静电激励MEMS微结构吸合电压尺寸效应研究

基于应变梯度弹性理论,研究了静电激励MEMS微结构吸合电压的尺寸效应.利用最小势能原理分别推导出含尺寸效应的一维梁模型和二维板模型的高阶控制方程.采用广义微分求积法和拟弧长算法对控制方程进行了数值求解.结果表明,随着结构尺寸的降低,新模型所预测的归一化的吸合电压呈非线性增长,表现出尺寸效应(特别是当结构尺寸与内禀常数在同一数量级时尺寸效应更加强烈);而相应的经典理论模型并不能预测此尺寸效应.两种新模型可视为相应经典理论的推广.论文有助于研究MEMS微结构的特性并对微结构的设计有潜在的应用价值.     

大冲击后力反馈微加速度计吸合失效与防止

冲击载荷强迫微加速度计的敏感质量大大偏离平衡位置,使差动静电力发生器的非线性效应体现出来,其结果是使正常工作时敏感质量仅在平衡位置附近有微小位移的状况下成立的负反馈闭环系统模型不再适用,敏感质量的受控特性可能变为正反馈,从而使微加速度计失效。为提高微加速度计受外界大载荷冲击后的可靠性,分析了加速度计的敏感质量在不同限制的静电反馈力下的受控特性及对应的闭环系统特性,推导了在已知止挡机械参数下确定微加速度计相应电气参数从而避免此类失效的防吸合准则。多次的验证实验表明,按防吸合准则设计了系统参数的静电力反馈加速度计,在受到远超过其本身量程的载荷冲击后,可以100%地防止吸合现象的出现。     

RLC串联电路与微梁耦合系统的吸合电压与电振荡

根据电阻电感电容RLC电路与微梁耦合系统物理模型,利用拉格朗日-麦克斯韦方程建立了反映RLC电路与微梁机电耦合特征的数学模型。此模型能够反映机电的耦合特征。当两个极板之间的电介质为石蜡、陶瓷、云母等填充物时,只需求解RLC串联电路方程;当电路中放电结束瞬间,电容器极板上电荷为零,此时系统转化为极板微梁振动系统。通过伽辽金方法推导出了极板微梁系统的非线性振动方程,并求得了极板的吸合电压;应用常微分方程理论得到了RLC串联电路方程电振荡的解析表达式,分析了系统的电振荡特性。研究结果表明:对于每一个激励电压值,极板都有两个可能的平衡位置;电路中电流在非共振情况下经过一段时间的振荡后达到稳定。     

开孔和闭孔泡沫铝的力学与吸能特性研究

研究泡沫铝的力学与缓冲吸能特性有助于其在武器、航天与航空等领域的广泛应用。通过对开孔和闭孔泡沫铝的实验研究发现:开孔和闭孔泡沫铝的应力-应变曲线都明显呈现出线弹性变形、塑性屈服(平台段)和致密化3个阶段;闭孔泡沫铝较开孔泡沫铝的平台段更加明显;闭孔泡沫铝的吸能效率较开孔泡沫铝的高,比开孔泡沫铝更适合作缓冲元件。     

多层吸能元件在冲击波作用下大变形问题的模态解

通过实验研究了多层吸能元件在冲击波作用下的大变形模式,基于虚速度原理建立了问题的模态近似解。实例计算表明理论值与实验结果吻合很好,分析了硬化、动态应变率以及元件静态孙载力,层数和惯性对结果的影响。     

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点,在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响,基于正多边形结构,通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构,并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验,利用高速相机记录结构的变形模式,并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明：除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外,其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压,结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出：不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下,内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构;同等质量的情况下,内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。

     

新型多胞管轴向吸能特性的理论和数值研究

为改善多边形薄壁管的轴向吸能特性,设计了在其角部区域添加胞元的新型多胞管.基于简化的超折叠单元理论,提出了一种预测多胞管平均压溃力的理论模型.此外,通过数值模拟给出了多胞管在准静态轴向荷载作用下的吸能特性.研究结果表明 理论预测和数值模拟的平均相对误差为5.65％.多胞管的吸能特性随壁厚的增大而增大,随边厚比的增大而减...     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗.论文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究.采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性.研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段.在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少.论文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系.结果表明:随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高.     

窄带随机激励下复合材料层合梁的非线性动力行为研究

基于von Kármán应力应变关系和Reddy高阶剪切变形理论,利用Hamilton原理导出了轴向激励下复合材料层合简支梁的非线性动力学方程。采用有界噪声理论,将窄带随机激励作为梁的参数激励模式,利用多尺度法获得了评价单模态主参激共振系统的平凡稳态响应稳定性的最大Lyapunov指数解析表达式,并表明了带宽γ的增大将有利于低激励幅值的稳定性,但同时也将扩大高激励幅值的不稳定区间。对表征上述系统稳态响应间随机跳跃与分岔的FPK方程中的联合概率密度函数进行了数值计算。对幅-频特性而言:当激励频率B越大,系统越有可能从围绕非平凡解支运动向围绕平凡解支运动跳跃;当B达到一定值后,系统主体的运动即为围绕平凡解支的小幅运动;窄带带宽γ越小,系统围绕非平凡解支运动的可能性越大。对力-幅特性而言:激励幅值减小,外扇型峰削弱而中心火山口峰增强,表明系统从围绕非平凡解支运动向围绕平凡解支运动跳跃。     

高速动车组被动安全性和耐撞性研究

随着列车高速和重载的发展,对列车被动安全性的研究日益重要.本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设...     

