一种两自由度的压电-电磁复合能量收集器(英文)

研究目的:对一种两自由度的压电-电磁复合能量收集器进行发电性能研究。创新要点:建立了一种两自由度压电-电磁复合能量收集器发电性能的数学模型,该数学模型可以评估两自由度压电-电磁复合能量收集器中压电元件、电磁元件以及系统总输出功率。研究方法:对一种两自由度的压电-电磁复合能量收集器进行数学建模,并实验验证数学模型的正确性。基于实验测试得到的系统参数值,理论研究压电元件和电磁元件的机电耦合系数对不同能量收集器发电性能的影响关系,并对几种能量收集器的发电能力进行对比分析。重要结论:对于非强耦合(弱或中间耦合)的两自由度机电转换器,复合能量收集器(压电+电磁)具有比单一能量收集器(压电或电磁)更高的发电能力。

细长轴切削颤振的稳定性分析和实验研究

为了对细长轴的加工颤振进行稳定性研究,在对细长轴切削颤振机理的研究基础上,建立了刀具和细长轴耦合振动的两自由度系统的再生型颤振分析模型。利用解析法对时滞的动力学方程进行稳定性分析,得出了关于切削宽度和转速的稳定性切削极限图。从结果中可以得出两自由度系统的极限切削宽度比单自由度系统减小了28.6%。该成果可以为柔性零件的高效稳定加工提供理论切削参数。在车铣复合中心上进行了细长轴的切削颤振实验,通过与稳定性极限图的对比,发现实验结果与理论研究相吻合,并且总结出颤振发生前后刀具和细长轴的振动特性变化规律。这种振动特征的变化过程是对加工颤振进行监测和预警的重要识别指标。

正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩N-S方程,对低雷诺数下正三角形排列等直径三圆柱的绕流与涡致振动进行数值模拟。圆柱振动简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,圆柱的动力响应通过Newmark-β方法求解。间距比在1.5~6.0之间变化,重点研究各圆柱的气动力和响应及相关的频率特性、尾流流动模式随间距比的变化。研究结果表明：三圆柱发生振荡时的气动力要远大于绕流结果,当间距比在3.5~4.0之间气动干扰最为强烈。当间距比大于3.0时,下游圆柱的横向和流向位移相位差出现周期性切换,导致升力系数均值出现波动,并且下游圆柱的质心运动轨迹为斜向上和斜向下椭圆形的叠加。三圆柱的最大横向位移幅值均能达到0.9D,下游圆柱的最大流向振幅达到1.1D,这说明组成多圆柱振荡系统单柱的横向位移远大于孤立圆柱发生涡激共振的最大位移,并且下游圆柱的流向振荡不可忽视。

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。

车轮随机动载与路面及车速相互关系的研究

文章利用车辆的两自由度模型 ,分析了车速与路面不平度对车轮随机动载的功率谱密度和方差变化趋势的影响。同时也分析了车轮随机动载的大小对路面疲劳应力的影响 ,指出了不同的车速和路面状况引起的路面动力反应及损伤变化规律的不同 ,提出了针对路面状况来调整车速可以降低车轮随机动载 ,从而达到减轻对路面损伤的要求。

地震作用下高位层间隔震体系参数优化设计

对地震作用下高位层间隔震体系中隔震支座参数的优化设计进行了研究。通过两自由度体系近似模拟多自由度结构层间隔震体系,将地震波简化为白噪声,优化目标为使层间隔震上部与下部结构频域振动能量和最小,推导了隔震支座优化参数的理论表达式,隔震支座的优化刚度系数和阻尼系数与上部和下部结构的质量比密切相关。在数值算例中,通过比较过滤白噪声激励下多自由度体系中的隔震支座参数化研究结果和两自由度体系理论结果,发现二者吻合良好;实际地震波记录激励下多自由度结构体系的响应与两自由度体系的响应规律一致。研究结果表明,多自由度结构高位层间隔震体系的隔震支座优化参数可基于理论表达式得出,可为高位层间隔震体系的初步设计提供参考。

