The Knee Joint Design and Control of Above-knee Intelligent Bionic Leg Based on Magneto-rheological Damper

The above-knee intelligent bionic leg is very helpful to amputees in the area of rehabilitation medicine. This paper first introduces the functional demand of the above-knee prosthesis design. Then, the advantages of the four-bar link mechanism and the magneto-rheological （MR） damper are analyzed in detail. The fixed position of the MR damper is optimized and a virtual prototype of knee joint is given. In the end, the system model of kinematics, dynamics, and controller are given and a control experiment is performed. The control experiment indicates that the intelligent bionic leg with multi-axis knee is able to realize gait tracking of the amputee＇s healthy leg based on semi-active control of the MR damper.

增设角部阻尼器箍头榫木节点的抗震性能

为了给广府木结构的修复提供理论依据,采用菠萝格木材设计制作了5个箍头榫节点试件。考虑到榫卯构造尺寸的影响,首先进行了未加固无损节点的拟静力试验。然后,采用对原有外观影响较小的雀替型阻尼器对上述节点损坏试件进行加固,以尽可能保留建筑的原始风貌。最后,对加固节点进行拟静力试验,以研究节点的抗震性能变化以及阻尼器的加固效果。结果表明:采用阻尼器加固后的节点试件在加载至破坏时,榫卯处压痕明显,梁外榫外侧劈裂、脱榫现象明显,阻尼器脚部的橡胶与钢板有一定的脱离现象;对节点增设阻尼器能够弥补节点初期损伤导致的受力性能下降,为残损榫卯节点提供较好的后期刚度,提高节点的承载能力和耗能能力;与未加固试件相比,增设阻尼器后,试件的后期刚度、极限承载力、总滞回耗能均有所增加,分别提高18%、19%、20%以上。文中还在已有简化力学模型的基础上,结合OpenSees,提出了一种应用于箍头榫木结构的宏观模型建模方法。采用该方法得到的节点滞回曲线与试验结果吻合良好,可以有效模拟阻尼器加固的箍头榫木节点的滞回耗能特性。

基于Pushover方法的耗能自复位铰节点框架结构抗震性能分析

基于Pushover分析方法研究设置耗能自复位铰节点(EDSC-HJ)的钢筋混凝土框架结构的抗震性能.首先介绍EDSC-HJ框架的结构形式,并建立了EDSC-HJ框架结构的有限元模型,通过与振动台试验结果对比验证数值模拟的正确性;其次使用Pushover方法计算EDSC-HJ框架有控结构与无控结构的抗震性能并设计节点弹性恢复装置和耗能装置的力学参数.结果表明:EDSC-HJ框架结构节点相对转动刚度比的合理取值区间为0.05~0.5;设置节点阻尼器的EDSC-HJ有控结构的层间位移响应下降了76%,且满足限值要求;由于节点阻尼器的设置提高了结构的附加抗侧刚度,有控结构的基底剪力响应提高了23%.EDSC-HJ框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架(RCF)结构,具有良好的韧性结构特征.

基于转动摩擦铰阻尼器的干式装配梁-柱节点抗震性能试验

基于转动摩擦铰阻尼器(RFHD),提出了转动摩擦耗能干式装配梁-柱节点(DRFDBJ)。为了验证DRFDBJ结构对于实现预期力学性能的可行性和合理性,以施加在摩擦片表面的螺栓预紧力(P_(c))为变量,开展了2个工况下的DRFDBJ试件低周往复拟静力试验研究。结果表明:DRFDBJ结构的力学性能主要由RFHD提供并控制,试验中节点呈现了稳定的承载力和理想的变形、耗能能力,并实现了预期的损伤集中;2个不同P_(c)水准下节点承载力的试验值与理论值误差不超过5%,通过调整P_(c)可实现节点承载力的调控,为DRFDBJ结构承载力的可调控提供了支撑。

