主从遥操作手术机器人的主手附加位移补偿

为减小遥操作中主操作手附加位移对手术精度的影响,采用拉格朗日方程和Coulomb+Viscous组合摩擦模型建立了主操作手动力学模型,分析附加位移产生的原因,提出主操作手附加位移的补偿策略,采用质量-弹簧-阻尼模型来模拟遥操作过程中人体手臂的反应、主操作手的响应以及它们之间的交互关系,建立附加位移补偿模型。实验验证结果表明:该补偿策略将主操作手运动中的控制精度在X、Y、Z 3个方向分别提高了90.70%、70.82%和91.05%,证明了本文提出的附加位移补偿方法的正确性。

运用损伤力学求解金属构件疲劳裂纹形成寿命的附加位移法

从损伤力学出发，建立了对金属构件疲劳裂纹形成过程进行损伤耦合的弹塑性应力分析及寿命估算的附加位移法。该方法较充分地利用了缺口构件疲劳损伤的局部性特点，其计算量远低于普通的全场数值解法。算例表明寿命的理论解与试验值基本吻合。

三维内参型附加非协调位移基本项

文献［１２］在平面问题基础上推导出附加非协调位移基本项的通用公式。依据这一公式，在构造新型非协调位移元时，可以主动地来选择基本项，减少了过去盲目试凑的现象。本文在文献［１２］的基础上，推广至三维情况，分别推导出以等参坐标和直角坐标表述的附加非协调位移基本项通用公式。依据这些公式，本文分别以Ｈ８和Ｈ２０单元为例，发展了两个新的非协调元，数值试验表明它们能够保证收敛，有较高精度，对畸变不敏感，从而证明了本文方法的可行性。

内参型附加非协调位移基本项的推导和应用

在协调元位移模式基础上附加内参项是构造非协调元的一种常用方法。目前一般是先假设非协调位移模式(不能保证其通过小片试验)，然后按照一定的方法进行修改，从而形成能够保证收敛的非协调位移场，可是构造过程往往较复杂。本文从广义协调条件出发，首次推导了平面问题内参任意阶次附加非协调位移基本项通用公式，形式简单，便于工程人员直接应用于工程实践。根据通用公式，本文以Q8协调元为基础，发展了一个新的非协调元，数值试验表明它能够保证收敛，有较高精度，抗畸变能力强，从而证明了本文方法的可行性。

复式波纹管膨胀节位移附加值计算的探讨

《美国膨胀节制造商协会标准》EJMA—2003对复式膨胀节中间管引起的膨胀节位移附加值计算作出了规定,要求在计算最大单波组合位移时加以考虑,而国内标准中并没有对此部分内容提出要求。由于波纹管的应力主要由内外压和位移引起,位移产生的应力通常大于内外压引起的应力。当复式膨胀节中间管较长,口径较大,结构较重时,对波纹管会引起较大的附加位移,最大组合位移超出设计值。因此在设计复式波纹管膨胀节时要充分考虑膨胀节上各种构件自身结构重量引起波纹管附加位移的情况,再按照国标规定进行波纹管的强度、稳定性及疲劳寿命的计算,做好膨胀节设计,确保其在装置中正常运行。

含两类附加函数的扩展等参有限元法

基于扩展有限元的基本思想,提出一类指数型间断函数来模拟。由于裂纹或节理等非连续结构所导致的位移不连续现象,该附加函数是以到间断处的垂直距离为自变量,且随距离的增大而呈指数衰减,同时,在非连续结构末端引入能反映其奇异场特性的三角基函数。本文用弱解形式推导了扩展有限元格式,并论证了两类附加函数在单元公共边上能够保持位移连续性这一要求。最后,编制了二维4节点和三维8节点的扩展等参有限元程序,并分别给出了算例,结果表明在模拟裂纹追踪时,扩展有限元法可行且有效。

公路桥梁下穿既有铁路桥梁安全评估

以青海省湟源至西海高速公路桥梁下穿既有青藏铁路桥梁为工程背景,采用Midas GTS NX三维有限元软件,建立高速公路桥梁下穿铁路桥梁的三维有限元模型,模拟并计算了高速公路桥梁在施工过程对既有铁路桥梁的影响。研究结果表明:设计方案满足公铁交叉规范相应条文要求;新建高速公路桥梁对既有铁路桥梁墩顶产生的各方向附加位移最大值均小于规范限值;左右幅桥梁同时施工可以减小桥梁墩顶各方向附加位移,且有效减小了桥墩的偏压效果。新建公路桥梁下穿工程对既有青藏铁路产生的风险等级在可控范围内,该项目设计方案满足规范要求,总体可行。