振动发电机的系统建模与频率特性分析

采用两自由度振动模型对振动发电机进行描述,由于非线性磁力的影响,该模型表明电磁式振动发电机是非线性非自治系统。基于该模型,对正弦振动激励下的系统响应进行仿真分析,结果表明,动子与定子的相对位移响应出现了明显的倍频现象,而输出电动势的频率分布更加复杂,不但有对应激励频率的主振动解和亚谐振动解,而且还有对应固有频率的亚谐振动解和超谐振动解,表明系统具有较强的非线性,且随着输入振动能量增大,系统的非线性特征更加明显。在10Hz正弦振动激励下的测试发现,输出电动势的幅频特性在10Hz、20Hz和30Hz处出现峰值,表明输出电动势出现了明显的倍频信号,实验结果与仿真结果的频率特性一致。

基于重叠网格法的斜拉索涡激振动分析

斜拉索为细长结构,其阻尼比较小,容易发生涡激振动。为研究斜拉索涡激振动响应特性,结合CFD方法和重叠网格技术,对斜拉索二维模型进行了研究。利用CFD软件Fluent求解二维不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,并通过Fluent提供的UDF接口,嵌入自编Newmark-β法程序,求解两自由度结构动力响应方程。研究结果表明:相较于低质量比涡激振动响应,斜拉索涡激振动振幅较低,但其可能造成的疲劳破坏不容忽视;斜拉索涡激振动的锁定区间很短,对风速的变化比较敏感;斜拉索运动轨迹也更加丰富,不再是单一的“8”字形运动。

带摩擦补偿的滚珠丝杠副进给系统自适应滑模控制

为了提高滚珠丝杠副进给系统的跟踪性能,采用了带摩擦补偿的自适应滑模控制方法.基于滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性建立了两自由度的质量模型,根据模型的状态方程设计了系统的反演滑模控制器,考虑到外界干扰的影响设计了带自适应律的自适应滑模控制器.采用基于Stribeck摩擦模型的摩擦补偿方法和遗传算法对滚珠丝杠副进给实验台的Stribeck摩擦模型进行了参数辨识.采用建立的控制方法在实验台上进行了轨迹跟踪实验.实验结果表明:在没有使用摩擦补偿情况下自适应滑模控制器最大跟踪误差为31.85μm;使用带摩擦补偿的自适应滑模控制器,其最大跟踪误差减小为15.55μm.实验结果证明了针对滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性模型设计的自适应滑模控制器具有较高的跟踪性能,并且采用带摩擦补偿的自适应滑模控制方法显著提高了滚珠丝杠进给系统的跟踪精度.

周期性冲击载荷下冲床调模计数器的隔振研究

针对冲床工作时滑块受周期性冲击载荷大的工况特点,对安装在冲床滑块上的电子式调模计数器进行了减振研究.在电子式计数器结构的基础上,建立了冲击载荷作用下计数器隔振系统的动力学模型;利用傅里叶级数将冲床周期性冲击激励展开并施加到该模型上,并通过分析该模型的动态响应得到隔振系统的传递率.以光电传感器的抗振度为减振指标,采用遗传算法完成了该隔振系统的隔振参数优化.最后在Simulink软件环境下建立了系统的隔振仿真模型,并进行了力和位移传递率的仿真分析.仿真结果显示:计数器的力与位移的传递率明显减小,隔振后计数器承受的冲击加速度小于光电传感器规定的抗振度,达到隔振指标.

汽车操纵稳定性试验仿真分析研究

随着汽车技术的飞速发展和道路条件的不断改善,车辆行驶速度大幅度提高,汽车的安全性能倍受重视,与汽车主动安全性能密切相关的操纵稳定性的研究日渐重要。传统的研究方法主要采用实车试验法,不仅需要耗费巨大成本,而且有些试验因其危险性而难以进行。近十多年来,由于计算机技术的飞速发展及对汽车动力学模型和轮胎模型的精确构建,以计算机仿真技术为手段来研究汽车的操纵稳定性成为必要和可能。文中在二自由度单轨操纵模型的基础上,利用MATLAB对汽车的操纵动力学进行建模、仿真,并以别克1949轿车和法拉利运动型跑车为例进行性能对比分析,得出了对比图形和分析结果。

