一种机构刚度分布方法及在Stewart机构中的应用

并联机构(PKM)通常用于工业加工中的切削或装配,其优良的刚度特性和动态特性对机器人末端精度有了很好的保障。以机构低频共振的振幅为中间量,在机构固有频率振动分析的基础上,采用一阶共振能量分析法,计算机构各连杆刚度分布的比例,建立了一类新的机构刚度(变形能)分布评价指标。该方法用在方案设计阶段,可得到机构的整体刚体分布情况,从而获得了理论层面上的动力学性能依据。最后,以两类典型的Stewart并联机构作为案例,证明了该方法的有效性。

切塔耶夫及其两部经典教材

切塔耶夫被誉为“20世纪最伟大的俄罗斯力学家”。本文简要概述他的职业生涯;总结他在运动稳定性理论和分析力学方面的主要贡献;介绍他的两部经典教材《运动的稳定性》和《理论力学》的主要内容,并分析其特点。

复振型的物理意义——以两自由度陀螺系统为例

在传统振动力学教学中,复振型主要用于振动方程解耦的数学操作,对其物理意义阐述不清楚。本文从简单的旋转框架下两自由度线性系统入手,阐述了模态振动中复振型表征各振子位移与速度组合的比例关系,而非实振型所表征的位移比例关系。本文明确了复振型振动的非同时性及伴随性,引导振动力学的初学者深刻理解复振型的直观物理意义。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

环形接触面摩擦半径的两种计算方法比较

环形接触面在机械工程中应用十分广泛,在机械设计中通常需要对环形接触面的摩擦力矩进行计算。摩擦力矩的计算关键在于摩擦半径的确定,很多时候为计算方便,把环形接触面摩擦半径视为内圆半径和外圆半径均值的平均摩擦半径;而有些设计手册却给出与之截然不同的等效摩擦半径的计算公式。针对这个问题,建立接触面摩擦力矩的力学模型,采用力矩积分手段推导出了与手册中给出的等效摩擦半径相同的结果。对两个公式进行了比较,并对平均摩擦半径导致的误差进行了评析,为环形接触面摩擦半径公式的选用给出了建议。

基于改进球轴承拟静力学算法的多轴承支承轴系模型

针对传统球轴承拟静力学模型计算精度低以及收敛困难的问题,提出了根据球与沟道接触状态修正迭代初值的改进算法,在此基础上采用考虑剪切变形的铁摩辛柯梁单元建立轴承在定位预紧、定压预紧下与轴的耦合模型,并以某3套角接触球轴承支承的轴系为研究对象,将所提出的多轴承支承轴系模型与Romax仿真结果对比,轴系变形和轴承支反力一致性较好,证明了模型的正确性,同时相比传统拟静力学模型,改进模型大大提高了轴系在不同工况下的收敛性。

地下储氢罐套管密封结构强度分析及优化设计

以某加氢站储氢罐套管端口的连接部分为研究对象,采用有限元分析方法,对该储氢罐在45 MPa气体压力下的密封面进行强度分析,从而得到储氢罐接箍在不同工况下密封面的应力分布规律。同时,通过对比分析不同工况下的密封面应力极值,确定套管预紧力的极限值。基于ANSYS软件中响应面优化模块,以密封面接触压力大于462.14 MPa,且应力值最小为优化目标,最后提出套管端口密封面尺寸优化方案。结果表明,套管预紧力极限值为2.8875×10^(6) N;优化后密封面接触压力基本保持不变,最大应力值减少了10%,既保证了密封效能,又减小了应力值;最佳台肩角度、密封弧面到锥螺纹距离、弧面半径分别为56.32°、13.037 mm和18.77 mm。本研究对储氢罐套管与接箍密封面的结构尺寸优化有借鉴意义。

花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究

对取自玉龙铜矿边坡的花岗斑岩进行相关物理和静力学实验,获得岩石的密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度以及抗拉强度等参数。通过花岗斑岩SHPB实验得到试样的典型冲击动载应力-应变曲线。利用相关实验结果,借助显式动力有限元软件LS-DYNA,得到花岗斑岩的HJC（Holmquist-Johnson-Cook）本构模型参数,分析岩石动载强度对HJC模型参数的敏感性,总结出一套HJC模型参数的取值方法。岩石动载强度对HJC模型的A,B,N和fc参数最为敏感,该参数变化幅度在-30%~30%时,强度变化率大于11%。HJC模型参数的取值过程中,将岩石物理和力学实验数据与数值模拟进行结合,即可体现HJC模型基本理论,又可均衡实验和数值模拟的工作量,并能获得可靠的模型参数,为岩石动载数值模拟计算提供帮助。

