面向软体机器人的磁流变弹性体变刚度模型研究

软体机器人在柔性抓取时存在手爪刚度单一不足的情况,而且磁流变弹性体的变刚度范围有限,本文提出了一种变刚度范围大的磁流变弹性体模型。在磁流变效应基础上设计了一种以磁流变弹性体为主体材料的“菱形”变刚度模型,并给出了3D打印模型与铸造技术工艺。通过电磁铁产生的磁场,构建了一种磁-力耦合模型,分析了“菱形”变刚度模型主要刚度变化关系,探索了影响模型变刚度的因素。通过建立的实验平台,结果表明:本文提出的“菱形”模型可以大幅提高磁流变弹性体的变刚度范围,并且可以实现通过控制电流大小来控制模型的刚度大小,含有3个“菱形”结构的模型在磁场下刚度变化的百分比可以高达约58%,可使磁流变弹性体作为类“皮肤”应用在软体机器人手爪上。

具有可变非线性正或负刚度机构的研究

为了实现大带宽的隔振和吸振,需要可变非线性刚度机构。负刚度和正刚度的隔振或吸振装置分别在低频和高频制振效果较好。因此,提出了一种具有可变非线性正或负刚度的机构。其通过两电磁铁实现刚度,通过改变两电磁铁的电流方向可改变刚度的正负,通过改变两电磁铁的电流值或间距可改变刚度大小。提出了其结构;分析了其原理;计算了间距、电流、位移和力之间的关系;仿真探究了不同间距和电流时位移和力的函数图像;根据仿真结果,间距和电流不变时,力是位移的五次多项式。

大直径盾构隧道纵向刚度增强措施研究

为研究不同环缝接头结构对盾构隧道纵向刚度的增强效果,采用等效连续化模型计算得到断面直径对隧道纵向拉压、纵向抗剪和纵向抗弯刚度的影响规律,将隧道纵向刚度增强措施与管片环缝接头结构相联系,采用数值模拟深入探究了9种环缝接头结构的力学性能,对比得到增强隧道纵向刚度效果最优的环缝接头结构。结果表明:直径对纵向拉压和纵向抗弯刚度影响较小,对纵向抗剪刚度影响较大;环缝接头刚度增强措施能够显著减小管片位移,提高隧道纵向刚度,提升效果为:斜螺栓>弯螺栓,定位榫>剪力销>凹凸榫;螺栓型式和纵向刚度增强措施均对螺栓最大剪切应力有较大影响,竖向荷载下受螺栓型式影响较大,水平向荷载下受管片环缝接头刚度增强措施影响较大;结合经济性和有效性,当接头螺栓为弯螺栓时,设置定位榫是一种相对较优的选择。

仿猫类落地姿态的准零刚度隔振器

对设备加装隔振装置是保证其高效工作的重要方法之一.本文从仿生学的角度,根据猫科动物落地时优秀的抗冲击能力,通过观察其落地动作姿态,利用非线性补偿原理,以空气弹簧作为正刚度结构,设计出一种具有非对称刚度特性的高静低动刚度隔振器.以其为研究对象,建立了动力学模型,利用特定的方法对非对称刚度系统进行分析求解,并与数值结果和有限元仿真结果进行对比.结果表明,在较低阻尼以及较高激励幅值下,还会出现倍周期响应甚至混沌响应.同时,通过将本文设计的隔振结构和单一空气弹簧的隔振性能对比,可以得到隔振效果明显优于单一空气弹簧的结论,从而验证了所设计隔振结构的有效性和可行性.

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

基于目标侧倾角刚度的FSAE赛车悬架刚度研究

为提高FSAE赛车的操纵稳定性及极限侧倾加速度,提出一种基于目标侧倾角刚度的赛车双横臂悬架刚度计算方法。通过设定赛车的目标侧倾角刚度,确定了赛车单位侧倾加速度下的轮荷转移量和前后悬架侧倾角刚度的分配,并推导出前后悬架的稳定杆刚度。建立ADAMS/Car悬架模型,以最小化整车侧倾时的轮荷转移量为目标,采用隔代映射遗传算法对车轮定位参数、悬架刚度随车轮上下跳动的变化曲线进行求解。仿真和实车验证结果均表明,相比未设定目标侧倾角刚度进行悬架刚度计算,该方法可更有效地减小赛车的侧倾轮荷转移,提高赛车在极限工况下的侧倾加速度和操纵稳定性。