软土地基基坑开挖对邻近桩竖向位移影响的时效分析

目前在分析基坑开挖对邻近结构桩基竖向位移特性影响时较少考虑土体蠕变的影响。采用两阶段分析方法,第一阶段引入分数阶Merchant粘弹性模型及经典Mindlin解得到开挖卸荷条件下邻近桩基桩周土体竖向附加位移时域解,第二阶段引入荷载传递函数和Winkler地基模型,建立桩身控制方程并用有限差分法对方程进行求解,提出了开挖卸荷条件下邻近桩基竖向位移时效分析方法;通过与数值模拟结果对比验证了理论解的正确性。最后,对相关参数进行分析,研究了桩基距离基坑的距离、基坑平面尺寸对桩基竖向变形的影响。研究结果表明:软土蠕变会对桩基竖向位移产生较大的影响;基坑开挖长度比开挖深度对临近桩基桩身位移影响更大;增大桩基直径和弹性模量对减小桩身沉降的效果有限。

公路加宽中附加沉降特性数值分析

利用有限元方法对新路路堤填筑引起的附加沉降特性进行模拟,得到了一些结论:新路填筑将会明显增加老路的横坡比;随着新路宽度的增加,最大附加沉降也随之外移且数值增加;新路的填筑引起地基以过新路形心的竖线为中心向两侧移动。

新建公路桥梁下穿既有高速铁路桥梁安全评估

新建甬台温高速公路拓宽工程以桥梁形式下穿既有杭绍台高铁。为准确计算新建下穿工程对既有高铁桥梁的影响,采用MIDAS-GTS有限元软件建立下穿工程和既有高铁三维空间模型,模拟下穿工程施工过程对既有铁路桥梁变形的影响。研究表明:(1)设计方案满足公铁交叉规范相应条文要求;(2)新建工程对杭绍台高铁23号墩产生的各方向附加位移最大,但均小于规范限值;(3)附加位移与各阶段所施加竖向恒载重量成正比,75%左右的附加位移均发生在第5施工阶段;合理选择结构形式减轻结构自重,可以有效减小附加位移;(4)距杭绍台高铁基础越近,附加位移越大,通过合理布置孔跨和基础形式,可以有效减小附加位移。研究结果表明,新建下穿工程对既有杭绍台高铁产生的风险等级在可控范围内,本项目设计方案总体合理,满足本次安全评估要求。

Wilson非协调数值流形方法

三维数值流形方法中,当数学覆盖取六面体体单元时流形单元总体位移函数中所包含的多项式并不是完全的,非完全的高次项非但对改善精度不起作用,而且还可能起相反的作用。为此,基于Wilson非协调元理论,推导了附加非协调位移基本项的流形元通用公式,通过内参静力凝聚处理,导出了消除单元内参后的单元应变矩阵、单元刚度矩阵,建立了非协调数值流形方法。数值试验表明,在规则数学网格覆盖下它们能够保证收敛,有较高的精度,从而证明所建方法的可行性。

弹性力学中的一种非协调数值流形方法

通过引入数学和物理双重网格,将插值域与积分域分别定义在不同的覆盖上,即在数学网格上进行插值函数的构造,物理网格上完成系统能量泛函积分运算,最后通过覆盖权函数将二者联结在一起．它的优点是单元网格划分随意,不受复杂边界形状和二相材料界面的限制,单元可以是任意形状,是较之于有限元方法更一般的数值模拟方法．在4节点四边形数值流形方法中,由于单元总体位移函数包含的完全多项式不完全,使得计算精度不够精确,为此,在单元总体位移函数上附加非协调位移基本项,使之趋于完全,提出了弹性力学问题的一种改进的数值流形方法——非协调数值流形方法．通过内部自由度静力凝聚处理,导出了消除内参后的单元应变矩阵和单元刚度矩阵,使得在不增加广义节点自由度的前提下,大大提高了数值流形方法的计算精度和计算效率．同时对非协调项进行了显式处理,可以对工程实践起到更切实的帮助．数值试验表明,它们能够保证收敛,有较高的精度,对畸变不敏感,从而证明了该方法的可行性．

无侧移单元封闭框架二阶效应规律的解析解

为了进一步论证框架柱P-δ效应规律,以无侧移单元封闭框架为研究的出发点,回顾了由数值分析结果总结出的无侧移单元封闭框架柱二阶效应规律,提出了二阶效应分析中的二阶内力方程和基于转角位移方程的附加位移法,揭示了框架整体二阶效应对框架内力的影响规律,并得到无侧移单元封闭框架二阶效应的解析解,解析法得出的无侧移单元封闭框架柱二阶效应规律与数值分析结果协调,从理论上证明了无侧移单元封闭框架柱二阶效应规律的严密性.