超细长弹性杆的分析力学问题

超细长弹性杆作为DNA等生物大分子链的力学模型,其平衡和稳定性问题已成为力学与分子生物学交叉的研究热点.虽然在Kirchhoff动力学比拟的基础上,用分析力学方法讨论弹性杆的文章已见诸文献,但尚未形成弹性杆分析力学的严格理论.本文研究了超细长弹性杆分析力学的若干基础性问题.对杆截面的自由度、虚位移、约束方程及约束力等基本概念给出严格的定义和表达式.建立弹性杆平衡的D'Alembert-Lagrange原理、Jourdain原理和Gauss原理;从D'Alembert-Lagrange原理导出Hamilton原理.从变分原理出发导出Lagrange方程、Nielsen方程、Appell方程和Hamilton正则方程;对于受约束的弹性杆,导出了带乘子的Lagrange方程。讨论了Lagrange方程的首次积分.对于杆中心线存在尖点的情形,导出了微段杆平衡的近似方程.

某简支组合梁桥荷载试验研究

以某简支组合梁桥为工程背景,基于现场荷载试验方法,对该桥加固后的实际承载力进行了研究。首先,详细介绍了试验过程中应变和挠度测点的布置方式;然后,利用荷载效应等效原则,结合组合简支梁桥结构的内力分布特点,确定了现场荷载试验中典型截面的最不利荷载工况。最后,将试验结果与理论计算结果进行了对比分析。研究结果表明,静载试验的应变实测值和挠度实测值均小于理论计算值,满足相关规范要求;桥梁结构整体强度和刚度满足设计荷载及正常使用的要求;该桥的跨中横向分布系数分布不均匀,且其横向传递剪力能力较弱。

基于剪切变形的矩形梁剪力滞求解方法

Timoshenko梁通过假设截面的剪切刚度和附加平均剪切转角变形的方式来近似修正初等梁中未考虑剪切变形能的问题,这与梁剪应力沿梁高变化的实际不符。本文基于材料力学剪应力计算式和相应的剪切变形理论,从剪切变形与梁的位移关系入手,导出矩形梁考虑剪切变形时的纵向位移沿梁高方向的函数关系式,证明该位移可分解为纯弯曲引起的位移和剪力引起的剪力滞翘曲位移之和。应用剪力滞广义坐标与广义力的概念,基于能量变分原理得到等截面梁剪力滞控制微分方程组及其通解形式。对均布荷载作用下矩形简支梁的算例分析表明,本文算法与弹性力学精确解对比,两者的应力和挠度剪力滞系数求解结果非常接近,本文算法有足够的精度,且比弹性力学简单。

空间薄膜阵面预应力导入效应及影响因素

空间薄膜阵面结构由于其显著特点正得到日益广泛的研究和应用。首先以一个三角形薄膜阵面为数值分析对象,论文给出了膜面预应力导入的分析方法,并分析了薄膜阵面的预应力导入效应。在此基础上,提出边缘悬链线影响的分析方法,用五个应力特征参数描述阵面和悬链线受力,引入应力波动系数描述阵面和悬链线受力均匀度。以四边形阵面为例进行数值分析,结果表明:在合适的边缘悬链线型及矢跨比下,阵面的导入应力分布更均匀,刚度更大。论文所提出的分析方法和结论对薄膜阵面结构设计研发具有参考价值。

考虑恒载效应的拱形梁静力近似解

应用虚功原理,推导了考虑恒载效应影响时拱形梁在活载作用下的非线性微分方程,得到了方程的近似闭合解。根据方程的解,讨论了恒载大小及结构自身刚度(矢高、跨度、惯性矩及惯性半径等)不同因素在考虑恒载效应时对拱形梁静力特性的影响。通过与Takabatake得到的直梁解析解结果及作者在其他文献提出的有限元方法对拱形梁分析结果的比较,验证了本文非线性微分方程及其求解公式。结果表明,本文给出的非线性微分方程对于拱形梁和直线梁具有通用性,初始恒载的存在减小了拱形梁在活载作用下的静力反应,这种影响与恒载的大小及结构自身的刚度有关,对轻型结构的设计提出了一些建议。

500m口径球面射电望远镜进舱缆线连接机构的设计及其静力学分析

由于500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meters aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源舱与地面之间是柔性连接,其包含动力电缆和信号光缆在内的缆线进舱连接机构的设计较为困难。针对FAST馈源舱是由悬索支撑的特殊结构形式,对3种可能的缆线进舱连接机构的设计方案进行分析比较,并从静力学角度分析悬架于支撑索上的缆线质量对于支撑索张力和舱倾斜角所造成的不利影响。为求解舱-索系统的静力学和工作空间优化问题,从3种设计方案中选择进舱连接通道的支撑索悬链线方程进行分析和求解,建立悬链线参数与舱体静力平衡方程的关系。计算结果表明,3种缆线进舱连接机构的设计方案的不利影响均较小,从力学角度均具备可行性条件。