考虑啮合间隙的涡旋压缩机时变啮合刚度数值计算

刚度计算是动力学分析的基础,为了对涡旋压缩机进行系统动力学研究,计算其动、静涡旋齿的啮合刚度成为关键。将径向间隙引起的切向泄漏简化为气体在两平板间的流动,首先计算切向泄漏间隙的长度以及流经通道的气膜压力,然后由气膜压力求解切向泄漏气膜的承载力进而得出气膜刚度。应用有限元分析软件计算得出动、静涡旋齿在气体力作用下的变形量,根据弹性变形量求出动、静涡齿的刚度,得到涡旋压缩机运转过程中任意啮合点的时变啮合刚度随转角的变化情况。结果表明:涡旋齿的时变啮合刚度主要取决于切向泄漏气膜刚度,在一个压缩周期内,涡旋齿的时变啮合刚度随着主轴转角的增加而增大。

磨削接触刚度及其工艺关联分析研究

在磨削加工中,磨削接触刚度过于抽象、难以理解,给磨削应用带来了不少困扰。立足外圆磨削工程,进行了全面分析、梳理,探讨了磨削相关部件之形变、受力,明确了关联刚度。磨床刚度主要受磨床主轴抗弯刚度、进给丝杠抗拉刚度影响,一般相对固定;磨削刚度指磨削状态下砂轮与工件两者抵抗法向形变的能力主要取决于磨削接触刚度;磨削接触刚度是指磨削状态下在磨削区内单位法向形变所承受的法向磨削力,具有时变特征,主要与砂轮基本特性、工件材料性能、砂轮工作面形貌、磨削参数有关。磨削技术人员主要工作是在满足磨削需求的前提下,合理利用当下磨削条件调整优化磨削接触刚度,保持磨削工艺系统稳定,最大限度发挥磨床加工能力。

基于六点刚度试验的输送带翘曲问题分析

圆管带式输送机具有封闭运输的优点,但相较于普通带式输送机也存在一些缺点,如输送带横向刚度引起的输送带翘曲问题。文中针对输送带翘曲问题,基于六点刚度试验进行输送带仿真模型的建立,并通过仿真模型对输送带翘曲现象进行了定性分析。结果表明,输送带的翘曲量与输送带的横向刚度呈非线性增加的关系,与张力呈非线性减小的关系,并且随托辊间距的增加而增加,本研究为输送带的选型和圆管带式输送机的设计提供一定的参考。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

基于管柱动力学的特深井通井组合刚度评价方法与应用

我国特深井钻井正处于快速发展阶段,受井眼尺寸大和深度深的影响,钻井过程中极易出现微井斜、扩径缩径和井壁台阶等,导致套管下入困难,因此通井钻具组合评价尤为重要。目前,现场使用的评价方法常忽略了管柱下入过程中与井壁的碰撞和变形,导致通井效果时好时坏。为了辅助现场施工,文章基于全井管柱动力学模型和HHT-α数值计算方法提出了一种能够模拟管柱下入的动态过程的通井钻具组合的评价方法,该方法考虑了实测井眼轨迹、井眼扩大率和下入阻力等要素。通过某特深井三开下套管前的钻具组合进行实例计算分析,表明井眼扩大率和套管串下入阻力对通井能力和套管下入影响较大,当井眼扩大率较小且套管串下入阻力较大时,需要使用刚度较大的多扶正器通井钻具组合。本方法可以实现实测井况条件下比较精准的刚度对比模拟,也成功指导了案例井?486 mm套管的安全下入。

开挖顺序及内支撑早期刚度对软土基坑稳定性影响规律

深基坑开挖变形控制是软土基坑工程的难题,工程中常采用密集的混凝土内支撑来提高支撑刚度,然而实际工程中未能合理考虑软土深基坑的开挖顺序和混凝土内支撑早期刚度影响,往往导致基坑实际变形远大于设计值。结合珠三角水资源配置工程的软土深基坑,利用验证后的数值模拟方法研究了不同开挖顺序及混凝土内支撑早期刚度对基坑受力和变形特性的影响规律,得出了分层分区非对称开挖和对称开挖对地连墙水平位移和地表沉降的影响规律。结果表明:尽管非对称开挖会造成基坑两侧的地连墙位移和地表沉降差异,但是密集内支撑条件下非对称开挖比对称开挖对于基坑周围地表沉降和地连墙水平位移影响更小并能够大量节约工期;受混凝土内支撑早期刚度影响,施作内支撑后越早进入下一步开挖,地连墙水平位移和周围地表沉降越大;考虑内支撑早期刚度影响时基坑上部的内支撑轴力会增大,而下部的内支撑轴力会减小,早期刚度越小,这种趋势越明显;现场施工时难以实时动态监测混凝土的弹性模量,极易造成内支撑轴力的早期监测数据失真,甚至给工程带来错误决策。

