一种新型SEA结构设计及弹性单元优化研究

为了满足康复机器人肘关节运动要求,采用一种应用于串联弹性执行器(Series Elastic Actuator,SEA)的双节点对称螺旋波纹结构弹性单元,将储能比作为优化标准,在相同质量前提下能达到最大储能比,可以更好地吸收机械手臂的振动、保证患者的安全。首先,对SEA进行三维建模;其次,利用有限元软件对转矩弹簧进行仿真分析,得到该弹性单元的安全系数为2.37;最后,加工出实物。实验表明,该弹性单元储能比可达9.63 J/kg,实测刚度kr=264.04 N·m/rad,与模拟刚度的误差为6.86%,且弹性单元的扭转角与转矩呈线性关系,可用于机械手臂柔性连接,为进一步优化机器人打下基础,同时也为解决此类问题提供了一种技术验证手段。

低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究

建立了L4/L5段人体腰椎关节的非线性多孔弹性单元有限元模型,并对该模型进行了轴向静力(0Hz)和低频(0.01 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz)振动作用各1小时的仿真研究,对比了在不同频率振动作用下人体脊椎组织的多孔弹性单元力学特性。结果表明:在相同振幅和时间内,与低频(0.01Hz、0.1Hz)相比,相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)作用下的椎间盘组织产生的轴向位移较大,髓核和纤维环的孔压应力均呈现逐渐上升的趋势;与此同时,髓核的有效应力逐渐增加,而纤维环的有效应力却逐渐减少;在相对较低频率(0.01Hz、0.1Hz)作用下的各项力学特性指标与静力作用下的相比,差值均在3%以下;加载时间超过600s后,振动频率的增加更容易使椎间盘轴向位移增大;相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)振动作用下髓核和纤维环内的孔压值逐渐升高,而静力压缩和相对较低频率(0.01 Hz、0.1 Hz)振动作用下孔压值却逐渐降低;不断增加的孔压应力使椎间盘内的体液流失速率变大,导致椎间盘退化。

高速铁路扣件弹性单元体温频变特性试验研究

随着动车组速度的提高,对轨道线路条件提出了更高的要求,文章结合实际服役状况,对轨道结构起主要减振作用的高速铁路扣件弹性单元体的温频变特性进行了研究。结果表明:1)W300和WJ-7扣件弹性单元体均有良好的减振性能,且前者的减振性能优于后者。2)2种扣件弹性单元体均有显著的低温敏感性,且对高温不敏感。在-60°C时,2种扣件弹性单元体的静刚度值较常温时均有显著增加,并且已经严重超出国家铁路行业标准设计限制。3)频率是扣件弹性单元体刚度特性变化的重要影响因子。随着频率的升高,2种扣件弹性单元体的动态刚度均有不同程度的增加,尤其是高频部分,增加更为显著。4)低温和高频同时作用下,扣件弹性单元体的动态刚度变化最大。因此,实际服役中扣件弹性单元体的刚度是变化的。

有限元中弹性连接单元的刚度矩阵

针对常用有限元软件中弹性连接单元的刚度矩阵开展研究。类似普通梁单元刚度矩阵的分析方法,将弹性连接单元的空间受力状态分解为伸缩、弯曲和扭转三种独立的模式进行分析,并提出两种方式推导弯曲受力模式下的刚度矩阵。对于弯曲受力状态下的刚度矩阵,明确了MIDAS中弹性连接单元输入参数包括弯曲和剪切刚度系数、弹性连接长度和剪切距离比R在刚度矩阵中的表现形式,给出了其刚度矩阵的理论表达式;阐明了剪切距离比R的力学意义,即用以考虑弹性支承两端因剪力传递的弯矩,其对结构的影响只体现在杆端位移结果中,杆端力始终满足静力平衡条件而不受R的影响,并且在R取0.5时,MIDAS中弹性连接的单元刚度矩阵与普通欧拉梁单元的刚度矩阵最为接近。同时通过分析对比,明确了ANSYS和ABAQUS中弹性连接单元的弯剪效应是独立的,这与MIDAS中弹性连接单元在不考虑剪切距离比R时的特性一致。研究成果既有助于理解弹性连接单元刚度矩阵,又为其工程应用提供了参考。

粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究

本文引用一致粘弹性边界的概念,推导了与一致粘弹性边界等效的粘弹性边界单元,得到了粘弹性边界单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对比粘弹性边界单元阻尼系数不同取值的计算精度,给出了阻尼系数推荐取值。在输入地震动时,采用一种基于局部人工边界的子结构输入方法,实现了和波动法相同的输入效果,并且避免了复杂的应力计算和荷载作用方向判断等问题,应用更加方便。采用自由场的算例,比较了人工边界和不同输入方式的组合在SV波垂直入射时的模拟精度。为了说明边界单元的变形对计算结果的影响,提出了使用底边界输入位移幅值u max和边界单元宽度b的比值ε=u max/b作为变形指标,调节边界单元边长尺寸。通过算例给出了ε的推荐取值。最后,选取合适的ε后建立一个圆形孔洞散射场地模型,对散射场地模型的模拟结果验证了粘弹性边界单元和子结构输入方式应用于散射场地时仍具有较高精度。

区间B样条小波平面弹性及Mindlin板单元构造研究

基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,构造了一类用于分析弹性力学平面问题和中厚板问题的C0型区间B样条小波板单元。在二维小波单元的构造过程中,传统多项式插值被二维区间B样条小波尺度函数取代,进而构造形状函数和单元。与小波Galerkin方法不同,本文构造的区间B样条小波单元通过转换矩阵将无明确物理意义的小波插值系数转换到物理空间。区间B样条小波单元同时具有传统有限元和B样条函数数值逼近精度高及多种用于结构分析的基函数的优点。数值算例表明:与传统有限元和解析解相比,本文构造的二维小波单元具有求解精度高,单元数量和自由度少等优点。

基于ABAQUS的粘弹性边界单元及在重力坝抗震分析中的应用

考虑了2种不同的地震输入模型,即无质量地基模型和考虑辐射阻尼的粘弹性边界模型。以大型非线性有限元程序ABAQUS为平台,采用FORTRAN语言开发了用户单元子程序VSB_UEL.for,将粘弹性边界有效地嵌入到ABAQUS中。在尽量避免求解自由场的前提下,将离散的地震荷载转化为等效结点荷载,编写的计算程序可以方便地将等效荷载施加到人工边界结点上,并通过数值算例验证了粘弹性边界单元及波动输入程序的正确性,其求解效率和计算精度均令人满意,最后将该程序应用到在建的某水电站厂房坝段的抗震分析中。结果表明,与传统的固定边界无质量地基相比,考虑了粘弹性人工边界后,坝体的动力响应峰值减小了20%~40%;在进行结构动力响应分析时,考虑无限域地基的辐射阻尼影响是很有必要的。文中的用户子程序及波动输入程序很容易扩展至三维,为同类工程的抗震分析提供了简洁、合理的计算模式。

基于ABAQUS的三维粘弹性边界单元及地震动输入方法研究

基于大型通用有限元软件ABAQUS,利用FORTRAN语言编写了适用于粘弹性人工边界的外源波动输入子程序SDAB.FOR.该子程序包含粘弹性边界和加载两部分,粘弹性边界通过子程序UEL结合隐式积分算法定义粘弹性边界单元对整个系统的雅克比矩阵贡献来实现;人工边界上的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场与局部场地效应引起的散射场,地震波作用于人工边界的自由场荷载可由设计地震动位移时程和速度时程统一表达,利用描述法向荷载和切向荷载的加载子程序DSLOAD、UTRACLOAD实现,从而可方便实现地震动的有效输入,避免了单独求解自由场.将考虑粘弹性边界条件的外源波动输入和内源地震动输入方法分别应用于某高拱坝的动力响应分析,并与常规无质量地基模型计算结果进行了对比,结果表明,考虑地基辐射阻尼的两种地震动输入方法均会显著降低结构的动力响应,其中采用外源波动输入方法的降幅更大.