泸定M_(S)6.8级地震大岗山拱坝横缝及阻尼器工作性态分析

横缝作为高拱坝强度的薄弱部位,在地震作用下的工作性态至关重要。泸定M_(S)6.8级(面波震级)地震中,大岗山拱坝坝顶顺河向峰值加速度PGA达到586.63 cm/s^(2),坝址烈度达Ⅷ度,是唯一经历近场强震考验及设置阻尼器抗震措施的200m级高拱坝。依据震后大坝横缝及阻尼器宏观现象和监测原观数据,对横缝及阻尼器工作性态进行了分析,结果表明地震过程中大坝横缝存在开合过程,震后部分横缝存在残余张开,开度增量在-0.05~0.43mm之间,总体表现为下游侧略大于上游侧,左岸大于右岸,初步分析主要由于横缝高频开合导致灌浆材料部分剥离测缝计无法复位,拱坝仍处于弹性工作状态;拱坝坝顶3组阻尼器在地震前后两端位移增量在0.32~1.06 mm之间,表现为拉伸,其中靠近拱冠梁的16#横缝位移增量最大。结合测缝计监测成果初步分析,阻尼器在强震作用下对降低局部区域横缝开度有一定作用,在主震后的历次余震中阻尼器未见明显动作痕迹。相关成果可为震后大坝安全评估、高拱坝抗震设计及研究提供参考。

增效转动摩擦阻尼器的工作机理及力学性能分析

该文提出了一种新型增效转动摩擦阻尼器(ERFD),由杠杆原理放大其转动角度,进而提高其耗能能力,适用于梁柱节点。为验证ERFD工作机理的可行性,采用ABAQUS软件建立其有限元数值模型,以相同摩擦工况的扇形摩擦阻尼器(SFD)和未放大的转动摩擦阻尼器(RFD)作为对照模型进行力学性能分析,进而探究ERFD耗能增效机制。研究结果表明:ERFD的承载力、刚度和耗能均得到明显提高,较于SFD分别增大了17.63%、12.54%、14.53%;其他三个改变摩擦片布置方式的试件的刚度和耗能比ERFD分别减少29.38%、58.67%、70.76%和29.55%、58.96%、70.58%;ERFD的承载能力和耗能能力相较于RFD放大了92.38%、85.49%。这说明ERFD耗能能力良好,且三个点均布置摩擦面的整体力学性能较好,且增效效果显著。

仿古建筑钢-混凝土双梁-柱节点力学性能

针对仿古建筑双梁-柱节点力学性能较差的问题,将其与黏滞阻尼器相结合,形成附设黏滞阻尼器的仿古建筑双梁-柱节点。为研究该类型试件的力学性能,共设计4个节点试件,包括1个仿古建筑单梁-柱节点对比试件和3个典型仿古建筑双梁-柱节点试件,其中2个试件为设置黏滞阻尼器的试件,1个为未设置黏滞阻尼器的试件,进行正弦波荷载快速往复加载试验,分析加载全过程中试件的破坏特性、破坏模式及钢筋应变变化,并对其恢复力曲线、骨架曲线及承载力等力学性能指标进行分析。结果表明:附设黏滞阻尼器可显著改善双梁-柱节点的力学性能,试件滞回曲线更为饱满,双梁-柱节点的极限承载能力提升16.4%~18.1%,延性系数提升13.5%~15.0%,骨架曲线下降段更为平缓。

磁流变假肢膝关节结构集成及其适配技术研究进展

假肢在截肢者生活中扮演着重要角色,一方面可给人体站立提供支撑,另一方面可帮助截肢者的残肢运动。磁流变假肢是利用磁流变阻尼器(Magnetorheological damper,MRD)为阻尼器件的新型半主动假肢。详细介绍了磁流变假肢的结构组成和工作原理;指出了磁流变假肢结构的特点及应用,并对不同结构特点的磁流变假肢进行了分类和比较;同时阐述了当前磁流变假肢膝关节中主流的控制方法,针对不同控制方法的特点进行了对比分析;最后展望未来磁流变假肢的发展趋势及实际应用。

双阶受力干式装配梁-柱节点抗震性能试验研究

研究提出了一种双阶受力干式装配梁-柱节点(DADBJ)。该节点的关键组件是摩擦铰(RFH)和预设缝防屈曲钢板(SBRSP),具备2个受力工作阶段和损伤集中易修复的特性。为了验证DADBJ构造的合理性,揭示其双阶段受力工作机理,设计加工了DADBJ试件,以SBRSP的预设缝隙宽度作为试验变量,进行了2个工况的低周往复拟静力试验。结果表明:提出的DADBJ构造实现了预期的双阶段受力特性,第一阶段由RFH提供节点的力学性能,第二阶段由RFH和SBRSP共同提供节点的力学性能;DADBJ的损伤集中于芯板,通过更换SBRSP芯板对节点快速修复,节点的性能可恢复到初始状态;SBRSP的预设缝隙宽度可直接决定DADBJ第二阶段的启动位移;提出的DADBJ双阶屈服荷载理论公式和二阶启动位移理论公式精确度好。该研究可为装配式框架结构和多阶受力型结构的设计和研究提供参考。

