Numerical Study of the Vibrations of Beams with Variable Stiffness under Impulsive or Harmonic Loading

The behavior of beams with variable stiffness subjected to the action of variable loadings (impulse or harmonic) is analyzed in this paper using the successive approximation method. This successive approximation method is a technique for numerical integration of partial differential equations involving both the space and time, with well-known initial conditions on time and boundary conditions on the space. This technique, although having been applied to beams with constant stiffness, is new for the case of beams with variable stiffness, and it aims to use a quadratic parabola (in time) to approximate the solutions of the differential equations of dynamics. The spatial part is studied using the successive approximation method of the partial differential equations obtained, in order to transform them into a system of time-dependent ordinary differential equations. Thus, the integration algorithm using this technique is established and applied to examples of beams with variable stiffness, under variable loading, and with the different cases of supports chosen in the literature. We have thus calculated the cases of beams with constant or variable rigidity with articulated or embedded supports, subjected to the action of an instantaneous impulse and harmonic loads distributed over its entire length. In order to justify the robustness of the successive approximation method considered in this work, an example of an articulated beam with constant stiffness subjected to a distributed harmonic load was calculated analytically, and the results obtained compared to those found numerically for various steps (spatial h and temporal τ ¯ ) of calculus, and the difference between the values obtained by the two methods was small. For example for ( h=1/8 , τ ¯ =1/ 64 ), the difference between these values is 17%.

Force Control Compensation Method with Variable Load Stiffness and Damping of the Hydraulic Drive Unit Force Control System

Each joint of hydraulic drive quadruped robot is driven by the hydraulic drive unit（HDU）, and the contacting between the robot foot end and the ground is complex and variable, which increases the difficulty of force control inevitably. In the recent years, although many scholars researched some control methods such as disturbance rejection control, parameter self-adaptive control, impedance control and so on, to improve the force control performance of HDU, the robustness of the force control still needs improving. Therefore, how to simulate the complex and variable load characteristics of the environment structure and how to ensure HDU having excellent force control performance with the complex and variable load characteristics are key issues to be solved in this paper. The force control system mathematic model of HDU is established by the mechanism modeling method, and the theoretical models of a novel force control compensation method and a load characteristics simulation method under different environment structures are derived, considering the dynamic characteristics of the load stiffness and the load damping under different environment structures. Then, simulation effects of the variable load stiffness and load damping under the step and sinusoidal load force are analyzed experimentally on the HDU force control performance test platform, which provides the foundation for the force control compensation experiment research. In addition, the optimized PID control parameters are designed to make the HDU have better force control performance with suitable load stiffness and load damping, under which the force control compensation method is introduced, and the robustness of the force control system with several constant load characteristics and the variable load characteristics respectively are comparatively analyzed by experiment. The research results indicate that if the load characteristics are known, the force control compensation method presented in this paper has positive compensation effects on the load characteristics variation, i.e., this method decreases the effects of the load characteristics variation on the force control performance and enhances the force control system robustness with the constant PID parameters, thereby, the online PID parameters tuning control method which is complex needs not be adopted. All the above research provides theoretical and experimental foundation for the force control method of the quadruped robot joints with high robustness.

The Novel Variable Stiffness Composite Systems with Characteristics of Repeatable High Load Bearing and Response Rate

On the base of controllable variable stiffness property,variable stiffness composites were the main components of functional materials in aerospace.However,the relatively low mechanical strength,stiffness range,and response rate restricted the application of variable stiffness composite.In this work,the novel variable stiffness composite system with characteristics of repeatable high load bearing and response rate was successfully prepared via the double-layer anisotropic structure to solve the bottlenecks of variable stiffness composites.The novel variable stiffness composite systems were composed of variable stiffness layer of polycaprolactone(PCL)and the driven layer of silicone elastomer with alcohol,which continuously changed Young’s modulus from 0.1 to 7.263 MPa(72.63 times variation)in 200 s and maintained maximum weight of 11.52 times its own weight(8.5 g).Attributed to the relatively high variable stiffness range and load bearing value of variable stiffness composite system,the repeatable response process led to the efficient high load driven as“muscle”and diversified precise grab of objects with different shapes as“gripper”,owning widespread application prospects in the field of bionics.

