面材料沿着事先设计好的折痕进行折叠,进而形成一个复杂的三维结构．柔性折纸结构是实现三维结构轻量化的重要途径．因此,解析折纸结构几何特性和力学性质十分必要．本文以MSC(Magic Spiral Cube)为研究对象,通过实际折痕和虚拟折痕的方法,建立了该结构的几何模型,确定了实现完全展开和完全折叠对刚性面和可变形面的设计条件,在虚拟折痕上引入了扭转刚度,证明了该扭转刚度与柔性面变形的等效性,从而得到了MSC 折纸结构的弹性势能,得到了使结构变形的力与位移本构．通过力学特性分析,发现了MSC折纸结构具有双稳态特性,这种特性是由面内变形诱发的,与虚拟折痕刚度与弹性折痕刚度的比值有直接的关系．最后,我们对MSC折纸结构进行设计和制备,通过实验,验证了理论 模型的准确性．本文的研究结果不仅进一步加深了我们对于MSC折纸结构力学特性的认识,同时也为其工程应用提供理论基础．     

一种准零刚度系统隔振性能的几何参数优化分析

提出了一种采用菱形连杆组件作为负刚度机构的准零刚度隔振器(下文简称菱形准零刚度隔振器).通过静力学分析方法,建立了菱形准零刚度隔振器数学模型,并与其他调节变量较少的隔振器模型进行了对比;以被测量曲线在隔振器平衡位置处的曲率作为评价参数,研究了负刚度机构几何参数对系统刚度、阻尼非线性的影响,推导了利用几何参数进行隔振优化...     

四节点二十四自由度平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式的推演算法研究

几何刚度矩阵的推演是结构几何非线性有限元分析的重点和难点之一。推导几何刚度矩阵显式解析表达式成为简化非线性有限元列式,提高分析效率的关键。本文在协同转动法框架下,基于刚体运动法则对四节点二十四自由度的平板壳单元几何刚度矩阵显式解析式进行了推导和讨论;分析了悬臂梁大转动、不同壁厚条件下简支圆柱形屋顶空间大变位两个经典算例。研究结果表明：（1）几何刚度矩阵的显式计算公式不仅为板壳结构几何非线性列式提供了方便而且具有良好的精度;（2）推导的几何刚度矩阵适用于各类型四边形二十四自由度平板壳单元模型;（3）与数值积分相比,采用解析形式的几何刚度矩阵可以显著提高非线性响应计算效率。     

可重构力学超材料的设计与波动特性研究

力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注.文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构,首先建立了等效弯曲梁模型,基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理,之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响,分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围,绘制了几何参数与力学性能之间的相图.同时,可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性,利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系,对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响,之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性.通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控,为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.     

新型断路器操作机构的力学测试

为了实现一种结构简单、成本低廉、耗能较低的高压断路器的操作机构,在分析典型永磁电动操作机构的基础上,提出了一种采用永磁驱动的新型操作机构。利用MTS809材料试验系统测得断路器真空室的触头反力,使用Maxwell软件对断路器操作机构的磁力进行仿真与优化。在此基础上,确定操作机构的整体结构并做出10kV真空断路器原理样机。再利用MTS809系统对原理样机的驱动力进行测试验证。驱动力测试结果表明,新型永磁驱动操作机构原理可行,10kV真空断路器原理样机达到预期的设计目标。     

一阶无穷小位移机构的刚化判定

一阶无穷小位移机构是一类具有机构性能的特殊的新型空间结构,从工程结构的角度考虑,只有能够清除机构性而获得几何刚度的体系才是可承载的结构体系。一阶无穷小位移机构的几何刚度的获得是通过体系的相对机构位移而获得的,这与传统结构的几何刚度的概念是完全不同的。因此,研究一阶无穷小位移机构的刚化问题是非常重要的。Maxwell准则只从体系的拓扑关系来考虑体系的几何稳定性,这显然不能应用于一阶无穷小位移机构的刚化判定问题。本文基于矩阵向量空间分解的理论和一阶无穷小位移机构的概念。在体系的平衡矩阵引入了边界条件,对一阶无穷小位移机构的刚化判定问题进行了分析,运用功能原理给出了一阶无穷小位移机构刚化的等价条件和判定方法。通过几个数值算例验证了本文结论和方法是正确的、可靠的。     

一种固流耦合结构的抗冲击力学特性实验研究

针对一种新型固流耦合减振器原理样机开展了多参数匹配冲击力学特性实验研究,结果表明其具有良好的抗大冲击能力,并表现出强非线性动态力学特征,同时通过改变一些主要的参数器件测试其力学工作特性,研究了共力学特性的设计可控性。     

盘绕式空间可展折叠无铰伸展臂的屈曲分析理论研究

首先介绍了无铰可展空间伸展臂(Hingeless Mast)构造特点、展开折叠机理和受力特点,然后根据弹性稳定理论和能量原理,分别推导出局部卷压屈曲和整体螺旋屈曲的临界压力表达式,并据此进行参数特性分析。本文分析理论对无铰空间伸展臂的设计具有重要指导意义。     

高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.      