北京未来城学校教学楼钢结构设计与分析

北京未来城学校教学楼的地上部分采用钢框架结构,并设置2道结构缝将造型奇特的教学楼分为3个部分。教学楼地下部分不设缝连为整体,采用钢筋混凝土框架结构。钢连廊跨度为33 m,采用2层通高桁架结构。钢连廊与两侧主体结构采用弱连接,通过对比3种支座方案,选用布置金属摩擦摆隔震支座+黏滞阻尼器的方案。对钢连廊与两侧主体结构整体模型进行动力弹塑性时程分析,连廊整体作为刚体随3层主楼楼面发生地震响应,隔震支座的隔震效果显著。此外,介绍了本项目中钢筋混凝土梁与钢骨混凝土柱连接节点及梁配筋的注意事项,为后续相关工程设计提供参考。

新型装配式转动摩擦型梁柱十字耗能节点拟静力试验研究

为提高装配式钢筋混凝土梁柱节点的耗能能力,提出了一种新型梁端转动摩擦耗能器RFED(new Beam-end Rotational Friction Energy Dissipation Device,RFED)。选取钢筋混凝土梁柱十字节点为研究对象,对4个采用不同摩擦片的新型装配式摩擦型往复弯曲耗能节点JD1~JD4进行拟静力逐级加载试验与疲劳性能试验。试验结果说明:①RFED能够通过一定程度的反复转动耗能保护预制梁、柱;②JD2、JD3、JD4滞回曲线均表现为饱满的平行四边形,耗能能力强,JD1耗能能力相对较低,且疲劳试验中承载力衰减程度过大;③JD2滑移荷载不能保持稳定;JD4起滑荷载最大达到滑移荷载的2倍左右,不利于准确控制承载力;而JD3耗能能力强、起滑荷载及滑动荷载稳定。因此,JD3所使用的H62黄铜片且钢材表面喷涂无机富锌漆的摩擦面,最适宜于工程应用。

SMA绞线预制梁-柱自复位耗能节点数值研究与参数优化

为了提高预制混凝土框架的抗震能力并控制震后残余变形,提出了一种新型的混合自复位预制混凝土梁柱节点(self-centring precast concrete beam-column connection,SC-PCBCC),其中采用了旋转摩擦阻尼器(rotational friction hinge damper,RFHD)和形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)并联的结构。重点探讨了使用SMA绞线控制的自复位装置对SC-PCBCC进行改进。首先,介绍了SC-PCBCC的结构和工作原理;其次验证对比了1.0%、1.5%、2%和2.0%预应变下的超弹性1×7 SMA绞线、RFHD和SC-PCBCC的有限元模型,并进行了初步验证。研究结果表明,该节点具有较高的刚度、承载力、耗能能力以及较好的复位性能;最后对SC-PCBCC中SMA绞线的关键参数:SMA绞线预应变、直径和长度进行了参数分析,以优化其抗震性能。建议SC-PCBCC使用的SMA绞线初始预应变、直径和长度范围分别为1.5%~2.0%、15~18 mm和175~205 mm,以实现SC-PCBCC的优异承载性能、能量耗散和自复位性能。此外,节点中的SMA绞线和RFHD可在震后快速更换,实现高效灾后修复。总体而言,所提出的SC-PCBCC表现出了卓越的减震能力、自复位能力和可修复性。

雀替型阻尼器加固箍头榫木框架结构的抗震性能

为研究广府古建筑木结构的抗震性能及加固方法,采用菠萝格木材,设计并制作了两榀不同结构形式的典型广府木祠堂箍头榫框架,提出并制作了用于木结构榫卯节点加固的雀替型阻尼器,对雀替型阻尼器加固前后的木框架进行低周往复荷载试验,研究结构的抗震性能及阻尼器的加固效果。研究结果表明:阻尼器可以弥补初次加载产生的损伤,在转角不大时给残损的榫卯节点提供较高的初始刚度,并在榫卯节点自身开始闭合时与之协同受力,提高节点刚度、极限承载能力和耗能能力,使得加固试件的极限承载能力高于未加固试件;未加固试件经过加载,出现了榫卯脱离、榫卯局部压屈现象,加固试件的破坏形式主要为榫卯脱离、榫卯局部压屈和竖向顺纹劈裂裂缝;各节点的滞回曲线呈现明显的“捏缩”现象,榫卯节点强度退化系数均大于0.83,在循环荷载作用下表现出稳定的承载性能,随节点转角的增大,各节点的环线刚度、等效粘滞阻尼系数呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势;边跨框架试件节点的等效粘滞阻尼系数逐渐稳定于0.1~0.2,而中跨框架试件节点的等效粘滞阻尼系数逐渐稳定于0.05~0.1,且经过阻尼器加固,边跨框架与中跨框架试件的总滞回耗能分别提高了67%和19%。