基于UPFs的三维紧支粘弹性边界单元

基于三维粘弹性人工边界理论,推导建立了类似于普通有限单元而具有粘弹性人工边界特性的三维紧支粘弹性边界单元,并结合UPFs二次开发的特点成功嵌入通用有限元软件ANSYS中。通过Lamb表面源问题和内源问题算例,对上述建立的单元进行了验证,计算结果表明,该单元具有与等效弹簧-阻尼器单元相同的精度和稳定性,并且使用更为简便,可操作性更强,同时基于ANSYS强大的开发平台和非线性计算能力,尚可开展其他特殊用途单元的二次开发。

弹性单元圆周阵列布置的被动顺应装置刚度性能分析与优化

推导了弹性单元圆周阵列布置的被动顺应装置机构刚度分析模型,分别采用金属梁单元和ESP弹性单元计算了顺应装置在不同铰链连接形式下的刚度性能,通过对不同弹性单元顺应装置刚度性能的比较,最终选取了U副连接的ESP单元作为可变远中心顺应装置的弹性单元,分析了该装置的刚度性能,并采用基于交叉遗传的多目标粒子群优化算法对该装置进行尺寸优化,提高了其顺应性能。

单元弹性下蛛网理论模型的建立与证明

通过对微观经济学蛛网理论的供求动态分析 ,建立了其单元弹性下的模型 ,并给出了严格的证明 。

单元需求价格弹性悖论

单元需求价格弹性悖论方世建，胡达沙弹性理论是经济学中重要理论之一，在企业的实际经营决策中也有着广泛的应用。人们所熟悉的“薄利多销”原理就是以弹性理论为基础的。所谓需求的价格弹性，是指与１％的价格波动相对应的商品购买量变化的百分比。需求单元弹性表示价格...

采用粘弹性人工边界单元时显式算法稳定性分析

在土-结构地震反应或近场地震波动问题的分析中,常采用粘弹性人工边界单元将无限域问题转化为近场有限域问题进行计算。由于粘弹性人工边界单元的材料参数和单元尺寸与内部介质单元不同,采用显式时域逐步积分算法时,人工边界区与内部系统的数值稳定条件存在差异,但目前尚未有针对性的分析方法和研究成果,影响了显式数值稳定条件的确定和稳定积分时间步长的正确选取。针对二维粘弹性人工边界单元,该文提出一种分析显式时域逐步积分算法稳定性的方法:建立可代表人工边界区域特征的,包含人工边界单元的若干局部子系统,对各子系统的传递矩阵进行分析,给出采用显式时域逐步积分算法时各子系统的稳定条件解析解。通过对各子系统的稳定条件进行对比分析,获得了采用粘弹性人工边界单元时,显式时域逐步积分算法的统一稳定性条件。当内部介质区也满足该稳定条件时,这一条件成为使整体系统数值计算稳定的充分条件,可用于指导数值分析中离散时间步长的选取。

采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的改善研究

黏弹性人工边界单元是目前常用的处理半无限空间波动问题的数值模拟方法,可有效吸收计算区域内产生的外行波动.黏弹性人工边界单元具有与内部介质不同的质量密度、刚度和阻尼,受其影响,对整体模型进行显式时域逐步积分时,在边界区域易发生失稳现象,影响整体系统显式积分的计算效率.针对该问题目前尚无行之有效的解决方法.本文针对二维黏弹性人工边界单元,建立可代表整体系统典型特征的侧边子系统和角点子系统,利用传递矩阵谱半径分析方法,基于传统中心差分格式,推导得到局部子系统稳定性条件的解析解.在此基础上通过研究解析解中各物理参数对稳定性条件的影响,给出通过增加人工边界单元的质量密度,以改善采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的方法.均匀和成层半空间波动问题算例分析表明,将内部单元质量密度设置为人工边界单元质量密度的上限,可以在保证黏弹性人工边界计算精度的前提下,有效改善整体系统显式时域逐步积分的数值稳定性,大幅提高计算效率.

