材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。

带有非对称势能阱特性的双稳态能量采集系统混沌动力学分析

针对带有非对称势能阱的双稳态能量采集系统开展混沌动力学研究。建立考虑重力因素影响的能量采集系统非线性动力学模型。针对动力学方程的非对称势能阱开展分析,得到同宿轨道的解析表达形式。通过Melnikov方法获得发生同宿分岔的阈值,并使用数值方法验证。结果表明当激励强度低于Melnikov理论预测的临界阈值时,响应限制在单个非对称的势能阱当中;当激励强度大于Melnikov理论预测的临界阈值时,同宿分岔将会引发双阱运动。重力参数和阻尼显著影响同宿分岔的阈值曲线,考虑重力参数影响所得到的阈值明显高于对称双阱能量采集系统的阈值。增加重力参数会抑制混沌响应的产生,导致系统从混沌-周期响应共存逐渐演化为周期-周期响应共存。此研究结果将拓展非线性动力学的研究范畴,为实现混沌响应的调控提供一种策略。

Matlab和Maple系统在力学教学中的应用

阐述两种典型的计算机代数系统(CASes)——Matlab 和Maple在基础力学课程与有限元课程教学中的一些应用． CASes可以方便地将力学教学和有限元计算过程中的模型建立、推理及其数值计算等进行演示和计算,为基础力学和有限元课程教学提供了新的手段和途径．

多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法

针对多体系统的非线性受约束动态优化设计通用模型,基于连续可微目标函数和一阶、二阶灵敏度分析给出多体系统动力学优化设计的增广Lagrange乘子法。其中基于多体系统动力学方程的一阶设计灵敏度采用伴随变量方法进行计算,二阶设计灵敏度使用混合方法进行计算,在设计变量较多时具有较高的计算效率。最后对曲柄-滑块系统数值算例使用增广Lagrange乘子方法进行约束优化,通过对使用不同方法进行一阶灵敏度分析和二阶灵敏度分析所得的最优值、迭代次数及运行时间的比较,得出一阶灵敏度分析中使用变尺度方法效率较高,而使用二阶灵敏度分析可以进一步提高优化效率。

考虑轴向力作用下车-桥耦合系统的动力学建模与分析

应用达朗贝尔原理和振型分解法,建立了在桥梁轴向力作用下车-桥系统的动力学方程,利用Newmark-β方法,对车桥耦合问题进行数值求解,比较分析了桥梁轴向力、车速等对系统动力学响应的影响。研究表明:桥梁的轴向预拉力可有效地抑制桥梁的横向振动、减小车辆动力响应幅值以及车桥间耦合反力的数值,提高车辆行驶的平顺性。随着车辆速度的提高,桥梁动力响应的幅值加大,但车-桥系统的耦合作用相对减弱。

非线性不对称弹性支承车辆-基础系统动力学建模

研究软支承下的车辆—基础系统动力学建模问题。将基础模拟为具有多个非线性、不对称弹性支承和阻尼器约束的Euler-Beinoulli梁,利用分段线性化方法描述弹性支承的非线性刚度和阻尼特性,根据Hamilton原理和假设振型方法建立系统的运动方程,基于Newmark直接积分方法编制MATLAB二次开发函数,数值求解系统动力学响应,分析了支承约束非线性对系统动力学特性的影响。

软支承条件下车辆—基础系统的动力学建模与分析

研究软支承下的车辆-基础系统耦合动力学响应.将基础视为有限个离散点支承的Euler-Beinoulli梁,支承则模拟为具有非线性、不对称特性的弹性元件和阻尼器,利用分段线性化方法描述弹性支承的非线性刚度和阻尼特性,根据动力学原理和假设振型方法建立系统的运动方程,基于Newmark直接积分方法编制MATLAB二次开发函数,数值求解系统动力学响应,分析了支承约束非线性对系统动力学特性的影响.

基于通识教育的高校基础力学课程教学新体系

根据新时期高等教育的特点,改变传统的教育理念和教学模式,探索和构建通识教育背景下的高校基础力学课程教学新体系,为培养社会所需要的高素质、综合性和创新型人才提供有益的参考。

Cosserat生长弹性杆动力学的Gauss最小拘束原理

以自然界中具有生长、变形和运动特征的细长体为背景,用经典力学中的Gauss最小拘束原理研究生长弹性杆的动力学建模问题.在为生长弹性杆动力学建模提供新方法的同时,扩大了Gauss原理的应用范围.以Cosserat弹性杆为对象,分析弹性杆生长和变形的几何规则,表明生长应变和弹性应变是非线性耦合的;本构方程给出了截面的内力与弹性变形的线性关系;利用逆并矢,将经典力学中的Gauss原理和Gauss最小拘束原理用于生长弹性杆动力学,得到等价的两种表现形式,反映了时间和弧坐标在表述上的对称性,由此导出了封闭的动力学微分方程.给出了两种形式的最小拘束函数,表明生长弹性杆的实际运动使拘束函数取驻值,且为最小值.最后讨论了生长弹性杆的约束与条件极值等问题.

