非接触性摩擦

 接触性摩擦是一个物体表面上的原子“突起”滑过另一个物体表面的原子“凹陷”产生的。康奈尔大学的赛佩·库恩(SeppeKuehn)和同事,利用0.25毫米长、几千个原子厚的单晶微悬臂梁,观测相距1纳米的两表面间的非接触性摩擦。使悬臂梁与一个表面垂直,并使其向下做如同钟摆一样的运动,在这样的运动状态下调整悬臂梁,悬臂梁将因感应到下方表面的摩擦而慢下来。令人吃惊的是,非接触性摩擦力依赖于样本的化学性质。通过研究不同聚合材料的化学依赖性,这几位研究者直接检测了因样本中分子运动导致弱电场波动而产生的摩擦。     

利用微悬臂梁表面应力研究聚N-异丙基丙烯酰胺分子的构象转变

提出了一种基于微悬臂梁传感技术研究大分子折叠/构象转变的新方法.通过分子自组装的方法将热敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)分子链修饰到微悬臂梁的单侧表面,用光杠杆技术检测温度在20-40 ℃之间变化时由于微悬臂梁上的PNIPAM分子在水中的构象转变所引起的微悬臂梁变形.实验结果显示:在升温过程中,微悬臂梁的表面应力发生了变化并且导致微悬臂梁产生了弯曲变形,这个过程对应着微悬臂梁上的PNIPAM分子从无规线团构象到塌缩小球构象的构象转变.在降温过程中,微悬臂梁发生了反方向的弯曲变形,这对应着PNIPAM分子从塌缩小球构象向无规线团构象的构象转变.整个温度变化过程中构象转变是连续进行的,而在低临界溶解温度(约32 ℃)附近转变幅度较大,这与自由水溶液中PNIPAM分子的无规线团-塌缩小球构象转变相对应.实验结果还显示:由于PNIPAM分子在塌缩过程中氢键的形成和链段间可能的缠结效应,整个温度循环过程中微悬臂梁的变形是不可逆的且有明显的迟滞效应.     

用于机械振动实时监测的光纤光栅有源传感装置

把一对中心反射波长分别为1562.11nm和1562.71nm的光纤光栅粘贴在均质、等厚、等腰三角形悬臂梁上下表面作为环形腔光纤激光器端镜，当机械振动激励自由端时，通过观测激光输出脉冲，地施加于自由端的机械振动的频率进行了实时监测；观察两光栅波长漂移量差值的变化，可在0～6.1mm的范围内判断所测振动的振幅。低于100Hz时，实验结果与实际值基本吻合。     

基于悬臂梁调谐技术的光纤光栅无源振动监测

采用匹配光纤光栅设计了一种结构简单的振动信号无源监测装置.该装置利用悬臂梁调谐技术能够将微小振动信号转化为光电探测器可探测的光强信号,利用示波器实现实时监测.实验中对振幅为3mm的简谐振动信号进行了监测,测量结果与振动频率一致,可测量7～20Hz的振动,信噪比不低于14.9dB.监测频率受限是因为悬臂梁的性质,如采用金属材料或者采用齿轮组对转子进行减速,该装置可探测更高的频率.     

利用微悬臂梁表面应力研究聚N-异丙基丙烯酰胺分子的构象转变

提出了一种基于微悬臂梁传感技术研究大分子折叠/构象转变的新方法.通过分子自组装的方法将热敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)分子链修饰到微悬臂梁的单侧表面，用光杠杆技术检测温度在20—40℃之间变化时由于微悬臂梁上的PNIPAM分子在水中的构象转变所引起的微悬臂梁变形.实验结果显示：在升温过程中，微悬臂梁的表面应力发生了变化并且导致微悬臂梁产生了弯曲变形，这个过程对应着微悬臂梁上的PNIPAM分子从无规线团构象到塌缩小球构象的构象转变.在降温过程中，微悬臂梁发生了反方向的弯曲变形，这对应着PNIPA 关键词： 构象转变 聚N-异丙基丙烯酰胺分子链 表面应力 微悬臂梁     

振动系统的模态分析实验设计

利用模态分析原理和简单试验仪器，得到了直观的悬臂梁和圆盘前4阶模态振型，使学生熟悉了模态分析原理和测试方法，有利于学生对振动规律的理解．     

基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐器研究

分析了基于悬臂梁的光纤光栅线性调谐的基本原理及调谐公式,指出了调谐范围、调谐灵敏度和反射波谱展宽与悬臂梁结构的关系,并提出了优化方案.实验中选用适当尺寸的悬臂梁,对粘贴其上的光纤光栅的反射波长实现了线性调谐,并可对调谐范围、灵敏度等指标进行灵活控制.     

基于非线性涡格法的快速静气动弹性数值模拟技术

基于2.5D RANS数据和VLM耦合的方式,发展了一种考虑非线性流动效应的混合型涡格法HVLM.采用矩形直/后掠机翼两个外形的跨声速算例,通过与VLM、三维CFD计算数据的比较,对HVLM的气动力预测精度进行了分析与评估.对比结果表明,HVLM在大幅降低时间成本的前提下可以获得和三维CFD方法预测值十分接近的计算数据,对线化VLM方法的修正效果显著.然后,HVLM与悬臂梁有限元求解耦合,实现了一种面向三维机翼的快速静气动弹性数值模拟技术,并通过矩形直机翼算例进行了验证.耦合算例的时间分析数据表明,HVLM/Beam耦合的方式能够在10 s以内完成1次三维机翼静气动弹性分析,在气动/结构耦合分析、优化设计方面展示出了良好的应用前景.      

微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析

采用生物素-亲和素法在微悬臂梁传感芯片上固定维埃克斯、沙林适配子,建立了压阻式微悬臂梁适配子传感器检测维埃克斯、沙林及动力学分析方法。传感器对维埃克斯检测的线性范围为2~60μg/L,线性回归方程为ΔUe=0.886C-1.039(n=5,R=0.984,p<0.001),检出限为2μg/L(S/N≥3);对沙林检测的线性范围为10~60μg/L,线性回归方程为ΔUe=0.716C-2.304(n=5,R=0.996,p<0.001),检出限为10μg/L(S/N≥3)。传感器具有良好的选择性和抗干扰能力,对毒剂类似物O-丁基甲基膦酰氯基本无响应。在此基础上,根据受体-配体结合特性与压阻式微悬臂梁传感器输出电压变化之间的关系,建立了传感器检测维埃克斯、沙林的反应动力学模型,根据拟合方程求出的传感器对不同浓度维埃克斯、沙林反应达到平衡时的响应电压(ΔUe)、响应时间(t0)均与实测值非常接近。     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.