薄壁筒车削颤振稳定性预测

切削颤振是制约薄壁筒工件加工质量和效率的主要因素之一。采用半离散法对含有时滞项的动力学方程进行稳定性预测分析,结合薄壁筒工件切削振动试验,研究刀具、工件动力学参数匹配关系变化对切削加工稳定性的影响。通过仿真分析得出:随着刀具刚度或固有频率的提升,切削系统稳定性呈上升趋势,但过度提升刀具刚度并不会有效提升切削稳定性;在刀具与工件固有频率接近处,切削系统的稳定性较差;适当调整刀具动态特性参数有利于提高柔性工件切削加工的稳定性;切削过程中,时变的切削位置和工件尺寸会引起切削系统动态特性的变化。根据时变稳定性预测图,从稳定性分析角度解释了一次走刀切削试验中薄壁筒工件表面出现不同加工形貌的原因。

一种非线性MIMO系统实验装置建模与LQR控制

为解决一种复杂非线性多输入多输出系统的控制器设计问题,对两自由度直升机模型的实时控制方法进行了研究。在详细分析力学和运动学的基础上,利用拉格朗日方法,比较准确地求得了系统的非线性动力学方程。经局部线性化后,设计了线性二次型最优控制器和前馈控制器。仿真和实际测试结果表明,数学模型和控制器设计正确,整个控制系统运行良好。

不同截面形状柱体流致振动的CFD数值模拟

利用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟Re=200时不同截面形状弹性支撑柱体的流致振动现象。柱体运动简化为质量-弹簧-阻尼系统。柱体周围流场采用Fluent求解,将Newmark-β方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解振动方程,柱体与流场间的非线性耦合作用通过动网格技术来实现。研究不同截面形状对柱体振动形式的影响,圆柱和六边形柱在整个频率比变化范围内始终表现为涡激振动,而方柱和三角形柱随频率比的增大则发生由驰振向涡激振动的转化,捕捉到转化的临界频率比。考虑了流向振动对横向振动的影响,得到了两自由度模型柱体的质心运动轨迹,结果表明柱体以横向振动为主。分析了气动力系数、位移特征值和尾流区涡结构随频率比的变化,获得"拍"和"相位开关"等重要现象,验证了该文数值模拟方法的正确性。

柴油机瞬时转速的建模及仿真研究

通过利用等效圆盘等效轴法建立了两自由度的柴油机瞬时转速模型,并对其进行了仿真计算,由此得到了柴油机空车不同转速下和柴油机转速为1500r/min、不同负荷工况下的仿真结果,较为精确地揭示了瞬时转速的变化规律,为利用瞬时转速对柴油机进行状态监测以及故障诊断提供理论上的基础。

基础隔震结构直接基于位移设计的一体化抗震设计方法

为更加合理地进行基础隔震结构的抗震设计,以使用铅芯橡胶隔震支座(LRB)的基础隔震结构作为研究对象,提出了基础隔震结构直接基于位移设计(DDBD)的一体化抗震设计方法。对于给定地震水准下预先设定的性能目标(即LRB隔震系统最大水平变形和上部结构最大层间位移角),通过所提出的一体化抗震设计方法可以确定LRB隔震系统的力学性能参数并进行上部结构的结构设计。在该一体化抗震设计方法中,首先采用标准的DDBD方法并根据上部结构的目标位移曲线将上部结构等效为一个线性单自由度体系,从而将基础隔震结构等效为两自由度(2DOF)模型;然后通过LRB隔震系统的等效线性化和振型分解反应谱法,建立等效2DOF模型中隔震层和上部结构的位移反应与结构参数之间的解析表达式;基于该解析表达式,结合标准的DDBD方法提出了基础隔震结构直接基于位移设计的一体化抗震设计方法及流程。以一榀典型的钢筋混凝土基础隔震框架结构为算例,给出了使用一体化抗震设计方法的设计步骤和结果,并对所设计的基础隔震结构进行非线性时程分析。时程分析结果证实了该一体化抗震设计方法的有效性,该方法也适用于使用不同类型隔震系统的基础隔震结构。