考虑瓦块子结构的可倾瓦轴承广义完整动特性系数研究

针对因忽略瓦块子结构动力学特性而导致常规8系数无法分析瓦块摆振特性及其稳定性的问题,提出考虑瓦块子结构的可倾瓦轴承广义完整动特性系数表征方法。以瓦间承载的四瓦可倾瓦轴承为研究对象,采用差分概念法计算了其广义完整动特性系数,利用线性和非线性方法计算得到的小扰动响应对比验证了计算模型的正确性,研究了轴承结构参数和运行工况对可倾瓦轴承动特性系数的影响规律。研究结果表明:承载瓦的稳定性高于非承载瓦;重载工况下非承载瓦易发生失稳故障;转速过高会降低转子轴承系统的减振能力;存在一个最佳支点系数可以使各瓦块的角刚度最大;增大长径比、预载荷系数和瓦包角,减小轴承间隙比可以提高轴承的刚度系数、阻尼系数以及各瓦块的角刚度系数、角阻尼系数,轴承间隙对动特性系数的影响最显著。

考虑永久位移的锚索框架减震锚头弹簧组件合理刚度研究

强震作用下预应力框架锚索可能出现内锚段松脱、锚索拉断等震害,在锚头处设置弹簧是一种新型抗震措施,而弹簧刚度的合理选取对改善锚索受力至关重要。建立在锚头处设置弹簧预应力锚索框架的加固基岩-覆盖层边坡三维数值模型,研究边坡在不同峰值加速度、不同持时地震波作用下响应规律,调整锚索-弹簧串联体系等效刚度大小,分析坡体永久位移和锚索轴力减载比随弹簧刚度的非线性变化特征;以控制边坡位移及锚索减载效果为目标,提出弹簧组件的合理刚度确定方法。研究表明:随弹簧刚度降低,缓冲减震作用逐渐显著;坡顶水平加速度受刚度变化影响较小,但当弹簧刚度低于临界值后边坡位移及弹簧变形量急剧增加;以边坡永久位移实际调查经验限值为首要控制条件,结合位移、弹簧峰值行程随刚度变化拟合“直-曲分界点”曲线,以共同确定弹簧刚度下限;同理,依据减载比拟合曲线轴力削减明显区段得出刚度上限,以保证一定工程经济性。针对算例模型取永久位移10 cm、拟合曲线曲率k小于0.002 k max作为直曲分界判断依据,得0.4 g~0.6g强震下弹簧刚度区间为(2.5,3.8)kN/mm,研究方法可为边坡预应力锚固工程抗震设计提供参考。

材料参数对液弹阻尼器动态特性的影响

为了探究材料性能参数对液弹阻尼器动态特性的影响规律,采用电液伺服动态试验机研究了液弹阻尼器的载荷-位移曲线、弹性刚度、阻尼刚度和损耗因子随橡胶硬度和阻尼液黏度的变化。试验结果表明:液弹阻尼器91.5%以上的弹性刚度由橡胶部分提供,并且弹性刚度随橡胶硬度的增大而增大;液弹阻尼器84.8%以上的阻尼刚度由阻尼液提供,并且阻尼刚度和损耗因子随阻尼液黏度的增大而增大,随剪切振幅的增大而减小,阻尼液黏度越大阻尼刚度和损耗因子下降幅度越大;当阻尼液黏度由2000 mm^(2)/s增大到10000 mm^(2)/s时,液弹阻尼器的阻尼刚度由2420 N/mm增大到5163 N/mm;当剪切振幅由0.2 mm增大到1.5 mm时,阻尼刚度分别减小18.5%和40.1%。以上结论可为液弹阻尼器的选材提供依据。

