质量比对D形截面柱体流致振动的影响

利用涡激振动进行海流能收集的VIVACE装置是新能源领域的研究热点.应用FLUENT软件采用k-ωSST湍流模型和Newmark-β法,通过数值模拟探究了四个质量比(2,5,7和10)在迎流角90°下D形截面柱体的流致振动响应,系统分析了D形截面柱体在横流向上的振动幅值、频率、平衡位置偏移量、尾涡脱落模式以及能量转化效率.所模拟的雷诺数范围为288~2880,对应的约化速度为2~20.结果表明,质量比对D形截面柱体流致振动的影响明显,质量比会改变D形截面柱体流致振动的响应分支.质量比越大,D形截面柱体进入驰振对应的约化速度越低;质量比增大,D形截面柱体平衡位置偏移量相对减小.随着约化速度的增大,D形截面柱体出现了涡激振动、涡激振动-驰振及完全驰振等响应分支.在所模拟的范围内,D形截面柱体高能量转化效率出现在涡激振动分支,而不是在驰振分支;在质量比为10且约化速度为4.5时,一级能量转化效率达到最大值44%.相关研究可为VIVACE装置的振子选型提供参考.

联合载荷作用下精密轴系角接触球轴承钢球与保持架动力学行为分析

针对联合载荷作用下精密轴系角接触球轴承钢球与保持架的相互作用行为,基于滚动轴承动力学理论建立了精密轴系动力学分析模型,分析了转速、载荷、轴承结构参数对钢球与保持架动力学行为的影响,并通过保持架转速试验验证了模型的准确性,结果表明:力矩载荷对钢球与保持架动力学行为的影响程度较径向载荷明显;在径向载荷作用下,当转速小于40000 r/min时钢球与保持架的作用力随轴向预紧力增大而增大,当转速大于40000 r/min时钢球与保持架的作用力随轴向预紧力增大先减小后增大;在力矩载荷作用下,钢球与保持架的作用力随着力矩载荷的增大先增大再减小而后急剧增大;增大保持架兜孔间隙与外沟曲率半径系数有利于减小钢球与保持架的作用力。

织物衬垫磨损对自润滑关节轴承动力学的影响

自润滑关节轴承在服役过程中,衬垫的磨损导致自润滑关节轴承内外圈之间产生间隙,自润滑运动副间隙的存在加速了内外圈之间的碰撞以及衬垫的进一步磨损,对自润滑关节轴承的动力学特性产生较大的影响。此外,衬垫的磨损还会导致各构件非线性特性的恶化,降低自润滑关节轴承的稳定性。为研究织物衬垫磨损对自润滑关节轴承动力学响应的影响,文中建立了带间隙的自润滑关节轴承运动副矢量模型。首先,通过修正Lankarani-Nikravesh(L-N)法向接触力模型和改进的库仑摩擦力模型,对内外圈间隙处的碰撞力进行建模;然后,基于牛顿第二定律建立了含间隙的刚柔耦合动力学方程;最后,分析讨论不同织物衬垫磨损量和不同摩擦因数条件下含间隙的自润滑关节轴承传动系统的动力学特性,并利用相图和Poincare映射图分析了自润滑关节轴承的非线性特性。结果表明:随着织物衬垫磨损量的增加,自润滑关节轴承内圈和外圈的动力学行为表现出非线性特性;衬垫磨损量一定时,随着衬垫摩擦因数的增加,系统稳定性得到提高,抑制了混沌现象的发生。

啦啦操阿拉C杠难度动作的力学原理及其应用

阿拉C杠属于啦啦操转体类难度,在啦啦操成套动作中有着至关重要的地位。为探明阿拉C杠的力学原理,为其训练方法和评价标准提供科学依据,本文以机器人学理论为基础建立了阿拉C杠运动过程的人体模型,并对运动过程进行了运动规划和运动学仿真。然后应用拉格朗日方程建立了阿拉C杠动作的动力学模型,针对一种理想的运动状态对阿拉C杠运动过程中人体各主要关节的驱动力进行了分析。最后,根据动力学仿真结果对比了双臂开合、单臂开合和大小T三种手部动作对身体各关节驱动力的影响。分析结果表明,动力腿是阿拉C杠动作的主要动力来源,动力腿髋关节的驱动力不受手部动作的影响。在双臂开合、单臂开合和大小T三种手部动作中,大小T需要的关节驱动力最小。本文为阿拉C杠的训练与评价提供了理论依据,可供练习者在训练过程中参考使用。

列车轮对简化模型重力刚度与滚动半径的计算方法

在建立列车轮对简化模型动力学方程中,如果假设侧移和摇头角是微小量,及质心高度保持不变,可以较简便地求出重力刚度和滚动半径等量的近似表达式。本文用几何方法给出了轮对质心高度和滚动半径与侧向位移之间的函数关系,从而可以获得这些量的解析表达式;另外还通过运动学方法,证明了重力刚度和滚动半径等量的简便计算方法是正确的。