基于非线性输出频响函数的NES动力学参数设计

基于非线性输出频率响应函数(Nonlinear Output Frequency Response Function,NOFRF),对引入了被动非线性消振器(Nonlinear Energy Sink,NES)的单自由度振动系统进行了分析,从频域分析的角度评价NES的振动抑制效果,对其进行动力学参数设计。首先,建立了引入NES的振动系统非线性动力学模型。然后,通过数值仿真,对单自由度系统进行了非线性输出频率响应函数分析和输出频率响应分析,从频域分析的角度解释了在原振动系统中引入NES对原系统固有频率几乎没有影响的原因。最后,通过分析NES各参数对振动抑制效果的影响,对NES进行了动力学参数设计。本文得出的分析结果对于工程领域中NES的设计具有非常重要的指导意义。

采用“漏斗技术”植入椎弓根螺钉固定胸段脊柱的生物力学研究

目的研究用"漏斗技术"植入椎弓根螺钉对固定胸段脊柱生物力学性能的影响。方法采集成人胸节段脊柱(T6～T10)标本14具。将这些标本分为两组,每组7具,分别用"漏斗技术"和Magerl技术作椎弓根螺钉固定。对完整和固定的脊柱标本分别测量各种体位下的位移刚度、包括纵向压缩、前屈、后伸、左右侧屈及轴向旋转,并测量椎弓根螺钉的拔出强度。结果与完整脊柱段相比,两种技术内固定均使脊柱标本的位移刚度明显增加(P<0.05),但这两种技术间无显著差异。用"漏斗技术"固定的螺钉拔出强度明显低于Magerl法固定(P<0.05)。结论由于"漏斗技术"咬除了椎弓根后侧部分骨质,可提高置钉的准确性和安全性。虽然该技术对固定脊柱的刚度无显著影响,但可降低螺钉的锚固强度。因此,我们建议将其作为胸椎椎弓根螺钉固定的一种补充方法。

退变性腰椎滑脱力学模型建立及分析

目的对L4,5退变性腰椎滑脱(degenerative lumbar spondylolisthesis,DLS)椎体的应力分布特点进行分析研究。方法利用有限元方法,通过Simpleware与Ansys软件建立DLS有限元模型,计算模拟不同加载条件下滑脱椎体力学特性,并通过平均刚度进行模型验证。结果腰椎轴向负载情况下,L4/L5椎间盘应力大于L5/S1,L4,5关节突受力小于L5、S1。L5椎弓根峡部应力集中最为显著,前屈位及后伸位峡部的应力均明显增大,前屈位更为显著。平均刚度的计算与文献报道相比差异无统计学意义,证明了有限元模拟的有效性。结论L4,5椎体退变性滑脱后该节段椎间盘压应力集中分布在前部纤维环,而远端L5、S1关节突关节则承受了较多的轴向载荷。各种加载条件下L5椎弓根峡部应力集中最为显著,是一个局部的高应力集中区域,使腰椎滑移程度有加大的趋势。

粘弹性Timoshenko梁非线性动力学行为的微分求积分析

对有限变形条件下,Timoshenko粘弹性梁非线性分析的数学模型应用推广的微分求积方法进行空域的离散,得到了简洁的矩阵形式的非线性数值逼近公式,时域上引进新的变量,得到了简支粘弹性梁运动的简化模型。然后利用非线性动力学中数值方法,分析了粘弹性Timoshenko梁的动力学行为。同时,为表明该方法的可靠性和有效性,研究了DQ解的收敛性和精确性。并考察了梁的材料、几何等参数对非线性粘弹性梁的动力学特性的影响。

三向耦合非线性重型汽车建模及动力学分析

分析汽车各向运动的耦合作用规律,建立23自由度三向耦合重型汽车整车模型,推导系统运动微分方程。将非线性Gim模型与垂向点接触轮胎模型结合描述三向非线性轮胎力,建立6个一阶常微分方程,以实时计算各车轮转速计算滑移率。通过数值积分计算车辆转向制动、匀速直线及方向盘角跃阶时的动态响应,并与传统的操纵稳定性模型、平顺性模型、虚拟样机模型及试验数据比较,验证所建模型的有效性。通过分析耦合作用对汽车响应影响表明,该耦合模型可同时研究汽车在复杂工况的平顺性、操纵稳定性及制动性。