弹性蛋白收缩单元在胸主动脉夹层发病机制中的研究进展

主动脉壁的中膜层由平滑肌细胞(smooth muscle cell,SMC)和弹性纤维交替组成,其对于主动脉弹性和强度至关重要。中膜SMC中的弹性蛋白收缩单元起着连接细胞外的弹性纤维和细胞内的收缩骨架的作用。此弹性收缩单元中的编码结构或者功能蛋白的基因发生突变会导致胸主动脉瘤或夹层。其中编码弹性蛋白纤维和弹性微纤维的基因有FBN1、MFAP5、ELN、FBLN4;编码弹性蛋白收缩单元的基因有ACTA2和MYH11。ACTA2基因编码平滑肌特异的α肌动蛋白;MYH11基因编码SMC特异肌球蛋白重链;而MYLK与PRKG1一起共同编码控制SMC收缩的激酶;FLNA基因编码连接收缩丝和整合素受体的蛋白质,当这些相关基因发生突变时,都将增加发生胸主动脉疾病的倾向性。综上,功能性SMC弹性蛋白收缩单元对于维持主动脉结构的完整性有着重要作用。

基于最优化理论的称重传感系统弹性元体结构优化

弹性敏感元体是测力系统的核心结构,为进一步提高称重传感器敏感性,降低测量误差,首先对圆形、正六角形、正八角形、正十角形、正十二角形5种元件结构进行了力学特性分析,进而确定了以圆环结构为研究对象;其次建立了模型的参数化模型,采用中心复合设计方法生成了28个样本点,并对样本数据进行了多元二次回归拟合,拟合结果表明方程显著性较高,拟合度良好,可以用于预测结构的应变量;最后采用最优化理论结合多目标遗传算法对模型进行优化,经优化共得到3个候选点,经对比选择候选点3做为最优解,此时参数P_(1)=5.117 mm,P_(2)=44.355 mm,P_(3)=19.887 mm,P_(4)=50.047 mm,P_(5)=10.407 mm,结构最大应变差为0.004 845,结构测量敏感度提高了62.80%,测量误差降低了38.56%。研究结果表明,采用优化设计方法,可以显著提高弹性单元体的测量性能。

一种基于SLM技术的抗冲击弹性阻尼单元

具有高强度和高能量吸收能力的轻质夹芯结构在机械领域具有至关重要的应用.提出了一种基于SLM(激光选区熔化)技术的弹性阻尼单元结构,该结构在受载时可以产生较大的弹性变形,从而在弹性变形阶段吸收大量的能量.根据SLM工艺特征,设计了弹性阻尼单元的结构和布局,并研究了其可制造约束条件.最后,采用SLM技术加工了三组具有不同结构参数的弹性阻尼单元和与其具有相同高度的Kagome结构,并进行了压缩试验.根据试验结果分析了单元结构参数对其承载性能和能量吸收能力的影响,并对比了弹性阻尼单元和Kagome结构性能的差异.试验结果表明,弹性阻尼单元强度和能量吸收能力优于Kagome结构.且参数为a=2.2mm,m=3.1mm,n=4.6mm弹性阻尼单元,在相同的质量下,强度比Kagome结构高约36.11%,在破坏时吸收能量比Kagome结构高约26.83%,弹性变形时吸收能量比Kagome结构高约39.1%.

新工科视角下拔尖人才培养的探索与实践——以弹性力学有限单元法理论及工程应用课程为例

新工科将培养适应新时代快速发展要求的现代化工程拔尖人才作为核心目标之一。文章立足工程创新人才观,对有限单元法课进行了一系列深刻的改革:重构有限元法教学内容分布,完善人才培养载体;运用"工程项目驱动教学法"优化培养途径,加强人才工程设计、工程实践、自主学习、合作沟通及集成创新等能力的培养;采取多元化课程考核模式改进学业评价,完善教学过程。实践结果表明,理论与工程实践同步且有机结合,不仅有助于深刻理解后续专业领域的理论,而且能激发学生的探究欲,提高学生的工程意识和解决问题的能力,为培养行业拔尖人才奠定坚实的基础。

泰州长江大桥钢箱梁弹性索锚腹板单元制作技术

泰州长江大桥是国内也是世界上首次建造千米级跨度的三塔悬索桥,其中中塔和主梁采用全钢结构,主梁在中塔处设纵向弹性索约束是该桥的亮点之一,弹性索锚腹板单元结构复杂,制作难度大。通过对制作难点的分析,对焊接接头形式进行了优化,并对制作工艺及效果等给予阐述。

弹性梁单元惯性激励力的精确表达式

将惯性力作为作用于构件上的体积力，在处理方法上将惯性力作为作用于构件上的分布载荷求得节点载荷，推导出了弹性梁单元惯性激励力的精确表达式。