测试条件对液弹阻尼器动态特性的影响

研究测试条件对液弹阻尼器动态特性的影响规律。结果表明:阻尼液耗散的能量占液弹阻尼器耗散能量的86.3%以上,随剪切振幅和剪切频率的增大,液弹阻尼器的耗能能力显著提高;液弹阻尼器的弹性刚度和阻尼刚度随剪切振幅的增大而减小,随剪切频率的增大而增大;当剪切振幅由0.2 mm增大到1.5 mm时,液弹阻尼器的阻尼刚度减小42.7%,当剪切频率由0.5 Hz增大到4 Hz时,液弹阻尼器的阻尼刚度由2 213 N·mm^(-1)增大到5 802 N·mm^(-1)。

连续采煤机液驱行走稳定性研究

基于连续采煤机液驱行走的需求,设计了液驱行走负载敏感液压系统,分析了负载敏感液压系统压力脉动作用机理,研究了负载反馈回路2种滤波方法,设计了变阻尼阀,并在连续采煤机液驱行走负载敏感液压系统进行了试验,试验结果表明,通过调节变阻尼阀可达到预期的稳定性。

阶梯形框架-剪力墙结构的解析有限元法

为克服框架-剪力墙结构理论解析解只适应等刚度和均布荷载、倒三角形分布荷载和集中荷载作用,无法解决变刚度、复杂荷载作用分析的不足,利用固接体系框架-剪力墙微分方程的奇次解,建立了解析有限元列式,推导了单元在均布荷载和倒三角形分布荷载作用下的非节点荷载等效公式,给出了剪力在框架、剪力墙中分配的有限元算法。对所建立的有限元列式和非节点荷载等效公式进行实例验证,比较了解析有限元和常规有限元随网格密度变化的收敛性能,验证了解析有限元在阶梯形变刚度框架-剪力墙结构分析中的适应性能。得到了解析有限元结果与理论解完全一致,解析有限元不依赖网格密度、收敛性能优越等结论。本文所建立的解析有限元为变刚度框架-剪力墙结构提供了一种简便的分析工具。

冲击载荷下四柱支撑掩护式液压支架动态响应特征分析

液压支架装备通常用于采煤工作面的支护。液压支架在工作过程中承受了大量冲击载荷,导致其动态稳定性受到威胁。为研究四柱支撑掩护式支架在对称与非对称承载工况下顶梁及掩护梁承受冲击载荷时的动力学响应特征,采用动力学软件Adams以等效变刚度阻尼系统代替立柱的方法,建立了支撑掩护式支架的数值分析模型。其中,顶板压力由主动静载荷垂直施加于顶梁上方,冲击载荷垂直于顶梁及掩护梁向下施加。基于上述模型,分析了不同冲击载荷作用于支架顶梁与掩护梁时支架关键部位的动力学响应,以及偏置加载对支架稳定性的影响。随后通过设置不同立柱初撑力,讨论了液压支架在非对称支撑条件下承受冲击载荷时的动力学特性。结果表明,单一顶梁冲击载荷条件下,前立柱载荷变化系数达到1.41,对顶梁前端冲击载荷最敏感。顶梁和掩护梁同时承受冲击载荷时,支架各铰接点对于顶梁前端与掩护梁上部区域作用的冲击载荷响应更剧烈,最大载荷变化系数为0.64,极大地影响液压支架整体稳定性。支架承受横向扭矩时,偏置载荷作用于不同位置对支架承载性能的弱化效果基本一致,且偏置载荷的大小与削弱效果呈正相关。在考虑立柱不同初载比时,顶梁-掩护梁铰接点对初载比变化的敏感程度最高,且前立柱初撑力不足时将对支架承载性能形成最大削弱效应。研究结果可辅助优化支撑掩护式支架结构,改善液压支架承载可靠性。

