高灵敏度柔性多层等强度梁式力/位移传感器设计及传感理论研究

针对目前柔性传感器大多数结构为薄膜形式,不利于法向集中力与位移同时测量的问题,设计并制备了一种基于多层离子皮肤(柔性电容传感片)的等强度梁式传感器.该触觉传感器由多层离子皮肤和等强度梁构成.当梁的自由端接触被测物时,传感器可以将力或位移转化为输出的电容信号来进行法向接触力或位移的测量.建立了传感器电容变化量与梁自由端力/位移关系的传感理论模型,并通过力/位移加载试验对传感理论模型进行验证.试验结果表明,传感器的传感理论模型与试验结果吻合较好,当传感器具有四层结构时,对力/位移测量的灵敏度分别为1.855 mN/pF和0.694 mm/pF.所能测得最小力为0.02 mN,最小位移为0.01 mm,同时该传感器表现出良好线性度(R2=0.994).该传感理论模型可为此类传感器的设计提供理论依据,在柔性机器和医疗健康检测等领域具有良好的应用前景.

旋压技术在等强度钢制车轮制造中的应用

等钢制车轮是利用对车轮截面几何尺寸进行改善获得的,将等截面结构优化为变截面结构,可以增加应力大部位截面的厚度,应力比较小的部位截面厚度较小没有内胎车轮,其优势在于:自身的质量比较轻、具有比较高的安全性和强度,基于此,此类型的车轮在应用中具有比较好的空间,对于截面结构从等截面结构优化变截面结构,一般采取旋压技术。旋压技术的应用,为车轮的大规模生产供给安全和可靠的制造工艺保障。本文介绍了旋压技术的原理以及分类,并对等强度车轮旋压成形对旋压机的要求、等强度车轮对旋压工艺的要求进行了分析,重点阐述了在等强度钢制车轮制造中采取旋压技术的过程、成效以及未来发展的情况。以此更好的对旋压技术进行应用,在汽车制造领域中获得较好的应用效果。

高灵敏度柔性多层等强度梁式力传感器的设计

阐述设计并制备的一种柔性多层等强度梁式传感器,通过力移加载试验对传感器电容变化量与梁自由端力进行测试,传感器对力的灵敏度最高为1.855mN/pF,具有高灵敏度与线性度。

等强度正交梁的二维湍流传感器

针对基于压电效应研制的一维剪切湍流传感器容易受到外界干扰,仅能实现对湍流未知演化阶段、单垂线通路进行一维观测的缺点,以及对边界层产生的湍流各向异性特性有观测局限性问题,提出了基于等强度正交十字梁结构的二维湍流传感器,解决了一维剪切传感器不能同时感知水平和垂向速度脉动的现状,实现了二维矢量、高空间分辨率的湍流探测。湖试实验结果表明,设计的二维湍流传感器0.7 m/s的流速下灵敏度系数达到了1.916×10^(-5)~2.668×10^(-5)Vms^(2)/kg,可以测量湍流并能够获得10^(-8)数量级的低动能湍流耗散率。

等强度梁理论下的多截面独立并行优化研究

等强度梁的优化设计方法是汽车轻量化和性能设计的关键技术之一,开发等强度梁的多截面独立并行优化算法对底盘零部件的高效轻量化设计具有重要意义。基于Abaqus软件二次开发平台,将理论模型与有限元仿真相结合,开发了新型等强度梁多截面独立并行优化算法,该算法在理论上对梁各个截面进行满应力优化设计,并通过有限元仿真对理论力学模型进行连续迭代修正构建等强度梁结构。将开发的多截面独立并行优化算法应用于车桥桥壳的轻量化设计中,结果显示:桥壳降重10.41%,最大应力降低10.64%。随后借助该算法对含多变量的截面形状进行了优化研究,证明了所建多截面独立并行优化算法具有较好的鲁棒性和稳定性,可应用于任意截面形状的等强度梁优化研究。

基于等强度设计原则的车载氧舱加强筋合理化设计

对方形车载氧舱的加强筋合理设计问题进行研究,提出了基于极限分析的等强度设计方法,即根据极限载荷分析确定强度薄弱区域并设置加强筋,不断重复直至结构满足强度要求。结果表明,和根据工程经验设计的原氧舱加强筋相比,按此方法设置的加强筋重量减少27.64%时,车载氧舱极限载荷值大于工作压力对应的许用极限载荷值,满足了氧舱结构承载要求。研究也表明:在薄壁结构上依据等强度原则逐渐设置和优化加强筋的方法既可以满足强度要求,又能较大程度地减轻加强筋重量,在工程上是可行且合理的。

等强度条件下碱激发高炉镍渣混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土的性能对比

分别以NaOH和水玻璃为激发剂,制备了碱激发高炉镍渣混凝土,在碱激发高炉镍渣混凝土的7 d抗压强度与普通硅酸盐水泥混凝土的28 d抗压强度基本相等的条件下,对比了碱激发高炉镍渣混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土的后期(90 d)力学性能、孔结构发展规律和抗氯离子渗透性能的差异。结果表明:碱激发高炉镍渣混凝土的早期(7 d前)强度发展迅速,其中,NaOH激发高炉镍渣混凝土28 d后的强度发展相对缓慢;等强度条件下,碱激发高炉镍渣混凝土的后期抗压强度和劈裂抗拉强度、孔结构和抗氯离子渗透性能均优于普通硅酸盐水泥混凝土,其中,水玻璃激发高炉镍渣混凝土的各项性能最好。