考虑初始几何缺陷时复合材料层合浅拱的动态“跳跃”

考虑几何非线性但不计横向剪切效应，给出了复合材料合浅拱的动力方程，利用伽辽金法求出了均布阶跃载荷作用下，两端铰支、正交铺层的对称层合浅拱在计及初始几何缺陷情况下的动力响应，并由Ｂ－Ｒ准则分析了动力稳定性计算结果表明：初始缺陷对于结构参数γ较大的拱的临界动力载荷有很大的影响。     

球形闭孔泡沫金属材料力学行为研究

利用面心立方单元胞模型计算了球形闭孔泡沫金属材料的宏观弹塑性特性,建立了弹性参数和屈服强度与相对密度的关系,所得结果与球形(类球形)闭孔泡沫铝合金试验结果进行了比较,二者吻合较好.此外,利用所建立的单元胞模型计算了等比例多轴载荷下的应力-应变曲线,针对现有的泡沫金属材料弹塑性宏观唯象本构框架,得到了球形孔闭孔泡沫金属材料在不同特征应变下应力势函数曲面及其演化规律,确定了其宏观本构理论模型的材料参数.结果表明,该理论模型能较好模拟有限元数值计算结果.     

THE DYNAMIC BEHAVIORS OF VISCOELASTIC PIPE CONVEYING FLUID WITH THE KELVIN MODEL

Based on the differential constitutive relationship of linear viscoelastic, material, a solid-liquid coupling vibration equation for viscoelastic pipe conveying fluid is derived by the D'Alembert's principle. The critical flow velocities and natural frequencies of the cantilever pipe conveying fluid with the Kelvin model (flutter instability) are calculated with the modified finite difference method in the form of the recurrence formula. The curves between the complex frequencies of the first, second and third mode and flow velocity of the pipe are plotted. On the basis of the numerical, calculation results, the dynamic behaviors and stability of the pipe are discussed. It should be pointed out that the delay time of viscoelastic material with the Kelvin model has a remarkable effect on the dynamic characteristics and stability behaviors of the cantilevered pipe conveying fluid, which is a gyroscopic non-conservative system.     

EFFECT OF THE OPEN CRACK ON THE PULL-IN INSTABILITY OF AN ELECTROSTATICALLY ACTUATED MICRO-BEAM

In this paper, the effects of the open crack on the static and dynamic pull-in voltages of an electrostatically actuated fixed-fixed and cantilever micro-beam are investigated. By presenting a mathematical modeling, the governing static and dynamic equations are solved by SSLM and Galerkin-based Reduced Order Model, respectively. Then, each single-side open crack in the micro-beam is modeled by a massless rotational spring and the cracked mode shapes and corresponding natural frequencies are calculated by considering the boundary and patching conditions and using transfer matrix methods. Finally, the effects of the crack depth ratio, crack position and crack number on the pull-in voltage of the micro-beams are studied. It is shown that beside the residual stresses created in the machining process, the crack(s) can be initiated, growth and consequently change the pull-in voltage of the system by decreasing the natural frequencies. The results show that the crack position is effective beside the crack depth ratio in decreasing the pull-in voltage. Also it is shown that in the fixed-fixed micro-beam there are several points for the crack location in which, the pull-in voltage is extremum.     

跳跃振子平衡及其分岔的能量分析

用能量方法研究了跳跃振子的平衡与分岔.用势能驻值条件确定了平衡位置所满足的方程,通过势能极值判断平衡的稳定性.在不同的弹簧构型下,数值计算了平衡随系统弹性刚度和质量比变化的分岔图.结果表明,弹性刚度和质量比较小时,系统只有一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点;刚度和质量比充分大时,系统分岔出一个新的稳定平衡点和一个新的不稳定平衡点.     

三参量固体模型粘弹性输流管道的动力特性分析

推导了三参量固体模型粘弹性输流管道的振动微分方程,计算了在不同无量纲松弛系数和弹性常数比下管道的无量纲临界流速和无量纲自振复频率,并给出了前三阶复频率与流速的关系.计算结果表明,质量比、无量纲松弛系数及无量纲弹性常数比对输流管道的动力特性均有影响.     

薄壁结构屈曲和初始后屈曲的局部分析及其精度

为了解决大型复杂薄壁结构稳定性有限元分析中方程阶数过高的问题,本文建议用结构局部代替整体进行计算,证明局部分析方法可以得到整体结构线性分支点的上限和下限,以及整体结构渐近后屈曲行为的近似解,给出了算例。     

有初内力的板的内共振

本文利用非线性时空有限方法和样条有限元技术对具有初内力的板的非线性频响特性进行了分析，计算了在不同初始内力下方板的大振幅自由振动、有阻尼强迫振动和矩形板的内共振。     

SIMULATION OF THE IN-PILE BEHAVIORS EVOLUTION IN NUCLEAR FUEL RODS WITH THE IRRADIATION DAMAGE EFFECTS

Based on the commercial computational software, a three-dimensional finite ele- ment model to simulate the thermo-mechanical behaviors in a nuclear fuel rod is established; By taking into consideration irradiation-swelling of the pellet and the irradiation damage effects in the cladding together with the coupling effects between the temperature field and the mechanical field, the user subroutines to define the special material performance and boundary conditions have been developed independently and validated. Three-dimensional numerical simulation of the thermo-mechanical coupling behaviors in a nuclear fuel rod is carried out, and the evolution rules of the important thermal and mechanical variables are obtained and analyzed. The research re- sults indicate that： （i） the fuel pellets will be in contact with the cladding at high burnup, which will induce a strong mechanical interaction between them; （2） the irradiation creep effect plays an important role in the mechanical behavior evolution in the nuclear fuel rod.