超长期循环荷载作用下海上风机大直径单桩动力特性演变规律研究

大直径单桩基础是目前应用最广泛的一种海上风机支撑结构,其现有相对成熟的研究主要集中在承载力、累积变形和初始动力特性计算等问题。而海上风机对海洋环境中的风、浪、流、地震波及其运行荷载等动荷载非常敏感,因此在长期循环荷载作用过程中,其振动特性变化规律必须得到充分研究。通过在干砂中对大直径单桩进行室内1 g模型试验,以模型桩承载力为参考值,施加相同频率、不同幅值的循环荷载,并在加载过程中进行频响分析,得到桩顶水平位移频响函数,进而得出了以下结论:(1)桩基一阶共振频率随循环次数增大而增大;(2)阻尼比随循环加载次数整体呈降低趋势;(3)桩顶刚度则受循环荷载的致密作用和振动坑的形成等多因素影响,割线刚度主要呈下降趋势,卸载刚度呈增大趋势。

高速斜撑式超越离合器楔合性能影响因素分析

针对某型高速斜撑式超越离合器在使用过程中存在楔合失败、楔合响应慢等问题,基于ADAMS建立该离合器的动力学仿真模型,分析了斜撑块与内、外圈的摩擦因数、弹簧等效力矩、负载等效质量、阻尼、接触刚度对离合器楔合性能的影响,结果表明:负载、接触刚度对离合器楔合性能影响较大,摩擦因数、弹簧等效力矩、阻尼对离合器楔合性能影响较小。

非对称刚构-连续组合体系梁桥受力特性研究

为给非对称刚构-连续组合体系梁桥的设计与应用提供理论基础,以渝湘复线高速长头河特大桥主桥为背景,引入非对称比例系数研究不对称程度对非对称刚构-连续组合梁桥力学特性的影响,提出采用在连续墩处设置组合阻尼支承体系改善该体系梁桥连续墩处主梁在横向风荷载作用下受力不利的问题。保持该桥主跨跨径180 m不变,调整刚构侧和连续侧单侧主梁长度在主跨范围内的占比,采用MIDAS Civil软件建立10个不同非对称比例系数的刚构-连续组合体系梁桥有限元模型,分析不同模型在恒载、汽车荷载、温度荷载、收缩徐变等作用下的主梁内力和支座反力,以及组合阻尼支座不同水平等效刚度对主梁受力的影响。结果表明:非对称刚构-连续组合体系梁桥不对称程度对结构内力影响最大的荷载为收缩徐变;非对称比例系数m>0.2时需适当加大连续墩处主梁梁高、延长小边跨长度以减小非对称性的不利影响,m最大限值建议采用0.3;在连续墩处设置组合阻尼支承体系,利用阻尼位移使主梁协调变形,能有效降低横向风荷载引起的主梁弯矩和应力幅。

二级阻尼先导式平衡阀动态性能研究

平衡阀是导弹发射车变幅机构液压系统中的关键部件,用于承担负值负载,其动态性能的优劣决定了液压系统的稳定性和安全性。建立了二级阻尼先导式平衡阀所在系统的详细数学模型,并进一步得出了传递函数。采用频域分析方法研究了阻尼孔直径和控制活塞直径对系统的稳定性和快速性的影响;采用MATLAB/Simulink对平衡阀-液压缸-变幅机构系统进行了动力学仿真,分析了阶跃流量输入下系统的抗负载扰动性能。结果表明:系统快速性随阻尼孔直径增大而提高,系统稳定性随控制活塞直径增大而提高;通过对平衡阀关键几何参数的设计,保证了平衡阀输出流量的稳定性,使系统具有较强的抗负载扰动能力,从而提升了液压系统的安全性和可靠性。

基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用

煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。该试验系统的主要创新如下:①加载系统中增加开挖装置,可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低,当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏;②加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置,可在静力加载过程中完成能量的储存;③设置了一种变刚度加载装置,系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置;④试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现,使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验,验证了该模拟设备的准确性和可靠性,初步试验结果表明:低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏,煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通,破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿,致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度角度出发,可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程,为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