随机裂隙不同特征对隧道围岩损伤影响分析

基于损伤力学、岩体力学及有限元分析方法,编制损伤附加位移有限元计算程序,选取一组倾向为NW45°的随机裂隙,讨论不同倾角、密度(损伤因子)及充填情况(拉剪、压剪应力传递系数)等对节理岩体隧道损伤影响。分析表明:隧道拱顶(底板)损伤附加位移绝对值随损伤因子的增大而增加,并成非线性关系;当倾角为0°和90°时,隧道的损伤影响与拉剪应力传递系数无关;相同倾角的随机裂隙对底板和拱顶关键点的损伤影响基本是相反的;倾角越小对拱顶下沉和底板隆起的损伤影响越大。拉剪应力传递系数对隧道损伤影响比压剪应力传递系数大;拉剪应力传递系数的变化对隧道损伤影响比压剪应力传递系数变化的影响小。

群桩基础相互作用分析

利用桩与桩相互作用新模型对由其他桩加载引起的桩的附加沉降和附加轴力进行分析.通过变换矩阵递推求得层状地基中单桩的柔度系数和桩与桩相互作用的柔度系数解析公式.

发散光照明幅光栅的莫尔条纹

本文推导了发散光照明幅光栅产生的莫尔条纹方程,并讨论了三种特殊的莫尔条纹轨迹。最后,根据条纹方程讨论影响条纹附加位移的因素及消除方法。

便携式手术机器人主手附加力位移补偿方法研究

采用拉格朗日方程和Stribeck摩擦模型,根据便携式手术机器人主手的杆件重力、各关节摩擦力、惯性力对术者真实力感知的影响,建立了含关节摩擦力的动力学模型。基于机器人主手动力学模型,分别建立重力、摩擦力和惯性力三项的补偿模型,通过分析机器人主手力补偿反馈和附加位移的产生原因及补偿原理,提出了相应的补偿反馈力和附加位移补偿方法。通过对初步研究结果进行对比试验,验证该力补偿控制方法可用以平衡主手因自身所带的重力、关节摩擦力和惯性力产生的影响,最终实现术者真实的力感知,提高手术操作精准性。

桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析

为研究钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法对桩靴贯入黏土层时邻近群桩中各桩荷载分担比、桩头附加位移及两桩相互作用系数进行了分析。首先通过对缩尺模型试验的数值分析,验证了CEL方法的可行性;然后进一步分析了桩靴贯入黏土层时对邻近群桩相互作用的影响;最后探讨了净间距、桩间距对群桩相互作用的影响。结果表明,在桩靴贯入中,前桩的荷载分担比大于后桩,且桩靴贯入至一定深度后,当净间距越小或桩间距越大时,前桩的荷载分担比越大、后桩的荷载分担比越小,但各桩的荷载分担比随桩靴贯入深度增加时的变化规律不变;净间距越大,桩头附加位移及相互作用系数越小;在桩靴贯入时,由于受群桩遮拦效应的影响,桩头附加位移及相互作用系数随桩间距的变化规律同插桩前有所不同,当桩间距大于3倍桩径时,随桩间距的增加而减小,当桩间距小于3倍桩径时,随桩间距的增加而增大。

内滚道缺陷对滚动轴承刚度特性的影响研究

滚动轴承广泛应用于矿用电机等大型设备,在工况复杂多变、运行条件恶劣的情况下,长期高负荷运转会导致滚动轴承产生疲劳点蚀,在滚道表面产生缺陷,缺陷的恶化会影响设备的正常工作。针对内滚道存在缺陷的滚动轴承,将缺陷引起的附加位移加到轴承的弹性形变中,根据力学平衡方程,分析各滚动体的载荷分布,并建立内滚道存在缺陷的滚动轴承刚度模型,分析缺陷长度和深度对滚动轴承刚度特性的影响规律。结果表明,缺陷位于非承载区时,缺陷轴承的平均刚度和无缺陷轴承的平均刚度相等;当缺陷随着内圈的转动由承载区向非承载区移动时,轴承的平均刚度先减小后增大,且平均刚度的大小与缺陷的长度和深度负相关。

附加轴向位移对薄壁箱梁翼板应力的影响

带有任意悬臂的梯形单箱单室箱梁,在定义其位移翘曲函数时,需要在全截面上附加一均匀的轴向位移,以使纵向位移在全截面上构成轴力自平衡。为确定附加轴向位移对箱梁上、下翼板应力的影响程度,首先定义剪滞翘曲函数分别取为2次、3次和4次抛物线,并考虑翼板宽度及其至截面形心轴距离的影响,利用截面轴力自平衡条件,建立了附加轴向位移的表达式,进而分析了其主要特点。然后用最小势能原理推导出控制微分方程和箱梁上、下翼板应力的求解方程。最后将文中计算方法所得结果、实测值和SAP板壳单元的计算结果进行对比,发现3者吻合良好。因此,在计算翼板应力时,考虑附加轴向位移与否对箱梁上、下翼板应力的影响程度均较小,可以忽略不计。