复合梁结构的加速度传感器振动特性分析

随着微传感器的发展,谐振式加速度计以稳定性好和检测精度高,成为当前的一个研究热点。谐振器作为加速度计的核心敏感元件,其良好的力学特性对加速度计的工作状况具有重要影响。针对加速度计谐振器设计了一种复合多梁结构,通过控制边界条件对其关键结构参数、加速度计谐振频率和灵敏度影响进行理论分析,结合实际工作环境,运用ANSYS对其模型进行仿真验证,分析关键结构参数对其谐振频率与灵敏度的影响规律,研究结果表明:随梁宽度和梁高度增加,传感器轴向振动固有频率均增加;随梁长度增加,轴向振动固有频率减小;与梁间距无关;此外,随梁宽度和梁厚度增加,传感器灵敏度均降低,其灵敏度与谐振梁长无关,为后续提高加速度计灵敏度提供要点参考。

复合梁结构小型六维力传感器的优化设计

文中设计了一种三横梁与三竖梁复合的六维力传感器弹性体结构,使其外径缩小至40 mm,整个传感器装配完成后外径为45 mm。首先基于有限元技术分析了其在各种载荷条件下的应变分布,根据应变分布特性,设计了传感器的惠斯登电桥方案,推导了每个方向的输出电压公式。在此基础上,基于Box-Behnken响应面法开展弹性体结构的优化,以弹性体上应变片贴片位置的平均应变作为优化目标,通过多目标遗传算法得到最优设计参数,F_(x)、F_(y)、F_(z)、M_(x)、M_(y)、M_(z) 6个方向的平均应变分别是优化前的1.5833、1.5632、1.7338、1.5113、1.5109、2.171倍。进行样机制作,完成标定实验,使用最小二乘法求得解耦矩阵,通过解耦矩阵求得传感器的Ι类误差分别为0.18%、0.42%、0.41%、0.05%、0.49%、0.6%,ΙΙ类误差最大值为1.665%,精度高,维间耦合小,验证了该结构的可行性。

复合梁的热荷载影响及其应变响应研究

为研究复合粱的热荷载影响及其应变响应,在露天场地上浇筑了一根特殊结构的混凝土-钢组合梁试验梁,使用温度和应变传感器观察其长期热响应,并分析了复合梁在开场热荷载作用下的热行为。在两个月的寒冷季节测量中,梁内的最大温差为13.3℃,最大净拉和压热应变分别为40和110微应变。

钢筋和FRP筋混合配筋ECC-混凝土复合梁受弯性能试验研究

为研究钢筋和FRP筋混合配筋ECC-混凝土复合梁受弯性能,制作了4组不同配筋类型的混凝土梁共16根进行受弯性能试验研究,每组为4根不同ECC替代高度试件。研究了配筋类型(钢筋和FRP筋各一组,钢筋和FRP筋混合配筋2组)和截面类型(混凝土梁、ECC-混凝土复合梁和ECC梁)对承载能力、变形、裂缝和破坏形态的影响。结果表明,ECC与混凝土具有良好的粘结性能;用受拉性能好的ECC替代混凝土以及采用混合配筋提高梁在弯曲荷载作用下抵抗变形和裂缝发展的能力,且抵抗能力随着ECC高度替代率和配筋截面含钢率的提高而增大;ECC基体中纤维具有良好的桥接作用,可实现ECC梁弯曲破坏时仅发生基体压碎,不产生崩裂。

基于复合梁结构的压电-电磁能量收集器研究

能量收集器是解决复杂环境下为无线传感器网络节点供能问题的有效方法之一。针对传统收集器的共振频率高、频带窄等缺陷,设计了一种基于复合梁结构的压电-电磁式能量收集器,并进行了动力学分析与实验研究。首先对该结构进行理论模型建模,建立动力学方程,验证了其结构合理性。之后将该结构与其他传统压电结构进行对比研究,分析了收集器的动力学特性以及发电性能,优化结构参数,并进行了实验验证。研究发现通过复合梁与电磁单元的引入,收集器的工作频带得到了拓宽,改善了其发电性能,有效地使得该结构的一阶与二阶共振频率靠近。实验结果表明:负载电阻为10 kΩ、磁铁线圈间距为7 mm时,该复合梁压电电磁结构收集器具有最优的输出特性,其最大输出功率为20.17 mW,有效工作带宽约为13.40 Hz。

