大学创新实验课程的探索与实践

创新实验教学是培养学生创新能力与实践能力的重要教学形式。由于实践时间短,其在体系建设、与传统实验教学的结合以及课程计划安排上仍存在不足之处。为此工程力学实验教学中心结合近十年的创新实验教学教改和实践,探索多元化、递进式的创新实验教学体系以及以过程教育为核心突出创新能力培养的创新实验教学方法。改革和实践表明,显著提升了学生参与度以及学生论文质量,在各类竞赛中获奖数位于前列并取得多项优秀教学成果。可为其他高校创新实验课程建设实践提供有益的参考。

新型弧形板簧支撑非充气轮胎的有限元分析

设计一种以弧形等厚板簧为主要承载部件的新型非充气轮胎,建立其有限元模型,仿真模拟静态径向加载与稳态纯滚动工况,得出轮胎径向刚度和径向力,对接地压力参数进行评价,计算出轮胎有效滚动半径。结果表明:在静态径向加载条件下,轮胎径向力与径向位移近似线性正相关,径向刚度和径向力随板簧厚度增大而增大;轮胎接地印痕中心出现应力集中现象,板簧越厚则平均接地压力越大,胎面不均匀磨损程度越高;轮胎有效滚动半径随径向负荷增大线性减小。本研究可为非充气轮胎性能分析或者结构优化提供参考。

考虑惯性力的螺栓临界松动载荷影响因素分析与试验

为准确探究横向振动工况下螺栓连接的松动特性,综合考虑了局部滑移与扭矩滑移的影响,建立了考虑惯性力的螺栓连接模型,对螺纹周向不同位置进行受力分析,得到了计算螺栓临界松动载荷的理论计算方法,并利用横向振动试验进行了验证,结果表明该理论计算方法具有更高的准确性。定量计算了不同预紧力、螺纹面摩擦因数、振动次数、螺距、振动频率、螺纹升角等参数下的螺栓临界松动载荷,揭示了螺栓松动的主要影响因素。当增大预紧力、螺纹面摩擦因数,降低振动次数、螺距、振动频率和螺纹升角时,螺栓临界松动载荷随之增大,有利于提高螺栓连接抵抗自松弛的防松能力。研究结果对螺栓连接防松设计具有指导意义。

理论力学实验课的建设与学生综合能力培养

结合目前国内理论力学实验课建设的现状,提出现阶段如何通过实验课的建设来加强学生创新意识和综合能力的培养。

从力学角度研究中国传统民族乐器

相比西洋乐器,中国传统民族乐器一直保留着较为原始的手工制作方式,长期缺少科学的研究方法作系统指导,无法满足人们日益增长的民族文化需求,势必影响民族文化的传承和发展。本文主要以古筝等乐器研究为例,提出从力学角度谈中国传统民族乐器的研究方法。利用现代力学较为完善的理论体系和科学方法,以及在工程实际中的广泛应用,从研究思路、仿真分析和试验方法三方面阐述中国传统民族乐器的研究,有利于揭示民族乐器的发声机理,为民族乐器的设计和制作、音质优化以及乐器评价提供客观依据。

刚柔耦合建模理论的实验验证

传统的混合坐标建模理论是零次近似方法,对刚柔耦合问题的描述存在缺陷.研究以一个由中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象,建立了精确的一次近似的刚柔耦合动力学方程,在该模型中计及了结构阻尼及风阻的影响.利用单轴气浮台动力学实验平台,通过与实验数据的比较,说明了传统零次近似方法在某些条件下已不能正确描述柔性体的刚柔耦合动力学性质;而一次近似的刚柔耦合动力学模型得到的结果与实验相符,从而验证了一次近似耦合理论的正确性和可靠性.

刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形 ,并采用有限元方法和 Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性梁的弹性变形运动的相互耦合 ,并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例 ,进一步说明了零次近似方法在处理某些刚 -柔耦合动力学问题时的缺陷 。

动力刚化问题的实验研究

针对当前柔性多体系统动力学的热点问题——动力刚化现象进行了相关的实验研究,以大量文献中研究过的旋转悬臂梁为实验对象,验证了理论分析中的一些结论:在某些高速旋转情况下,传统零次近似模型在计算梁的横向振动响应时会产生错误的结论,而柔性梁实际的横向振动是稳定的,其振动频率随着转速的增加而升高,即所谓的动力刚化现象.进一步的定量分析表明,实验得到横向振动响应与一次近似耦合模型所预测的结果基本一致,说明了该模型的正确性和有效性.

测量单轴气浮台转动惯量的新方法

本文介绍了利用扭振法测量单轴气浮台转动惯量的新方法。该方法与三线扭摆法比较 ,无需知道气浮台的质量 ,具有设计简单、操作容易的优点。推而广之 ,还可借助浮台来测量任意复杂形状物体的转动惯量 ,是一种很实用的转动惯量测量方法。

一类刚-柔耦合系统的模态特性与实验研究

本文从理论和实验两方面研究了由中心刚体和柔性梁组成的刚柔耦合系统的模态特性 ,结果表明该系统的模态与静止情况下的结构动力学模态存在较大差异 ,系统的模态频率与刚体 Hub和柔性梁的转动惯量比值有一定关系 ,这为研究这类刚柔耦合系统的动力学与控制问题提供了一些有益的参考。