基于多分辨率-多边形单元建模策略的多材料结构动刚度拓扑优化方法

利用多边形有限单元的高精度求解优势,融合多分辨率拓扑优化方法,实现粗糙位移网格条件下的高分辨率构型设计,由此提出多材料结构动刚度问题的拓扑优化方法。将多边形单元(位移场求解单元)劈分为精细的小单元,构造设计变量与密度变量的重叠网格,形成多分辨率-多边形单元的优化建模策略;以平均动柔度最小化为目标和多材料的体积占比为约束,建立多材料结构的动力学拓扑优化模型,通过HHT-α方法求解结构动响应,采用伴随变量法推导目标函数和约束的灵敏度表达式,利用基于敏度分离技术的ZPR设计变量更新方案构建多区域体积约束问题的优化迭代格式;通过典型数值算例分析优化方法的可行性和动态载荷作用时间对优化结果的影响机制。

橡胶球铰径向压缩刚度变化特性的研究

通过试验,系统性分析了某型橡胶球铰径向压缩刚度变化趋势。结果表明,橡胶球铰径向压缩刚度随着试验时间的延长呈现逐渐变小的趋势;随着试验次数和恒温时间的增大慢慢趋于稳定;橡胶层厚度对球铰径向压缩刚度变化趋势的影响不大。

标准化Z字形钢结构梁柱连接节点转动刚度研究

为研究标准化Z字形钢结构梁柱连接节点的转动刚度,对翼缘焊接和搭接两种形式的Z字形钢结构梁柱连接节点进行了单调和往复循环加载试验及有限元分析。研究了不同连接节点设计强度对Z字形钢结构梁柱连接节点转动刚度和循环刚度退化等力学性能的影响。结果表明,翼缘焊接和搭接两种形式的Z字形钢结构梁柱连接节点均具有良好的延性和滞回性能。翼缘焊接Z形节点转动刚度表现为刚性连接,翼缘搭接Z字形钢结构节点转动刚度表现为铰接。对于翼缘焊接Z字形钢结构梁柱连接节点,其转动刚度和循环刚度退化程度受焊缝连接强度影响显著。较小的强度设计倍数(0.2~0.4)时节点破坏模式为焊缝率先发生破坏,其节点转动性能表现为半刚性。较大节点强度设计倍数(0.7~1.1)时节点破坏模式转变为构件率先发生破坏,节点表现为刚性连接且其循环刚度退化程度(转角小于0.02 rad条件下)明显小于强度设计倍数较小的Z字形钢结构节点循环刚度退化程度。总体上看,可通过改变节点强度设计倍数来调节其转动刚度。

My Jump 2应用程序测量大学生下肢垂直刚度的信度和效度

背景:证实My Jump 2应用程序测量下肢垂直刚度的信效度水平,可为其作为Kistler三维测力台测量下肢垂直刚度的替代方法提供可能性。目的:验证My Jump 2应用程序测量大学生下肢垂直刚度的信效度。方法:通过Kistler三维测力台和My Jump 2应用程序采集受试者的跳深数据并计算受试者的下肢垂直刚度。采用组内相关系数分析My Jump 2应用程序与Kistler三维测力台测得的数据,以验证My Jump 2应用程序的信度。将2个设备之间的偏倚值和平均值绘制成Bland-Altman图,验证2种测试方法之间的一致性。最后,使用克朗巴哈系数(α)和变异系数分析My Jump 2应用程序在30,40 cm高度的重测信度,使用皮尔逊积矩相关系数分析My Jump 2应用程序的相关性。结果与结论:①My Jump 2应用程序在测量下肢垂直刚度时具有较高的信效度;②同时由于其具有低成本、携带便捷和可用于大样本的场地测试的优势,可作为测力台的替代工具在大学生以及类似人群中对下肢垂直刚度进行测试。