刚柔复合梁压电风能采集器的试验测试与分析

为满足弱风时微功率传感监测系统的自供电需求,提出一种由压电梁与其端部柔性梁构成的刚柔复合梁风能采集器,介绍了其结构及原理,并进行了理论分析与试验研究。结果表明,柔性梁厚度h2/长度l2、迎风角α及风速v对风能采集器输出电压Vg都有较大影响,各要素合理匹配可有效地提升发电能力。其它条件确定时,Vg与v（0-9.45m/s）呈较好的线性关系;存在最佳柔性梁长度l＊2和最佳迎风角α＊使输出电压最大（V＊g）,且随h2增加l＊2增加、V＊g降低,h2为0.1 mm/0.2 mm/0.3 mm时l＊2为45 mm/60 mm/150 mm、V＊g为57.6 V/39.2 V/33.6 V;h2对α＊影响不大,h2为0.1mm/0.2 mm/0.3 mm时的α＊均为35°左右。

超高韧性水泥基复合材料增强普通混凝土复合梁弯曲性能试验研究

混凝土结构在施工和使用过程中容易产生各种裂缝,加速自身材料劣化,导致整体结构的耐久性和安全性降低,因此对结构进行加固和补强是十分必要的措施。超高韧性水泥基复合材料UHTCC具有裂缝细密、韧性显著和耐久性优良等特点,若合理应用在混凝土结构中,将会延长原有结构的使用寿命并提高其性能。本文对UHTCC和普通混凝土的粘结效果及影响因素进行了研究,采用UHTCC\普通混凝土复合梁的形式,通过四点弯曲试验进行了初步探讨。文中分析了复合梁的受力过程,研究了不同厚度的UHTCC层对整个复合梁结构抗弯性能的影响,证实了随着UHTCC层厚度的增加,整个结构的弯曲性能和承载能力都得到明显的改善;UHTCC层还起到抑制和分散上层裂缝的作用。

型钢水泥土复合梁中型钢-水泥土相互作用试验研究

在深度不太大的基坑而条件适当时可采用小规格型钢加筋水泥土结构作为挡土墙,但对其破坏模式和刚度仍缺乏深入地研究。与以型钢刚度为主的SMW工法不同,加筋水泥土墙的刚度可能主要依赖于水泥土,型钢主要承担拉应力。打设了6根不同截面高度的模型梁,采用钢板模拟型钢作为加筋,以不同加载方式的水泥土复合梁抗弯试验,分析了试验条件下钢板-水泥土复合梁的破坏机理和抗弯组合强度和抗弯承载力。将复合梁的刚度变化划分为两个阶段,提出了分阶段的特征组合刚度计算方法。当承载力满足足够安全度要求时,建议工程设计时取第一阶段末的特征刚度来计算加筋水泥土挡土墙变形。

应用复合梁单元实现钢管混凝土拱桥的极限承载力分析

进行大跨度钢管混凝土拱桥的极限承载力分析,需要综合考虑几何和材料非线性、混凝土收缩和徐变、温度变化等多种因素的影响。本文从固体力学的基本理论出发,建立适于考虑上述诸多因素的复合梁单元,阐述了基于该单元的钢管混疑土拱桥极限承载力分析程序的实现方法,并通过与一个哑铃形截面钢管混凝土组合式拱肋极限承载力试验结果的对比验证了其可行性。

钢板混凝土复合梁在爆炸荷载作用下的损伤评估研究

为满足钢板混凝土复合梁爆炸损伤评估的实际需要,完成了钢板混凝土复合梁与钢筋混凝土梁承载性能的比较试验,研究了两种梁的承载性能与破坏特点,获得了二者的抗力试验曲线、抗弯变形限值及抗力函数。基于钢板混凝土复合梁的等效单自由度运动方程,采用数值求解方法,得出了评估其在爆炸荷载作用下破坏状态的超压-冲量(P-I)等损伤曲线。研究结果表明:钢板混凝土复合梁的承载力、变形限值、临界超压以及临界冲量比钢筋混凝土梁的都要高,前者的抗爆性能更好。