基于Hyperworks二次开发的液压支架等强度设计

针对液压支架应力分布不均衡、支架大部分板件的强度都没有达到屈服极限等问题,提出基于Hyperworks二次开发的液压支架等强度设计方法。以典型单元的应力强度比标准差最小为优化目标,对液压支架进行多工况尺寸优化设计和疲劳寿命验算,使其在满足液压支架设计准则的前提下,对原有的模型进行等强设计。结果表明,优化后液压支架主结构件在同种工况下应力分布更加均匀,同时提高了液压支架的疲劳寿命,为液压支架的设计研究提供理论和数据支撑。

等强度梁弯曲特性分析

等强度梁在工程上应用广泛,探讨其振动特性具有重要意义。由于等强度梁的变截面特性,无法求解振动频率和模态的精确解。采用假设模态法、有限元仿真和实验测试的方法,求解了等强度悬臂梁弯曲振动特性,并对3种方法和结果进行了对比,研究表明等强度梁振动模态与等截面悬臂梁模态形状一致。

复合材料气瓶等强度设计方法

针对复合材料气瓶传统设计方法中,气瓶在缠绕极孔处容易发生纤维材料严重堆积,导致材料性能无法充分发挥的问题,提出了复合材料气瓶等强度设计方法。该方法是通过分析确定每层复合材料的极限承载能力点,作为新一层复合材料缠绕的极孔点,逐层迭代后确定缠绕方案,使复合材料气瓶在一定内压工况下,气瓶的应力水平分布均匀,从而实现气瓶各部位强度相等,纤维材料性能充分发挥的目的,提升了复合材料气瓶整体结构效率,降低了气瓶结构质量。

海洋钻井隔水管爱克母等强度悬置螺母强度分析

为了开展美制爱克母螺纹的载荷优化,加快爱克母螺纹牙型的悬置螺母开发与工程应用,以中海油服南海8号钻井平台Shaffer(NOV)公司HFT型石油钻井隔水管主承载螺栓螺母为研究对象,依据相关标准介绍了矮牙爱克母螺纹的牙型特点,给出了基本尺寸计算公式,建立了螺栓、悬置螺母的有限元模型,完成了两种工况的有限元分析,结果表明两种工况下螺栓颈部的应力值极为接近,固定悬置螺母的上平面时螺栓和螺母应力分布更加均匀,载荷优化效果更加明显。该研究成果促进了等强度爱克母螺纹技术的在我国海洋石油钻井水下井控装备、汽车制造、航空航天等高端领域的工程应用。

一种基于等强度梁的光纤光栅高频振动传感器

以光纤光栅为敏感元件,设计了一种基于钢制等强度悬臂梁结构的高频振动传感器,该传感器由光纤光栅粘贴于等强度悬臂梁的表面而实现。运用材料力学原理对该等强度悬臂梁的共振频率和应变特性进行了推导。采用匹配滤波法解调光信号,并进行了传感探头优化设计,使该传感器实现了温度补偿。在不同环境温度下对任意频率的振动进行了测量实验,结果表明这种振动传感器可以实现高频振动信号的检测,实际上限频率达6kHz,测量频率误差小于0.5%,能够实现温度补偿,且集成度高,结构轻便,具有广阔的实用前景。

新型近等强度高阻尼航天载荷隔振器研究

针对某航天载荷,设计出一种新型的具有近等强度、高阻尼、兼顾冲击保护等特点的航天载荷隔振器。考虑到安全性对于航天应用尤为重要,在隔振器支架的设计中引入了等强度理论,将应力集中现象显著降低,与未应用等强度设计的结构相比,安全系数提高了0.4倍。在隔振器阻尼材料的设计中,应用阻尼材料能量耗散理论及Rongong修正模态应变能方法,设计了新颖的梳状剪切型阻尼结构。这种结构使隔振器具有高等效阻尼比。同时,所设计的隔振器等效阻尼比处于最佳冲击衰减性能的范围。最后,通过由30个隔振器组成的隔振系统的正弦扫频与随机振动试验验证了隔振器能有效抑制中低频共振,衰减宽频带上随机振动。

等强度下混凝土组分对徐变性能的影响

采用自制的徐变加载装置,研究了聚乙烯醇(PVA)纤维、双掺粉煤灰和矿渣以及减缩剂对7d等强度混凝土徐变性能的影响规律,结合与混凝土同水胶比浆体的化合结合水量分析了其影响机理。结果表明,混凝土徐变系数发展较快,加载100d左右趋于稳定;减缩剂和双掺矿物掺合料均明显降低了混凝土的徐变系数,以掺减缩剂效果更好,450d值仅为0.63,而PVA纤维增加了徐变系数;混凝土的徐变系数随浆体化学结合水量的增加而降低,60d早龄期浆体水化有利于降低徐变系数,450d后期水化产物对降低混凝土的徐变系数贡献不大。

