变截面悬臂梁的刚度叠加法

利用梁的弯曲刚度与位移成反比的关系,可较为方便地计算变截面悬臂梁端截面的位移.该方法是区别于载荷叠加法和逐段变形效应叠加法的叠加方法.

梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析

针对微小集中质量测量问题,提出并制备了一种梯形变截面悬臂梁式微质量传感器,建立了梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的振动分析模型。采用有限元方法求解其振动控制方程,获得了微质量传感器的灵敏度。仿真分析结果表明,相对于等截面矩形悬臂梁式微质量传感器,单层压电和双层压电结构的变截面悬臂梁传感器的灵敏度分别提高了127.00%和263.00%。采用线切割工艺,加工制备了单压电层梯形变截面结构的微质量传感器并对传感器进行了实验测试,在误差允许范围内,仿真结果与实验结果基本一致,验证了采用梯形变截面悬臂梁式结构可以有效的提高传感器的灵敏度。

梯形变截面悬臂梁式质量传感器设计与分析

谐振式微质量传感器的灵敏度取决于弹性元件的几何尺寸和结构形式。单纯依靠结构尺寸微型化方法已难以满足传感器工程实用性的要求,因而需要探索新的改善传感器性能的方法。在保证传感器外形尺寸不变的基础上,提出通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,建立了基于槽型变截面弹性梁的传感器灵敏度分析模型,分析了影响传感器灵敏度的关键设计因素,得到了结构设计参数、自振频率及灵敏度之间的关系表达式。仿真结果表明,在相同外形尺寸参数下,矩形截面悬臂梁传感器的自振频率和质量检测灵敏度为1 254.2 Hz和9.8×103Hz/g,槽型变截面悬臂梁传感器的自振频率和灵敏度为1 776.1 Hz和38.0×103Hz/g。相对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8%,从而验证了提出的灵敏度提升方法的有效性和可行性。

变截面悬臂梁大挠度分析与计算

对变截面悬臂梁纯弯曲的大挠度问题进行了分析与计算

变截面悬臂梁的Pro/Mechanica有限元法设计

由于工程中所使用的承受均布载荷的等截面积悬臂梁并不经济,使用Pro/Mechanica对受均布载荷的变截面矩形悬臂梁进行等强度分析设计,使得矩形截面梁的质量在强度允许范围内达到最小,从而可以避免材料的浪费,有工程的实用价值和现实意义。

基于Pro/E行为建模的可变截面悬臂梁优化

为了以最少的原材料满足结构强度、刚度要求,通过Pro/E行为建模技术,对受均布载荷变截面矩形悬臂梁进行等强度设计。介绍了通过全局灵敏度分析和可行性研究,在静态分析和载荷的双重作用下,当最大应力小于61.66 MPa时,质量能否达到最小的可行设计目标。该方法为变截面悬臂梁的设计人员提供了一个简单、方便的建模方法和结构优化分析手段,有利于提高悬臂梁的设计质量和效率,缩短设计周期。

具有摩擦力的变截面悬臂梁的反问题

为了解决铁路道岔尖轨转换力的计算问题,本文提出一个具有摩擦力的变截面悬臂梁在荷载P_1和P_2作用下的反问题的力学模型和相应的计算机迭代方法。该方法对迭代初值不附加任何限制,而且收敛速度非常快。关于道岔尖轨转换力的大量计算实践表明,该方法是可靠的。

Pro/E的变截面悬臂梁局部敏感度分析

结合Pro/E的参数化及行为建模技术,提出一种新的变截面悬臂梁结构参数优化方法。结合实例,在Pro/Mechanica工作环境中,通过灵敏度分析确定主要参数对模型影响的敏感程度,对变截面悬臂梁的结构参数进行优化,实现悬臂梁的优化设计,从而根据设计者的特定要求确定出对最大应力变化影响最大最敏感的设计参数,达到周期更短、更精确地设计目标。该方法可以推广应用于其他机械零件的结构设计中。

