3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率,文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构,研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先,基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律,采用微元法分析建立其动力学模型,并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明:当两个胸鳍相互协同时,机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时,机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大,可实现较宽的游速范围,推进性能更好。

3-PCR并联减振装置的动力学分析

为实现多维减振,本文采用3-PCR并联机构作为多维减振平台。并联机构动力学模型是多自由度、多参数耦合且高度非线性的复杂系统,首先,利用Lagrange法建立3-PCR并联减振装置的动力学方程;然后,利用Solidworks构建减振装置三维模型,并将模型导入ADAMS中建立虚拟样机模型;最后,利用ADAMS仿真软件对三维减振装置基体进行运动学和动力学仿真分析,得到驱动杆位移、速度、加速度曲线图和各连杆驱动平衡力图。仿真结果表明:3-PCR并联减振装置具有较好的运动稳定性,加速度在变化时也没有存在较大的冲击,便于控制。

柔性齿轮运动特性及其振动抑制性能的实验研究

在三缸发动机平衡轴齿轮传动系统的传动过程中,存在着较大的振动和噪声问题,为此,提出了一种附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合模型,对柔性齿轮结构的运动特性及其振动抑制性能进行了实验研究。首先,采用集中质量法,建立了考虑齿轮间隙和时变啮合刚度的附加阻尼环6自由度齿轮传动系统的弯曲-扭转模型,利用石川公式计算出了柔性齿轮的时变啮合刚度,对比了有无阻尼环的齿轮系统的振动响应;然后,搭建了专门的齿轮传动系统测试设备,测试了不同转速下钢齿轮和柔性齿轮的加速度和噪声峰值;最后,设计了激光位移试验台,对比分析了不同转速下齿轮的微抖动,对柔性齿轮的减振效果进行了测试,并验证了理论模型的正确性。研究结果表明:当转速为1000 r/min时,钢齿轮和柔性齿轮的最大加速度信号分别为35.58 m/s^(2)和20.37 m/s^(2);当齿轮转速为4000 r/min时,柔性齿轮的阻尼效果最佳,加速度峰值降低了45.23%,噪声峰值降低了39.06%;钢齿轮的微抖动幅值明显高于柔性齿轮,两者的变化趋势相似。柔性齿轮能有效抑制轮齿微抖动振幅曲线的不平滑、毛刺现象,从而增强了三缸发动机平衡轴系的稳定性。

平臂式塔式起重机自振周期计算方法研究

塔式起重机的自振周期是其基本属性,关乎风振动力系数的选取,影响风载荷及其对塔身偏移的计算。文章以永茂5513型塔帽式和中天6513型平头式塔式起重机为例,简化塔身的刚度简化,将塔式起重机简化为单自由度模型,推导了自振周期简化公式,对比分析了现场测试和有限元模拟结果,验证了该公式的可行性,并引入考虑塔机质量分布影响的修正系数,修正了其简化公式。结果表明:塔式起重机自振周期简化公式计算结果与现场实测自振周期吻合较好,在粗略计算塔式起重机自振周期时可以使用该简化计算公式。根据有限元模拟结果,给出了塔式起重机自振周期简化公式的修正公式,并给出了塔帽式、平头式塔式两种起重机修正系数的推荐值及线性内插公式。

基于双线性ADRC的翼伞系统三维航迹跟踪控制

目前翼伞系统的航迹跟踪主要针对二维路径,对于三维航迹跟踪的研究不多。针对翼伞系统6-DOF模型,采用具有天然解耦属性的自抗扰控制策略,设计一种基于双线性ADRC(B-ADRC)的三维轨迹跟踪控制方法。在水平面与纵向设计制导率与控制器,实现姿态与轨迹位置的跟踪,并对轨迹跟踪误差进行实时修正。跟踪过程中,将理想轨迹离散化获得一系列参考点,通过点切换的方式实现了复杂轨迹的跟踪。实验结果表明:所设计的双线性ADRC控制器能够实现对三维航迹的跟踪,具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