飞艇主气囊结构湿模态分析与试验研究

为研究飞艇主气囊结构模态特性,将飞艇内、外气体假设为势流体,基于流固耦合理论和势流理论,建立薄膜与内外空气流场共同作用的理论模型。建立充气膜结构数值分析方法,在内、外流场的单面耦合和内、外流场的双面耦合三种情况下,对薄膜充气管和模型飞艇进行湿模态分析,对比分析单面和双面气固耦合的分析结果,并通过模态试验对分析方法进行验证,结果表明采用双面耦合分析方法分析充气膜结构湿模态最合理;采用此方法对艇长5 m、25 m、50m和100 m以及长细比为1∶3、1∶3.5和1∶4的双轴椭球外形飞艇主气囊在多种内压条件下进行湿模态分析,表明固有频率与艇长成反比,而长细比与内压对固有频率影响小。分析结果可以为飞艇的结构设计以及复杂充气膜结构模态分析提供参考。

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为3个方面,即理论模型验证实验、动力学特性的实验研究和其它实验。柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段:运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论。关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍。文中还对柔性多体系统动力学性态的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为。关于机械臂控制和碰撞研究实验虽有提及,但不作为重点。随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起的空气阻力,最后指出了今后的研究方向。文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍,并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考。

两种刚柔耦合动力学模型的对比研究

以由中心刚体与弹性梁构成的刚柔耦合系统为对象 ,对比研究了一次近似和传统零次近似这两种耦合动力学模型在同一问题上表现出来的不同性质 .首先从变形理论出发 ,导出了在结构动力学中被忽略的变形位移的二次耦合项 ,建立了由中心刚体与弹性梁构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型 .通过计算反例 ,揭示了对于刚柔耦合多体系统 ,即使没有大范围旋转运动提供的强离心场 ,在某些条件下零次近似模型也不能正确描述柔性体的刚柔耦合动力学性质 。

柔性多体系统弹性碰撞动力学建模

以平面柔性双摆为研究对象,基于Hertz接触理论,考虑几何非线性,用变分原理建立了柔性体的动力学变分方程,根据运动学约束关系,运用缩并法,建立了柔性双摆系统接触碰撞的动力学方程.首先通过柔性单摆和固定刚性物体的撞击实验验证了建模理论的正确性.在此基础上,对柔性双摆系统进行仿真计算,得到了撞击力变化规律,并揭示了横向变形和角速度在冲击波传播过程中的突变现象.

古筝弦振动及琴码的动力学分析

将古筝弦振动简化为有界弦振动模型,分别对拨弦和扫弦状态下弦的振动进行动力学分析。以拨弦为例,建立了弦振动通过琴码传递到古筝面板的动力学模型,并利用Matlab数值计算和实验测量进行验证。为古筝的弦振动和琴码传递过程的分析建立了理论模型,解决了古筝振动声学特性分析中的结构模型简化问题,为古筝的进一步的研究提供了参考。

用三线摆测定物体对非质心轴的转动惯量

对三线摆的线性近似模型和转动惯量计算公式的由来作了简要说明.分析了三线摆扭振系统质心偏移对转动惯量测试的影响,给出了扭振系统质心与三线摆中心轴对齐的判别准则和用三线摆测定物体对非质心轴转动惯量的工程实用方法.通过工程实例说明了该方法的有效性与可靠性.最后讨论了提高转动惯量实测精度的几项具体措施.

传统古筝的振动声学特性仿真分析

基于振动声学原理提出了传统古筝的简化分析模型;建立了古筝结构的三维有限元模型,以琴弦及琴码对面板的作用力作为振动条件进行了振动频响分析,并以振动频响仿真结果作为声学边界条件建立了古筝的声学有限元模型以仿真其声学特性.结果表明,古筝结构振动的有限元仿真结果与其实验结果基本一致,所得古筝辐射声压频响曲线的主要峰值频率与结构有限元计算的结果基本一致.其中,声压频响在350-550Hz以内比350Hz之前的声辐射效率更高;古筝向上的振动声辐射量高于向下的.

带柔性附件的中心刚体的频率特性及实验研究

从力学基本原理出发,利用有限元方法建立了由中心刚体和柔性梁组成的这类卫星-帆板模型的动力学方程,研究了该系统的刚-柔耦合频率特性,详细讨论了刚柔刚度比K’和刚柔惯量比J’对系统的频率的影响.同时利用气浮台动力学全物理仿真测试实验平台,对该刚柔耦合系统进行了动力学测试,验证了理论模型及分析的正确性.理论研究和实验结果均表明,不同的 K’和J’对系统的频率有较大的影响,并且系统的主导频率会发生转移.这些为卫星等航天器的设计提供了一定的依据.

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。

柔性梁线接触碰撞的动力学建模和实验研究

研究作旋转运动的柔性梁的线接触正碰撞问题.基于Goldsmith的线接触撞击力模型,分别用基于小变形的混合坐标法和基于大变形的绝对坐标法建立了柔性梁的动力学方程,考虑了几何非线性效应.在此基础上,进一步考虑非线性阻尼项的影响,将Hunt,Crossley的阻尼模型推广到线接触问题.介绍了柔性梁线接触碰撞的实验方法.计算结果显示,在考虑阻尼的情况下,计算结果与实验结果吻合很好.比较了混合坐标法和绝对坐标法的撞击力计算结果,与实验结果对比表明,绝对坐标法更适用于大变形的撞击问题.