等强度下混凝土组分对内部相对湿度和自收缩的影响

采用自制的试验装置,研究了聚乙烯醇(PVA)纤维、双掺粉煤灰和矿渣以及减缩剂对7d等强度混凝土早龄期自收缩和内部相对湿度的影响规律和机理以及两者之间的关系。结果表明,减缩剂、双掺矿物掺合料和PVA纤维均明显降低了混凝土的自收缩值,以掺减缩剂效果最佳,自收缩72h(3d)前发展速度很快,可达到672h(28d)的80%以上,但掺减缩剂混凝土自收缩发展速度相对较慢,表现出一定的"滞后效应";各组混凝土试件早龄期内部相对湿度均经历了初期的水汽饱和期和随后的逐渐减少期两个阶段,而掺减缩剂混凝土试件表现出很强的保湿能力;与内部相对湿度相对应,混凝土自收缩也表现出明显的两个阶段,有很好的线性相关性,水汽饱和期所测自收缩主要为化学减缩以及由其引发的少量凝缩,取决于减缩剂、PVA纤维和矿物掺合料对混凝土的保湿能力,减少期自收缩主要为自干燥收缩,由胶凝材料的水化程度和速率所决定。

基于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅低频加速度传感器

由于粘贴于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅受振动质量块驱动而产生应变,一种光纤Bragg光栅低频加速度传感器被研制和定义为基座运动引起的单自由度系统的受迫振动模型。模型计算表明该加速度传感器的固有频率fn为16.96 Hz.固定于激振器的光栅加速度传感器受正弦激励。加入硅油后,光栅加速度传感器的频响范围从原来的3-11Hz增大为3-22 Hz.试验结果表明：当激励振动频率接近系统固有振动频率时,阻尼系统决定了传感器的工作范围。然而,由于悬臂梁的粗端固定在基座上,传感器的频响受限于悬臂梁的固有频率。

变速器行星齿轮机构等强度优化设计

车辆行星齿轮变速器一般采用经验设计方法得到齿轮参数,使用中部分齿轮会因强度低而导致早期损坏,部分齿轮强度过高而使变速器结构体积增大。由此,提出一种优化方法,以变速器各行星排齿轮强度均等和体积最小为综合优化目标,利用行星齿轮装配条件为约束,求解后得到变速器的齿轮参数,利用ROMAX软件对优化后的齿轮进行仿真分析,得到变速器各行星排最大疲劳应力及疲劳寿命。仿真和试验结果表明:与经验设计方法相比,强化了薄弱齿轮的强度,齿轮接触应力由1 118 MPa降至932 MPa;齿轮的强度更加均衡,齿轮接触应力差值由368 MPa降至193 MPa;齿轮疲劳寿命差距缩小,由15 770.2 h降至9 158.8 h;同时变速箱体积减小8.38%,分析结果与优化目标相符。

准等强度原则下压力容器不连续区的优化设计

提出一种压力容器不连续区基于分析设计的准等强度设计原则。以高压球壳接管整体补强锻件为例,建立准等强度原则下的优化数学模型,利用有限元程序ANSYS提供的参数化设计语言APDL及优化模块OPT,进行优化计算,实现压力容器不连续区分析设计意义上的结构优化设计。

单自由度体系等强度残余位移谱研究

残余位移是基于性能抗震设计方法中一个重要的性能参数,其研究逐步得到重视,但是目前还没有简单有效的工程计算方法。该文通过计算不同参数的双折线单自由度(SDOF)体系在120条地震动作用下的残余位移响应,提出残余位移角的概念,分析屈服后刚度比、强度折减系数、周期、场地条件等参数对残余位移角的影响。分析结果表明,屈服后刚度比、周期、场地条件是影响结构震后残余位移率的主要参数,其中以屈服后刚度比的影响最为明显,而强度折减系数对残余位移率的影响不明显。文中还分析了地震动峰值参数(PGA、PGV、PGD)与残余位移率之间的相关性,结果显示地震动峰值参数与残余位移率的相关性随周期的不同而不同,其中以PGV参数与残余位移之间的相关性最好。基于这些研究,给出等强度残余位移谱,并且提出形式简单的拟合公式。

T800HB碳纤维复合材料壳体定量化等强度补强技术

文摘T800HB碳纤维性脆,制备的复合材料壳体易在封头部位低压破坏。为克服传统补强方式给筒段纵向带来的冗余质量,采用等强度补强理念,以Φ150 mm壳体为研究对象,借鉴复合材料壳体应力平衡系数,通过应变分析与试验验证,定量化得出等强度增强所需材料的厚度。研究结果表明,定量化等强度补强技术可行、可靠,制备的T800HB碳纤维壳体的爆破压力均达到设计值,筒段纵向材料强度不再富余,特别对提高大长径比壳体的PV/W值有积极作用。