嵌岩桩荷载传递函数及非线性桩刚度确定方法

以桩基荷载传递理论为基础,结合杭州恒隆广场试桩静载荷试验数据,开展了深埋岩层钻孔灌注桩力学特性研究。分析了土层与岩层桩基侧阻力及岩层端阻力随荷载增加的演进过程和发展趋势,并建立了具有场地代表性的荷载传递函数组。研究表明,深埋岩层钻孔灌注桩适合采用荷载传递函数描述其单桩力学特性;通过选择合适的函数形式,可以根据试桩数据拟合得到同一场地不同岩土层的桩基荷载传递函数组;进而可建立不同位置、不同嵌岩深度桩基的桩顶荷载-位移曲线和桩顶荷载-桩刚度曲线。通过与实测结果对比,采用荷载传递法得到的桩刚度曲线与实测结果较为吻合,可用于计算群桩基础反力及嵌岩钻孔灌注桩的变刚度调平设计。

埋地用塑料管材蠕变比率影响因素的检测探究

本文用控制变量法,通过改变环境温度、试样的满负荷以及试样的环刚度对埋地用塑料管材蠕变比率的影响进行检测研究并探讨,结果表明:环境温度升高,管材的蠕变比率增大;满负荷直接影响管材的初始形变y,初始形变y越小,蠕变比率越大;塑料管材的环刚度与蠕变比率大小无关。

纤维曲线铺放的变刚度复合材料损伤失效试验研究

根据纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板层内铺层角度的参考路径制备出铺层顺序分别为[±45/±〈45/60〉2/±〈15/30〉]s和[±45/±〈15/30〉/±〈45/60〉/±〈30/45〉]s的变刚度复合材料层合板,并对该变刚度复合材料层合板在拉伸和弯曲载荷作用下的损伤破坏过程进行了试验研究,获得了该复合材料层合板的损伤破坏演化过程。通过对纤维直线和纤维曲线铺放的复合材料层合板的拉伸和弯曲试验进行对比,结果表明:在拉伸载荷作用下纤维曲线铺放比纤维直线铺放的复合材料层合板的极限载荷和强度提高了49%和42%,在弯曲载荷作用下的极限载荷和强度提高了28%和32%;纤维直线铺放的复合材料层合板的断口破坏较为严重。纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的结构性能得到了显著提高。

机械结合面法向接触刚度和阻尼的理论模型

基于统计接触理论和等效粗糙接触表面假设,考虑微凸体在加卸载及动态载荷下的变形特征,建立了结合面法向静、动态接触模型,获得了单位面积法向静、动态接触刚度与接触阻尼(基础特性参数)。基于Kadin和Etsion的粗糙表面弹塑性卸载接触模型,通过引入微凸体卸载过程中残余变形与最大变形量及最大接触载荷之间的函数关系,建立静态加卸载接触模型。针对结合面间简谐动态相对位移,利用泰勒公式对静态接触载荷和接触刚度进行展开,得出了动态接触载荷、接触刚度的增量以及动态接触载荷下的能量损耗,建立了法向动态接触刚度和接触阻尼的计算模型。分析了结合面面压、动态位移幅值及振动频率对动态接触刚度和接触阻尼的影响规律,研究表明:法向动态接触刚度相对静态接触刚度有微小偏移增量,动态接触刚度增量和接触阻尼随法向面压及动态位移幅值的增大而非线性增大,动态接触刚度增量随振动频率增加呈非线性增大,而接触阻尼则随振动频率增加呈非线性减小。通过理论计算与试验结果的对比分析,证明了本文建立的结合面法向静、动态接触刚度及接触阻尼理论模型的正确性。

四足机器人液压驱动单元变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法

基于机理建模方法建立了液压驱动单元位置控制系统数学模型,针对不同环境结构下负载刚度和负载阻尼的动态变化特性,把位置控制环作为控制器内环,推导了一种变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法。建立了负载特性模拟方法的仿真模型,并在液压驱动单元性能测试平台上进行了模拟方法的实验测试,研究了斜坡阶跃负载力和正弦负载力下变刚度和变阻尼负载特性的模拟效果。研究结果表明:设计的模拟方法能够较好地模拟环境刚度参数变化、阻尼参数变化,以及刚度参数和阻尼参数同时变化时的负载特性。