新型3-PRC柔性并联微操作平台的研究

采用压电陶瓷作为驱动器设计了一种带有二级杠杆放大机构的3-PRC柔性并联微操作平台,该平台能实现空间三自由度的微小平移运动,放大机构的理论与有限元仿真分析放大倍数分别为8.772和8.245。首先采用矢量法建立了该机构的运动学模型,得到了其运动学正、逆解和雅克比矩阵。然后利用MATLAB软件分析并绘制了平台的工作空间,最后对机构的解耦性进行了理论分析并利用有限元软件进行了验证。结果表明该机构的耦合性误差小,可以实现空间三自由度微纳米级别的运动,具有较大的运动空间和良好的运动解耦性。

振动筛3自由度动力学模型及应用研究

针对当前多以3自由度动力学模型对振动筛进行动力学研究,基于牛顿法建立了3自由度的振动筛动力学模型,并利用Matlab编程求解其数值解。对某沥青搅拌设备的振动筛进行了3自由度模型计算,计算结果较为完整的描述了振动筛的振动过程,符合振动筛的实际工况。

汽车原地换挡时半主动液压阻尼拉杆设计方法

为减小自动档汽车在原地换挡时由于变速箱的扭矩扰动产生的冲击与振动,提出了汽车原地换挡时半主动液压阻尼拉杆(hydraulic damping strut,简称HDS)的设计分析方法。首先,对原地换挡的冲击与振动机理进行了理论分析;其次,构建了汽车原地换挡时的动态响应评价指标,建立了包含半主动液压阻尼拉杆的整车13自由度(degrees of freedom,简称DOFs)动力学模型,根据力分担的方法对半主动HDS的动态特性参数进行了优化分析;最后,采用整车13自由度动力学模型对汽车原地换挡时加半主动HDS和不加半主动HDS时的动态响应评价指标进了分析,并通过试验对座椅导轨的加速度进行了测试。研究结果表明,加入半主动HDS减小了汽车原地换挡时的冲击与振动。

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题，应用平面湍流κ-ε模型和重整化群κ-ε模型，结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动，求解基于非交错网格系统，其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法．计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况．结果表明，当雷诺数为5000～2×10^5时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好．研究发现，在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多，湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长．

干气密封动静环双自由度系统的轴向振动响应

基于螺旋槽干气密封动静环振动特性,在忽略阻尼作用条件下,建立了螺旋槽干气密封无阻尼气膜-密封环双自由度系统轴向振动的动力学模型和相应的数学模型,并利用待定系数法求解,获得了在谐波激励下的动静环振幅解析式。将此理论结果与试验数据比较,研究表明:动、静环轴向振动频率和振幅相同,说明动、静环追随性好,能保证气膜微尺度稳定性;在同转速下介质压力对振幅基本没有影响;动环转速越大,振幅越小,系统越稳定。试验与理论结果相符,说明了轴向振动模型的正确性,为干气密封的动态优化设计提供了理论依据。

超高层建筑涡振过程中体系振动频率

为了研究超高层涡激振动过程中的频率飘移问题,进行多自由度气弹模型和部分底部弹性支撑的摆式模型试验,以直接测量发生涡激共振前后振动体系的频率变化情况,分析影响频率改变量的几个因素,探讨频率改变量与涡致位移之间的互制现象.分析表明,当高层建筑较为高柔时,涡振过程中频率漂移现象不可忽略,振动体系频率随折算风速呈"V"字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,之后又回升到比自振频率略小的相对稳定的值.在同一流场中,斯克拉顿数越大的模型正频率改变量越大,而负频率改变量则相反;不同流场中,流场越粗糙振动频率和位移曲线的尖峰现象越不明显,且正频率改变量越小,而大折算风速时负频率改变量越大.