五轴联动机床主运动构件重复碰撞瞬态动力学特性分析

为了提高五轴联动机床的整体性能,提出五轴联动机床主运动构件重复碰撞瞬态动力学特性分析方法,对其主运动构件的动力学特性进行分析。建立五轴联动机床的运动学模型,对其运动学特性展开分析;根据机床的运动学特性,建立柔性杆重复碰撞系统以及碰撞过程的动力学方程;最后在St.VENANT杆波动理论的基础上分析柔性杆在多次碰撞和分离过程中的瞬态动力学特性。实验结果表明:与其他方法对比,所提方法能够准确获得柔性杆的变形、位移和撞击力变化情况,且具有较高的分析精度。

绕中心轴线转动圆筒的一个性质及其应用

归纳了绕中心轴线转动圆筒的一个性质,对一道有关圆筒“摩擦传动”的高考模拟题给出两种正确解法,对一种可能出现的错误解法进行探讨,并且给出一种普遍性的解答方法;对一道有关圆盘“摩擦传动”的强基计划试题的错误解法进行探讨;论证了绕轴转动刚体的摩擦传动系统角动量守恒的必要条件.

角动量演示仪的教具制作及其教学研究

角动量和角动量守恒定律是大学物理教学中的重点和难点。文章介绍了一套自制的集定性演示角动量的矢量性、定性演示和定量验证角动量守恒定律为一体的便携式角动量演示教具,探讨了其在研究型课堂演示实验教学过程中的应用。该教具主要由旋转圆盘、穿珠圆盘、电动机、变速控制器等部分组成。教具整体结构紧凑,方便携带,操作简便,现象十分明显,可将角动量矢量性和角动量守恒定律可视化,有利于突破角动量相关概念和规律的教学难点,实现高效课堂的生成。

风电主轴承失效分析与优化设计

风电主轴承是风力发电机组的核心部件,其性能直接影响风机可靠性和寿命。通过对4MW风电调心滚子主轴承进行材料、热处理质量、扫描电镜检测分析,结合Romax轴系仿真模型分析轴承两条滚道的受力状态,结果表明受轴向力、倾覆力矩联合作用,轴承出现偏载是导致一侧滚道疲劳的主要原因。对调心滚子风电主轴承进行优化设计并仿真分析,结果表明通过改变接触角进行非对称设计,可改善轴承受力状态。风电主轴承的失效分析与优化设计研究,可为大功率风电主轴承设计提供参考。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

约束Green函数与非线性地基梁模态分析

在生物和医学领域,微机电系统(MEMS)中的微梁结构在植入人体的使用时,由于体内的细胞环境类似于水凝胶,在这种环境下工作,设备和仪器的精度和稳定性很大程度上受到细胞弹性的影响.为了分析此类地基梁的动力学问题,本文建立了非线性基础上的梁振动模型,研究了任意位置弹簧和非线性弹簧基础上的梁模态.通过Laplace变换和线性叠加原理,得到了一种约束Green函数,利用数值计算验证方案的有效性,并研究了各种重要物理参数的影响,发现弹簧位置向跨中移动时,模态对称性被打破,弹簧刚度增加,模态阶数改变.

滚子与内圈打滑行为诱导的振动特性

针对滚子打滑试验研究困难的问题,通过分析滚子-内圈运动副的相对运动关系得出运动副振动特征频率的计算公式,在此基础上开展打滑试验,提取滚子纯滚动、打滑状态下的振动信号并采用短时傅里叶变换进行时频域分析,结果表明:滚子打滑会诱发一定的振动响应,其频率与滚子、内圈的转动频率相关,理论计算结果与试验结果较为吻合,可用于测算滚子打滑程度;滚子由纯滚动状态转变为打滑状态或由打滑状态转变为纯滚动状态时,纵向、切向振动的幅值均会发生突变,切向振动信号占主要成分且幅值更大。

准周期激励Duffing系统中奇异非混沌吸引子的判别方法

奇异非混沌动力学是非线性动力学领域中的新课题。本文以准周期激励Duffing振子为例,对其产生的奇异非混沌吸引子(strange nonchaotic attractors,SNAs)进行分析。通过三维庞加莱截面和定量方法如傅里叶变换、李雅普诺夫指数、李雅普诺夫维数、关联维数和盒维数检测SNAs是否存在。研究结果表明,傅里叶变换无法判断混沌与奇异非混沌行为。而李雅普诺夫指数、李雅普诺夫维数可以作为检测系统混沌与非混沌指标。关联维数和盒维数显著表明系统奇异与非奇异性,从而阐明适用于准周期驱动Duffing振子中存在SNAs的判别方法,并为其他类似系统检测SNAs提供指导。