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。

基于新型振型函数的渐细变截面悬臂梁的自由振动理论与实验研究

该文基于超几何函数和Meijer-G函数的线性组合构建了一种新的变截面悬臂梁的模态函数,该振型函数具有实系数、无近似、精度高等优点。该文分两个步骤验证该振型函数的有效性和精确性:第一步,证明该振型中的自由基频及模态函数形状的准确性;第二步,验证该振型函数在研究变截面梁非线性振动时的效果。第一步中,自由基频及归一化后模态函数形状的理论解、有限元解、有限元半解析解及实验的对照结果精度较好。第二步中,将模态函数代入变截面悬臂梁非线性振动的控制方程,得到了伽辽金截断后的常微分方程的弯曲非线性系数及惯性非线性系数,随后用能量平衡法得到了非线性自由振动时的幅频响应,最后用实验验证了该幅频响应。结果显示,激光位移传感器测得梁上的一个靶点的位移-时间历程图和用振型函数加幅频响应的理论解的预测值吻合,说明了该文方法在预测变截面悬臂梁非线性振动时变形情况的准确性。

变截面悬臂梁的有限元分析

通过有限元分析软件ansys对变截面悬臂梁进行平面静力分析,在分析中分别选用了plane42和plane82两种单元,对比了两种单元的结果,并把结果与理论值作了比较,发现ansys解和理论解非常接近,因此该方法可以推广到更复杂的变截面梁。

压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器的设计与优化

为了降低环境振动压电能量收集器(PVEH)的固有频率(ω_(n)),提高PVEH的输出性能,提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器(VCL-PVEH)。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL-PVEH数值模型,优化了压电材料分布位置。研制了PVCL-PVEH原理样机,搭建样机实验平台。结果表明:当压电材料靠近悬臂梁固支端时,器件输出电压(V)和功率(P)最大;随着压电材料与固支端距离(D)增大,器件ω_(n)降低。在相同压电材料面积下,三角形VCL-PVEH的ω_(n)最低(ω_(n)=25.7 Hz)、V最大(V=100 V)。实验和计算表明,随负载阻抗(R)增大,P先增大后减小,存在最优R为25000Ω,此时,P为240 mW,可直接点亮21只商用LED,满足低功耗农业物联网传感器供电的要求。

变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

变截面Timoshenko悬臂梁自由振动分析

为考虑剪切变形和转动惯量的影响,基于模态摄动法基本原理,提出了一种求解变截面Timoshenko悬臂梁自由振动问题的近似解法。这一方法是利用等截面Euler梁的特征值和模态,将变截面Timoshenko梁特征方程的偏微分方程组转化为代数方程组进行求解,从而得到变截面Timoshenko梁的特征值和模态。该方法适用于求解任意复杂截面型式梁的动力特性,无论梁的截面变化是否连续。随后对截面阶跃变化和线性变化2类变截面梁进行算例分析,数值分析结果表明,这一方法简单、实用,具有良好的精度。

变截面悬臂梁结构动载荷辨识方法

在航空航天领域,作用在结构上动载荷的确定对结构健康监测是非常必要和重要的。为此,本文以类似机翼结构的变截面悬臂梁结构为研究对象,提出了一种基于光纤光栅传感器与卡尔曼滤波器的动载荷识别方法。首先,根据变截面梁单元形式,推导出变截面梁的质量矩阵与刚度矩阵,建立动力学运动方程。然后,以光纤光栅传感器测得的应变信息作为观测信号,通过卡尔曼滤波器生成的增益矩阵、新息序列矩阵以及协方差矩阵,得到灵敏度矩阵和估计力的增益矩阵。在此基础上,利用广义回归模型及其最小二乘算法,估算出动载荷大小、判断出动载荷激励位置。借助数值仿真与实验手段,分别验证了该方法对于单点正弦激励、方波激励、锯齿波激励以及多点同时激励等工况下的动载荷识别效果。结果表明,本文所提算法具有较好的动载荷识别效果和噪声抑制能力,能够为未来风洞试验和真实飞行试验环境中诸如大展弦比机翼表面气动压力等载荷实时辨识、气动外形自适应控制以及结构健康监测提供技术支撑。