L形碳纤维增强复合材料/铝合金胶接复合构件剥离应力建模与分析

针对承受剥离载荷的L形碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic/polymer,CFRP)/铝合金胶接复合构件,以微元受力平衡方程为基础,建立胶层平均剥离应力的二维分布方程。在方程中引入基材的弯曲刚度系数,描述背材与基材均为刚性材料的情况下胶层剥离应力的分布规律。其应力分布曲线为拉压应力交替作用的阻尼调和函数,周期与峰值由胶接件构型尺寸与材料性能参数决定。通过CFRP/铝合金剥离试验及三维有限元模拟对理论模型进行对比验证,结果的总体趋势与数值吻合程度较好,并分析不同方法获得的剥离应力分布状态之间的差异及其产生的原因。基于胶接复合构件的理论模型与三维有限元模型,研究基材厚度改变对剥离应力分布的影响,发现伴随着CFRP板厚度的增加,剥离应力的峰值明显下降,在剥离前沿的应力集中现象得到改善。

基于ANSYS的静力问题结构可靠性分析方法

分别使用ANSYS中的拉丁超立方样本蒙特卡罗法、中心复合设计样本响应面法以及Box-Behnken矩阵样本响应面法进行结构可靠性分析和计算.比较分析结果证明,对于静力问题结构可靠性分析,响应面分析结果仅在输出参数的均值、最大值以及最小值上逼近蒙特卡罗法结果,确定目标的可靠度以及输出参数标准差结果偏差较大;对于灵敏度分析结果,仅有高灵敏度变量结果可信.

空间充气可展抛物面天线反射面设计与精度分析

空间充气可展抛物面天线由于其显著的优点正得到日益广泛的研发关注.该文提出了基于理想抛物面逆向分瓣裁切粘合成形的反射面设计法,分析了引入形面误差的因素,给出了形面误差参数定义,研究了反射面分瓣数、裁切逼近方式和数值网格划分等对形面误差的影响.分析了微重力、放置方式对形面精度的影响.论文所研究的内容对空间充气可展天线设计研究具有参考价值.

基于ABAQUS的双刃破岩滚刀的模态仿真分析

双刃滚刀是盾构机工作过程中常用的掘进刀具,其工作性能对整个盾构机起着至关重要的作用。为了减少双刃滚刀工作过程中的振动,运用有限元方法对其进行了动态特性仿真分析。首先利用Pro/E5.0软件对常截面双刃盘形滚刀进行了三维建模;然后应用有限元分析软件ABAQUS对其进行模态分析,获得该双刃滚刀的前6阶固有频率和振型;最后采用多项式函数拟合方法对滚刀刀圈最顶端点的最大位移、滚刀的主应力和主应变的变化曲线进行了分析。该模态仿真分析结果为双刃滚刀和刀盘的动态优化设计提供了参考依据。

柔索牵引并联机构的静刚度分析

对柔索牵引并联机构的静刚度进行分析,推导静刚度的一般理论计算公式。结果表明,柔索牵引并联机构的静刚度矩阵可分解为两项:k1是动平台位姿变化产生的静刚度,与索张力相关;k2是索的位形变化产生的静刚度。柔索牵引的完全约束定位机构(Completely restrained positioning mechanism,CRPM)或过约束定位机构(Redundantly restrained positioning mechanism,RRPM),其静刚度主要取决于k2,仅与索的弹性性能和索力作用的雅可比矩阵相关,而与索张力的大小无关。对于柔索牵引的欠约束定位机构(Incompletely restrained positioning mechanism,IRPM),由于柔索悬链线的影响,其静刚度不仅与索的弹性性能和雅可比矩阵相关,而且与索张力的大小有关。通过一平面3自由度RRPM的算例和代表IRPM的500m口径球面射电望远镜馈源悬索支撑系统的静刚度比较分析,证明了关于静刚度理论计算模型的有效性。

超细长弹性杆精确模型的运动学问题

作为研究DNA等生物大分子链力学行为的模型,考察弹性细杆精确模型截面随弧坐标和时间的运动学问题。给出了基本假定,用映射的概念阐明离散化思想,得到了杆的运动学方程,导出了存在拉/压变形时弯扭度和角速度的关系;定义了截面的虚位移,表示为弧坐标和时间变分均为零的变分法则,在微分和变分运算次序可以交换的前提下,导出了截面虚角位移的导数与截面弯扭度以及角速度变分的关系,为建立超细长弹性杆精确模型动力学的分析力学方法准备理论基础。