超高韧性水泥基复合材料增强普通混凝土复合梁弯曲性能的理论分析

假定不考虑普通混凝土起裂后粘聚软化对承载力的贡献,理论研究了超高韧性水泥基复合材料UHTCC增强普通混凝土复合梁的弯曲性能。使用三组UHTCC/混凝土复合梁四点弯曲试验数据验证了理论公式,并对UHTCC增强层厚度、混凝土抗压强度以及UHTCC的拉应力应变控制参数对复合梁弯曲承载力和最小UHTCC层厚度的影响进行了分析。结果表明,最小UHTCC层厚度与梁高的比值不随梁高的增加而变化,在复合梁几何尺寸及UHTCC性能保持不变的情况下,随着混凝土抗压强度的增加,UHTCC层的最小厚度增加,且发生受压破坏的复合梁的极限承载力亦增加;在复合梁几何尺寸及混凝土强度相同条件下,UHTCC材料开裂后的刚度和强度对UHTCC层最小厚度影响比较显著,应变能力对承载力-梁底拉应变曲线没有影响,复合梁的承载力随着开裂强度和极限强度的增加而增大。

后浇UHTCC既有混凝土复合梁弯曲疲劳性能试验研究

为研究疲劳荷载作用下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)对混凝土的增强作用,将UHTCC外浇层作为保护层,对既有着混凝土梁体一侧浇注UHTCC而制成的UHTCC/混凝土复合梁(UC复合梁)进行三点弯曲疲劳加载试验.实验结果表明:在疲劳荷载作用下,UC梁截面变形符合平截面假定;UHTCC层产生若干条可见裂缝,其数目随应力水平的下降而减少,混凝土层裂缝数目为1～3;复合梁随荷载循环的疲劳变形曲线表现出延性特征,呈现三阶段发展,变形能力随应力水平的下降而降低;在高周疲劳情况下,复合梁S-N双对数疲劳曲线线性良好.由此表明,利用超高韧性水泥基复合材料作为保护层能分散既有混凝土的表面裂缝,提高复合梁的变形能力和寿命.

变阻尼层复合梁式动力吸振器性能研究

为了有效降低弹性结构的振动响应,提出了新型变阻尼层复合梁式动力吸振器结构形式。以典型弹性薄板为控制对象,基于导纳功率流方法建立了多个复合梁在多个点与板耦合的振动模型,进行了吸振的理论及实验研究。通过对单个复合梁吸振效果的仿真分析,验证了变截面复合梁式动力吸振器具有吸振频带宽、吸振效果好的优点,并形成了一种确定复合梁参数的方法。进而对多个复合梁组合吸振效果进行了研究,理论与实验结果一致表明:在同一点安装多个不同吸振频率的复合梁进行组合吸振,可以拓展吸振器的吸振频带;在相近的多个位置分别安装复合梁进行组合吸振,其吸振效果可近似等效为各单个吸振器吸振效果的线性叠加;多个复合梁对弹性薄板进行组合吸振,效果明显。从而说明了新型变阻尼复合梁式动力吸振器用于弹性结构的有效性和可行性,也表明了变阻尼复合梁式动力吸振器具有可扩展性强的特点。

复合梁加速度计的设计

为了解决现有侵彻环境下高g加速度传感器因过载失效的问题,提出了一种复合梁双框架结构的高g压阻加速度计。对复合梁结构和传统结构的频率、应力、位移进行了分析和比较,复合梁加速度计具有更宽的频率响应范围和更好的抗冲击性能。根据设计的结构对复合梁加速度计的加工工艺进行了研究,为进一步的结构设计优化以及后续的加工提供了有价值的参考依据。