The ExoMars rover locomotion subsystem

ExoMars is the European Space Agency (ESA) mission to Mars planned for launch in 2018, focusing on exobiology with the primary objective of searching for any traces of extant or extinct carbon-based micro-organisms. The on-surface mission is performed by a near-autonomous mobile robotic vehicle (also referred to as the rover) with a mission design life of 180 sols. The rover has a 6 × 6 × 6 with 6 wheel-walking drive configuration (all 6 wheels are driven, steered and have a ‘walking’ capability) and has flexible wheels providing enhanced traction compared to rigid wheels of the same diameter. The suspension is a passive ‘3-bogie’ system which offers the same 6 wheel contact on uneven ground and mobility performance as the NASA-JPL ‘rocker-bogie’ suspension used on previous Mars rovers, but permits elimination of the differential linkage present in that design. Mars presents several challenges to the rover locomotion subsystem with its rock-strewn surface, sand dunes, rocky outcrops, craters and slopes. The unknown nature of the terrain to be traversed imposes several constraints on the locomotion subsystem design that need to be evaluated and incorporated within the flight model for its successful operation on Mars. In addition, accommodation within the confines of the lander and successful egress from it over deflated airbags places stringent constraints on locomotion subsystem mass, stowage envelope, deployment and wheel design. This paper documents the evolution of the ExoMars rover vehicle locomotion configuration from an early design concept to the current mission baseline design. The discussion involves various tradeoffs supported by mechanical and terramechanical analyses, simulations and testing performed on full-scale locomotion breadboard models at single wheel level and system level.     

格子Boltzmann方法处理复杂边界新进展

格子玻尔兹曼方法是相对较新的计算流体力学方法,具有其独特的优点,如自然并行计算以及复杂边界的处理．在日益重要的高性能计算上,将发挥越来越大的作用．在已经较为成熟的计算模型基础上,为计算复杂几何边界对流场的作用,大量学者提出了各类针对格子玻尔兹曼方法的边界处理格式．边界处理方式对计算的影响主要有三个方面：计算精度,算法稳定性以及并行性．本文简单介绍格子玻尔兹曼方法在边界处理上的一些最新进展．并通过对实际算例的计算比较各类边界处理方式的优劣．     

可展桁架结构展开过程分析

提出了一种分析构架式结构展开过程的有效算法。基于含多余广义坐标的动力学普遍方程 ,利用约束雅可比矩阵的零空间基引入一组准速率 ,得到独立的展开过程分析的动力学微分方程。为提高展开模拟的数值精度 ,文中提出了一种控制展开过程几何违约、速度违约和能量违约的数值稳定算法。该算法求解效率高 ,能和任意数值积分方法结合使用 ,能分析大型的构架式可展结构的展开过程     

The self-stabilization effect of lattice’s historical flow in a new lattice hydrodynamic model

In order to reveal the self-stabilization effect of the lattice’s historical information on traffic flow, a new lattice hydrodynamic model with consideration of the considered lattice’s historical flow is proposed. The impact of the lattice’s historical flow on traffic stability is uncovered through theoretical analyses and numerical simulation. Through theoretical analyses, the linear stability condition of the new model is obtained, and the nonlinear mKdV equation is derived to describe traffic jamming transition of the new model near the critical point. From numerical simulation, the theoretical analyses are verified and it is shown that the traffic stability can be enhanced by considering the current lattice’s self-information of its historical flow.     

STACER伸展变形的一种计算方法

STACER是一种航天器上广泛应用的伸展机构,其储能部件由薄壁钢带经冷加工涡卷最终成型为螺旋管状.由于伸展长度可达装载高度的几十倍,钢带在展开过程中呈现为大挠度、大应变形变,机构伸展力的计算必然涉及强非线性问题;同时,钢带的构型、边界条件在伸展过程中不断变化,这些因素又增加了问题的难度,致使常用的商业软件已无法直接处理此类问题.此研究工作应用变分方法的思想,以研究钢带变形的几何特性为基础,构造出钢带构型恰当的可能函数空间,并利用形状函数随伸展长度的变化规律求出钢带的主应变以及变形能,再利用势能极小原理,确定出钢带的真实构型以及相应的变形能,最终利用变形能和虚功原理得出伸展力.这一方法既可以简化计算又可以得到钢带形状函数、伸展力的近似解析式,为伸展力影响因素的定量分析提供了条件.     

Shape Recovery of Viscoelastic Beams After Stowage

The deployment of viscoelastic structures that have been held stowed for a given time duration can be formulated as a viscoelastic boundary value problem in which the prescribed condition switches from constant displacement to constant traction. This paper presents closed-form expressions for the load relaxation and shape recovery of a linear viscoelastic beam subject to such time-varying constraints. It is shown that a viscoelastic beam recovers to its original shape asymptotically over time. The analytical solutions are employed to investigate the effect of temperature and stowage time on the time required to achieve recovery with a specified precision. Based on the time-temperature equivalence principle, the relationship between recovery time and holding duration is concisely presented on a single plot. It is found that recovery time increases with holding duration but with a diminishing effect.     

桅杆风致破坏机理研究

桅杆风致破坏的情况屡见不鲜。桅杆的非线性是相当复杂的,它是由拉索的几何非线性和拉索的张力产生的,拉索的张力又依赖于拉索的几何位置。研究指出由于在经常性风荷载作用下,桅杆产生空间混沌振动,并由此产生疲劳破坏的结果,但这些研究仅限于确定性情况。本文中将研究扩展到随机问题,数值计算结果表明该系统存在随机混沌现象,其响应平均值与平均应力指出混沌性质。为了进一步研究桅杆破坏机理,因此在本文中,既考虑突发性故障问题,又考虑随机疲劳寿命问题,并给出时间与应力极值概率。