大型振动筛动态有限元模型建立及精度分析

根据振动筛结构和受力特点,提出梁壳单元模型,给出有限元建模中关键问题的解决方法:采用自定义截面梁单元,实现了用变截面梁模拟振动筛实际梁结构;用自由度耦合及建立约束方程的方法实现结构中螺栓连接、焊接连接的合理简化;建立刚性区,合理施加激振力载荷。结合理论分析和实验模态分析结果表明:采用梁壳单元模型进行大型振动筛动力学分析较传统实体单元模型具有精度高、计算资源占用少、计算可靠性高的优点。采用梁壳单元模型可以在一般PC机上实现对大型振动筛结构动态有限元分析。

超高层建筑横风向风振局部气动外形优化

为了研究局部气动措施对方截面超高层建筑横风向风振的控制效果,开展大量的多自由度气弹模型风洞实验,测量模型在多种切角率、圆角率、粗糙条及开洞方式下的横风向风致位移响应,对横风向位移进行对比分析.结果表明:当切角率大于5%或圆角率大于15%时,横风向风致位移响应显著降低,位移均方根随折算风速的变化曲线接近直线而不再呈倒"V"字形,说明涡激共振发生的可能性得到了有效抑制;切角率或圆角率越大,横风向位移响应的减小幅度越显著;特定粗糙条的设置可以使涡振响应幅值降低20%以上;通风洞不论是垂直于来流还是平行来流,都会使涡振响应幅值减小,且洞口在中上部时的效果最佳.整体来看,局部气动外形控制措施具有显著的抗风优化效果.

斜拉桥拉索风雨激振的两质量三自由度理论模型

斜拉索的风雨激振严重地影响到斜拉索以至于斜拉桥的安全,其机理至今仍无定论。同时考虑拉索面内和面外两个自由度,并假设拉索和水线之间的作用力为库仑阻尼力和线性阻尼力,建立斜拉桥拉索风雨激振的两质量三自由度理论模型。采用Runge-Kutta法对拉索和水线的耦合方程进行数值求解,得到拉索和水线的运动规律。与仅考虑拉索面内自由度的两质量两自由度理论模型相比,考虑拉索面内面外自由度的两质量三自由度理论模型的起振风速区更多,这主要是因为拉索的水平气动力系数也存在突降,且拉索面内面外运动是相互耦合的。水线上的气动力和重力为水线提供总体的平衡;阻尼力则消耗水线的能量;至少一个方向的拉索运动引起的附加惯性力(竖向或水平)一直对水线做正功。

路面等级和车速对报废弹药公路运输安全影响分析

在运输过程中,振动和冲击是影响报废弹药运输安全的主要因素。为有效解决报废弹药公路运输的安全问题,在建立三自由度车辆振动模型的基础上,利用虚拟激励法,对不同路面、不同速度下弹药箱加速度功率谱密度函数进行仿真分析,确定不同路面下报废弹药安全运输的行驶速度,可为部队组织报废弹药公路运输提供参考。

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。

多自由度非线性隔振系统建模及其非共振响应

非线性因素会对系统解耦产生影响,因此工程实际中的非线性隔振系统一般为多自由度系统,同时,船舶机械隔振系统的基座应视为具有一定机械阻抗的弹性体。基于上述考虑,对船舶机械非线性隔振系统进行了建模,并特别讨论了非线性项的表达式。通过分析非线性因素与系统解耦之间的关系,使得系统得以简化的同时,保留了系统主要的动力学特性。还应用多尺度法对该类型非线性隔振系统在其主要工作状态——非共振状态下的动态响应进行了分析,并通过数值计算验证了多尺度法得出的一阶近似解的有效性以及非线性因素对系统的影响。

低雷诺数下弹性圆柱体涡激振动及影响参数分析

利用Fluent软件数值求解不可压缩粘性流体的N-S方程,研究均匀来流Re=200时弹性圆柱体的涡激振动。圆柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动方程,柱体与流体间的非线性耦合作用通过动网格技术实现。详细分析了涡激力系数、柱体位移特征值和尾流涡结构随频率比的变化关系,获得"相位开关"、"拍"等现象。考虑流向振动对横向振动影响时,圆柱体最大横向振幅为0.65倍直径。当固定频率比,而质量比或折合阻尼增大时,圆柱体流向与横向振动均呈非线性衰减趋势,但增大质量比对流向平均位移的偏离起到更好的控制效果。

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致。针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6%。通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5Hz的宽度。针对50Hz的振动环境,将谐振频率为58.7Hz的样机调节到了50.4Hz,输出电压提高了4倍。