钢板-CRRPC-TPO复合梁弯拉受力非线性分析

为解决大跨径钢桥面铺装面临的疲劳开裂和铺装易损等难题,提出钢桥面CRRPC-TPO超高性能轻型组合桥面铺装体系。考虑TPO,RPC及钢材的非线性本构关系,对新结构复合梁进行弯拉非线性仿真模拟,得到复合梁的初裂点、钢材屈服点以及复合梁破坏点的荷载和结构变形。研究结果表明:荷载-挠度曲线理论计算能够较好地反映钢板-CRRPC-TPO新型组合结构体系的受力特点及变形性能,特征点荷载误差为3.2%~3.9%,挠度误差为5.7%~8.7%;复合梁数值计算的初裂荷载及极限荷载均比试验结果略小,运用本文编制的数值计算程序进行工程设计偏于安全。

电流变体-砂浆复合梁结构的振动特性研究

利用电流变体作为驱动元件与基体砂浆材料结合制成智能悬臂梁结构,调节施加在电流变体上的电压,用锤击法瞬态击振测定其在不同电场强度下的自振频率,对频率随电场强度的变化规律进行了研究。实验结果表明电流变片埋置位置对复合梁的整体振动特性的影响比较大。

变阻尼层复合梁动力特性的优化分析

为了提高变截面梁的优化分析效率,节省计算时间,利用微分变换方法计算量小、效率高的特点,分析了各种参数改变对复合阻尼梁动力特性的影响。分析结果表明:增加梁的长度、降低阻尼材料的杨氏模量和基底层厚度,可以降低复合结构的模态频率;增加阻尼层厚度、降低基底梁厚度、增加阻尼层材料的杨氏模量或损耗因子,可以提高变阻尼层复合梁的模态损耗因子。

钢筋ECC/混凝土复合梁斜截面受剪性能试验研究

基于钢筋ECC/混凝土复合梁的三点弯曲加载试验,主要研究剪跨比、ECC层厚度和配箍率对复合梁受剪性能的影响,研究结果表明,与RC梁相比,当采用同体积同强度的ECC材料替换梁中部分混凝土,复合梁的极限承载力与抗剪延性均明显提高;ECC层的存在还可有效抑制复合梁斜裂缝的开展,并延缓梁内箍筋屈服,且随着ECC层厚度的增大,复合梁的承载力和延性越大;剪跨比依然是决定复合梁破坏形态的关键因素,由于PVA纤维的桥接承拉作用,配箍率较大且ECC层较厚的复合梁,发生剪压破坏时其箍筋更不易屈服。

PVA纤维掺量对钢筋HPFRCC/混凝土复合梁受弯性能的影响

为改善普通钢筋混凝土梁易开裂的缺点,可将受拉区部分混凝土采用同体积的HPFRCC替代形成HPFRCC/混凝土复合梁。基于复合梁的正截面弯曲性能试验,主要研究PVA纤维体积掺量对复合梁受弯性能的影响,研究结果表明,受拉区HPFRCC层的存在,可有效分散裂缝且抑制裂缝的扩展,复合梁的裂缝呈"根系状"分布形态,且随着HPFRCC层内纤维掺量的增加,裂缝变得更加细密;开裂后,PVA纤维的桥接承拉作用使复合梁中受拉钢筋与压区混凝土的应变增长较为迟缓;与普通混凝土梁相比,复合梁的初裂荷载、屈服荷载与极限荷载均有不同程度的提高且开裂荷载的提高幅度最为明显。

形状记忆合金复合梁的振动特性

针对复合梁的振动特性问题,利用已有的形状记忆合金(SMA)细观力学本构模型、复合材料力学和振动理论,推导了嵌入SMA的复合梁内SMA的恢复力公式,建立了描述该复合梁的应力、应变及温度间关系的力学本构方程和其固有频率和温度间关系的频率方程.应用SMA的恢复力公式、复合梁力学本构方程及频率方程研究了嵌入SMA复合梁的固有频率与温度间的关系和SMA体积分数对固有频率的影响.数值结果表明,利用SMA能有效实现对梁振动行为的主动控制,可以为利用SMA实现结构智能控制等方面的研究提供参考和借鉴.