基于刚度矩阵分析法的变刚度橡胶支座力学性能研究

在橡胶支座力学行为基础上提出了一种适合隔离三维地震或竖向振动的新型变刚度橡胶支座,并阐述了能解决变刚度支座非均质体力学问题的刚度矩阵分析法。首先,基于常用橡胶支座解析解和压剪试验的非线性响应分析,采用刚度矩阵分析法对该支座进行计算,其结果和试验值高度一致验证了该方法计算精度较高。接着,对比三种支座结果:在相同外部荷载和材料参数下,厚层支座力和变形最大,变刚度支座和普通支座力和变形显著低于厚层支座;不同轴压下,P-Δ效应表现为厚层支座力和变形及水平刚度受轴压影响最为显著,而变刚度支座与普通支座受轴压影响较小。通过算例表明,可通过调整变刚度支座实现竖向刚度的优化。综合而言,变刚度支座对力和变形的承载能力较好,为三维隔震(振)提供了一种简单实用的解决方案。

与天然骨多维度刚度比相适配的格栅支架设计与分析

目的多维度应力遮挡是骨组织工程支架设计应当考虑的重要科学问题之一,既有研究多考虑骨支架单维度的刚度与天然骨相适配,这种单维度刚度适配并不能完全体现支架-骨刚度的适配性。因此,本文针对近似正交各向异性天然松质骨,以3个正交维度上的主刚度比作为适配条件,寻找与天然骨多维度刚度相适配的支架构型。方法以股骨头解剖部位的松质骨为研究对象,利用连续介质力学方法求解松质骨的一般刚度矩阵,再通过刚阵旋转获取近似正交各向异性的松质骨刚度矩阵,确定松质骨3个维度上的主刚度(E1>E2>E3)及两两间的主刚度比。以天然骨主刚度比为适配目标,构建空间杆件交叉格栅支架结构,结合理论、实验和数值分析方法,通过调整两个角自由度(θ,φ)控制支架在3个维度上的主刚度比。通过对比天然骨和格栅支架主刚度比确定支架结构。结果松质骨三个维度上两两间的主刚度比分别为:1.0<E1/E2<2.0,1.0<E2/E3<2.0,1.7<E1/E3<3.5;而支架设计自由度在(θ,φ)=(48°,38°)和(θ,φ)=(55°,33°)附近时,支架三个维度上两两间的刚度比能够与天然骨相适配,满足多维度刚度适配的要求。结论相较于单维度刚度的适配设计,本研究基于支架-骨多维度的刚度适配提供了一种骨组织工程支架的设计方法,为进一步解决骨支架植入后的应力遮挡提供更全面的参考方案。

Plectin响应基质刚度变化调控肝癌细胞迁移的分子机理

目的探究Plectin响应基质刚度变化调控肝癌细胞迁移的分子机理。方法制备刚度可调的聚丙烯酰胺水凝胶,划痕实验测定不同基质刚度对MHCC-97H和MHCC-97L迁移的影响。RT-q PCR和Western blotting检测Plectin和Integrinβ1在不同基质刚度上的表达水平,免疫荧光检测F-actin的聚合程度。通过敲减Plectin和Integrinβ1及F-actin的解聚,探究Plectin和Integrinβ1在基质刚度调控肝癌细胞F-actin聚合和迁移中的作用。结果与低基质刚度组(7 k Pa)比较,高基质刚度(53 k Pa)明显增强肝癌细胞迁移能力,同时上调细胞Plectin和Integrinβ1的表达,促进F-actin聚合。敲减Plectin抑制了高基质刚度诱导的F-actin聚合和细胞迁移能力。敲减Integrinβ1抑制了高刚度对Plectin表达、F-actin聚合和细胞迁移能力的促进作用。此外,使用F-actin抑制剂Latrunculin A处理后,同样抑制了高刚度条件下细胞迁移能力的增强。结论高基质刚度通过Integrinβ1上调Plectin的表达,促进F-actin的聚合,从而增强肝癌细胞的迁移能力。

基于凸轮-滚子结构的多自由度准零刚度系统设计

基于凸轮-滚子结构设计一种多自由度非线性准零刚度低频隔振装置。通过静力学特性计算,结合横向刚度计算理论,得到系统在多个自由度上实现准零刚度的参数条件。利用谐波平衡法分析了系统动力学特性,得出系统力传递率,并分析了预压、阻尼比及激励力对系统振动传递率的影响。为验证准零刚度系统隔振性能,搭建隔振测试系统,试验结果表明,相较于传统线性隔振系统,多自由度隔振系统在竖直方向上起始隔振频率从6.7 Hz降低至3.5 Hz,隔振效率最大提升约84.3%;水平方向上起始隔振频率从6.0 Hz降低至4.0 Hz,隔振效率最大提升约45.0%;在10.0 Hz以下,多自由度隔振系统的振动传递率远小于线性隔振系统。