皮质骨断裂力学行为的实验研究

采用稳态裂纹扩展和疲劳裂纹扩展的实验,研究了牛皮质骨横向和纵向裂纹扩展的断裂力学行为.沿着两个方向制备了紧凑拉伸(CT)试件.由于试件尺寸的限制,采用数值计算方法确定了裂纹尖端应力强度因子与裂纹长度的关系.在实验中,采用数字图像相关法精确测定裂纹尖端的位置.由于裂纹沿横向扩展时有较大的偏斜,将采用J积分测量其断裂韧性.实验结果表明,在裂纹扩展的一定范围内,皮质骨的断裂韧度随着裂纹不断扩展而增大,即表现出上升的阻力曲线(R-curve)性质.而皮质骨的横向裂纹扩展的断裂韧度要远远大于纵向裂纹扩展的断裂韧度,表现出各向异性的阻力曲线行为.在疲劳裂纹扩展中,纵向疲劳裂纹扩展率要大于横向疲劳裂纹扩展率,这说明皮质骨具有各向异性的疲劳裂纹扩展性质.

一类平带驱动系统非线性振动的幅频特性

采用解析和数值方法得到了一类平带驱动系统非线性振动的幅频特性。考虑由主动轮、从动轮、张紧轮和张紧臂构成的平带驱动系统基本力学模型,建立了系统的振动方程。推广平均法的基本思想到多自由度系统,导出了平均化方程,进而可得到了系统响应的幅频特性。针对具体算例,通过用数值方法直接积分系统振动方程,得到了系统的幅频特性。解析结果与数值结果定性一致,但也存在定量方面的误差。

下胫腓联合相对运动生物力学研究

目的探讨下胫腓联合相对运动,认识下胫腓联合运动特点。方法选用6例新鲜尸体标本,膝上10-15 cm截肢,去除皮肤、肌肉,制作骨-韧带标本,保留上、下胫腓关节周围韧带及踝关节韧带。将标本分别固定于踝关节背屈10°位、中立位、跖屈15°位,用电子万能实验机对标本进行600 N轴向加载,并在踝关节中立位时施加600 N轴向加载联合5 Nm外旋扭转加载,测量下胫腓联合远端腓骨相对远端胫骨内外位移、前后位移及远端腓骨绕轴旋转角度。结果 600 N轴向加载情况下,踝关节由中立位变为跖屈15°位时远端腓骨相对远端胫骨有向内、向前位移,同时绕轴内旋;当踝关节由中立位变为背屈10°位时,远端腓骨相对远端胫骨有向外、向后位移,同时绕轴外旋。与单一轴向加载相比,联合加载下远端腓骨有向内、向后移位和外旋的运动趋势。结论下胫腓联合为微动关节,远端腓骨相对运动与踝关节体位及受力方式有关。

年龄与位置对牙本质力学性质的影响

目的研究人牙本质弹性模量和硬度随年龄和位置的变化情况。方法采集下颌无龋坏第3磨牙,按照年龄分为青年、中年、老年3组。采用纳米压痕对牙本质切片的多个位置进行力学测试。结果外层和中层牙本质的弹性模量和硬度大于内层牙本质的弹性模量和硬度;随着年龄的增长,各个区域的牙本质弹性模量和硬度都增大。结论牙本质具有梯度力学特性,外层和中层牙本质具有很高的刚度,其抵抗变形的能力要强于内层牙本质。同时,随着年龄增长牙本质弹性模量和硬度增大。

梁柱连接组合节点弯矩-转角关系研究

梁柱连接组合节点传递着梁柱之间的弯矩和剪力,是钢框架中的重要组成部分,也是钢框架设计中的关键部位之一。弯矩-转角关系是梁柱连接组合节点的主要力学性能,它反映着节点的初始刚度、抗弯承载力和转动能力,直接影响着钢框架体系的变形、极限承载力与整体性能。梁柱连接组合节点连接方式多样、构造形式种类繁多、几何参数多变、各组件受力状态与性能复杂等特性决定了弯矩-转角曲线是非线性的。而弯矩-转角曲线的非线性造成其难以拟合和预测。目前,半刚性连接组合节点的试验与理论研究有了较大的进展。本文归纳和总结了国内外梁柱半刚性连接组合节点弯矩-转角关系研究,包括试验研究和理论模型,并指出了今后需要进一步研究的重点与方向。