变截面悬臂梁式光纤布拉格光栅压力传感器设计研究

为满足煤矿井下复杂环境中围岩应力测量的实际需要,设计了一种变截面悬臂梁结构的光纤光栅压力传感器,并与等截面悬臂梁结构进行了对比。对其压力与光纤光栅漂移量的关系进行了推导;通过有限元方法分析了不同截面悬臂梁影响灵敏度大小的情况,确定了悬臂梁的尺寸;在此基础上应用数值分析和有限元分析探究了不同结构和材料参数对两种悬臂梁结构灵敏度的影响,同时与类似结构进行了对比分析。研究结果表明:设计时应选用固定端厚度相对较小、自由端厚度相对较大的变截面梁,最终选定的变截面悬臂梁厚度为固定端0.5 mm、自由端2 mm,传感器的压力灵敏度可达893.45 pm/MPa,是裸光纤光栅的294倍。在改变结构及材料参数后,变截面悬臂梁结构的压力灵敏度依然优于等截面悬臂梁,验证了传感器结构的合理性,能够满足煤矿巷道监测所需,并且在量程范围内具有良好的线性。

变截面悬臂梁的频率优化

讨论变截面悬臂梁的频率优化。围绕这一问题，对设计变量的选择做了有益的探讨，以避免无效的设计变量选取导致不真实或不可行的设计。

含槽变截面悬臂式压电俘能器性能研究

为了俘获更大的能量,提出了一种含槽变截面悬臂式压电俘能器。首先,梁形式采用给定的指数函数进行变化,并且在内部挖槽;其次,推导对应的振动方程,参考相关文献确定振型表达式,进而写出相应的特征方程,推导出电压和输出功率表达式,并根据电压和输出功率确定最优指数。结果表明,在保持梁长度不变的前提下,锥形梁的弯曲程度系数越大,则输出电压及功率越大,但系统的特征频率也将变大。

基于超几何函数和梅哲G函数的变截面梁的非线性振动建模及自由振动

对具有等厚度变宽度的悬臂梁的非线性振动进行了理论研究。提出了基于超几何函数和梅哲G函数的变截面悬臂梁的无需摄动近似的振型函数,在此基础上采用凯恩方程建立了包含几何非线性和惯性非线性的振动方程。该方程的各项系数和现有文献中其他方法建模结果的计算结果相同,而表达式更简洁。得到的线性基频和有限元等其他多种方法结果做了对比,具有非常良好的精度。在考虑了强非线性振动的情况下,用变分法和能量平衡法得到了体系的幅频响应关系,该结果在大振幅条件下精度优于多尺度法的结果。还改进了能量平衡法,使之和数值解更为贴近。得出了判断系统渐硬或渐软特性的有效非线性系数。

单晶悬臂梁式压电振子的尺寸优化与研究

为研究悬臂梁式压电振子的发电能力与自身结构尺寸的关系,本文将3种不同形状的基板(矩形、梯形、三角形)与3种不同形状的压电片(矩形、梯形、三角形)排列组合成6种不同形式的单晶悬臂梁式压电振子,并建立6种不同形式的压电悬臂梁有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件,对压电片尺寸、基板尺寸和压电片位置进行仿真分析。仿真结果表明,矩形基板、梯形基板和三角形基板的悬臂梁,其压电片与基板的最佳长度比分别为0.15,0.25和0.35,其最佳厚度比分别为0.75,0.75~1和1;压电片为三角形悬臂梁的电压输出与压电片的厚度成正比,而压电片为其它形状的悬臂梁,随着压电片厚度的增加,其电压输出先增后减;压电悬臂梁的电压输出与压电片的宽度、基板的宽度和厚度以及压电片到基板固定端的距离成反比,与基板的长度成正比。该研究为相关领域的科研人员提供了理论支撑。