不同缺陷类型双层石墨烯旋转摩擦特性

采用分子动力学模拟方法,构建双层石墨烯旋转摩擦的原子模型,研究缺陷类型、浓度、尺寸效应、石墨烯堆叠方式等因素对其层间旋转摩擦特性的影响,并探讨应变工程的减摩效应.实验结果表明,缺陷类型和堆叠方式对石墨烯旋转摩擦特性的影响较为显著,缺陷类型的影响程度最高.当对底层石墨烯引入拉伸应变后,其旋转摩擦阻力发生衰减,且单空位缺陷与无缺陷模型的力矩递减趋势最为相似.对比研究底层石墨烯的压缩应变,发现其在一定范围内使得层间摩擦增大.本研究有助于缺陷石墨烯层间旋转摩擦特性理论的进一步完善.

典型储液类结构流-固耦合问题的扩展研究

为了明晰流体与固体耦合力学机理及其相互作用力,本文以典型储液类流固耦合问题为研究对象,综合应用变积方法、Lagrange乘子法和对合变换法,建立了非保守流固耦合问题的一类变量和二类变量的拟变分原理。经推导其驻值条件得到一类变量和二类变量流固耦合问题的控制方程。应用Lagrange乘子表示流固耦合界面处耦合因子,分别给出应用流体力学变量和固体力学变量表达的耦合因子。将拟变分原理应用于有限元素法,建立了流-固耦合动力学的协调元和杂交元计算模型。本文对流固耦合问题的变分方法发展和提高计算效率具有重要作用。

机械臂负载移动性能与运动调控研究

工业的不断发展对机械臂的负载要求越来越高,而负载的增加会对机械臂末端的精度造成影响.本文以Franka七轴串联机械臂为对象,采用M-DH法和雅可比迭代法对其正、逆运动学展开分析;采用三次函数插值法进行关节空间的轨迹规划.基于拉格朗日方程建立了机械臂的动力学模型,并通过Admas和Simulink联合动力学仿真验证了动力学模型的有效性.最后基于定位控制,对末端位置误差收敛速率、负载质量、控制参数之间的关系展开研究.

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

基于BP神经网络构建简化翼结构动态代理模型

建立精确且可信度高的代理模型是数字孪生技术中的关键环节之一。为了研究航天结构动力学中动态代理模型的构建方法,选择简化翼结构作为研究对象,分别利用单点正弦定频激励及全场加速度扫频激励获得结构在瞬态动力学分析下的位移和加速度响应;将时间和部分节点响应结果作为输入,将希望关注的节点处的响应值作为输出,利用BP神经网络构建动态代理模型,当所建立的代理模型精度达标后即构建了翼结构瞬态动力学的动态代理模型。该法构建的模型不仅可用于快速预测多个节点的位移和加速度响应,亦可为后续构建航天复杂结构动力学数字孪生体奠定基础。

一种新开发的ANCF缆索单元

为精确模拟系浮系统中系留缆索的动力学行为,应用绝对节点坐标公式(absolute nodal coordinate formulation,ANCF),开发一种新的ANCF缆索单元。该单元考虑了缆索的层级数目、各层材料的力学性能,并通过子域划分来更好地适应材料的层间差异。其中,利用Kelvin-Voigt模型来解释内芯层的黏弹性性质,而将改进后的Yeoh模型应用于护套层当中以更好地契合材料的超弹性性能。此外,设计一种具有隐式效果的差分格式对动力学微分方程组进行数值求解。最后,通过一系列静力学与动力学数值计算证明单元的精度与收敛特性,并对比几种应用不同超弹性模型的ANCF单元,证实应用改进的Yeoh模型的ANCF单元的合理性与优越性。

重复使用运载火箭机构电涡流阻尼技术应用及思考

重复使用航天运载器是航天运输系统发展的重点目标之一,机构技术是运载火箭多功能化、可复用化发展的重要支撑,其减震缓冲功能对阻尼机构有着广泛的需求。电涡流阻尼是一种基于电磁感应原理的非接触式的阻尼产生方式,具有无磨损、无漏液、性能稳定、可靠性高、维护性好、便于长期贮存等优势,并且是一种电涡流阻尼原理的速度型阻尼机构,在车辆制动、建筑减振等工程领域中应用广泛。本文对永磁体电涡流阻尼器的基础原理进行了阐述,按直线式、轴向旋转和径向旋转进行分类,并分析了应用的材料类型。研究了重复使用运载火箭在展开缓冲、抑振隔振、冲击缓冲、主动控制等方面对阻尼机构的需求,详细分析了电涡流阻尼技术在运载火箭机构设计领域的应用现状和发展前景。