转动摩擦铰阻尼器力学性能试验研究

在装配式框架梁-柱节点中设置消能减震装置,是装配式结构发展的重要方向。转动摩擦铰阻尼器(RFHD)是转动摩擦耗能干式装配梁-柱节点(DRFDBJ)的关键单元,为梁-柱节点提供可调控的承载力和耗能能力。为了验证RFHD的力学性能,优选适用于RFHD的摩擦片材料,综合考虑了H62黄铜和纤维增强树脂基材料2种摩擦片材料、3个螺栓预紧力水准和3种加载制度,开展了18个工况下的RFHD力学性能试验,考察了RFHD的出力、摩擦系数和疲劳受力性能,重点分析了两种材料的摩擦系数稳定性。结果表明:采用两种摩擦片时,RFHD均具有相对稳定的出力、良好的耗能和变形能力,且疲劳性能满足相关规范要求;RFHD可作为DRFDBJ的关键单元提供节点的承载力和耗能能力;相比于H62黄铜摩擦片,纤维增强树脂基摩擦片在不同加载速率和不同压应力水准下的摩擦系数更稳定,有利于实现RFHD出力的稳定可调,进而实现DRFDBJ力学性能的可调控。该研究可为DRFDBJ节点的进一步研究奠定基础,并为摩擦阻尼器的相关研究提供参考。

面向车辆运行平稳性的抗蛇行减振器结构参数优化

随着列车速度的提高,轮轨的耦合振动状态发生变化,从而对抗蛇行减振器的工作状态产生影响,对其设计提出了新的要求。通过对抗蛇行减振器结构和工作原理的分析,基于Simulink软件建立减振器液压数值模型,讨论抗蛇行减振器不同结构参数对其动态特性影响;将减振器液压数值模型与车辆动力学模型结合,组成联合仿真模型;通过联合仿真计算,优化抗蛇行减振器结构参数。结果表明抗蛇行减振器通流孔径、卸荷孔径分别对减振器的动态特性曲线工作段和卸荷段有较大影响;而活塞杆直径则影响减振器的拉伸、压缩特性;通过调整抗蛇行减振器的结构参数,车辆横向、垂向平稳性指标变化显著,合理选择抗蛇行减振器结构参数可以提高车辆运行的平稳性和安全性。

传统风格建筑钢-混凝土双枋-柱节点力学性能分析

目的研究传统风格建筑双枋-柱节点的破坏特征及力学特性。方法设计了3个典型传统风格建筑双枋-柱节点试件及1个单枋-柱节点试件,对其施加正弦波动力循环荷载,对其滞回曲线、骨架曲线、承载力及延性等进行分析。结果将传统风格建筑与黏滞阻尼器相结合,可显著提升传统风格建筑双枋-柱节点试件的抗倒塌能力及承载力,延性性能提高了12.7%,承载力提高了15.7%;双枋-柱节点试件承载能力及延性均高于单枋-柱节点。结论在雀替位置处合理设置黏滞阻尼器可显著改善传统风格建筑双枋-柱节点试件的力学性能。

安装有位移放大型扭转阻尼器的框架节点抗震性能分析

新型位移放大型扭转阻尼器(displacement-amplified torsional damper,DATD)通过铅芯和橡胶的剪切滞回变形实现复合耗能,进一步分析了DATD的工作原理和耗能性能,并对安装有该阻尼器的框架梁柱节点的抗震性能进行了研究。采用ABAQUS软件分别建立DATD、普通现浇节点与安装有DATD的节点的有限元模型,对比DATD有限元分析结果与前期试验结果,二者滞回曲线吻合良好,从而验证该数值模拟方法的有效性。进一步地,对比普通节点与DATD节点在循环荷载作用下的耗能性能,分析DATD对梁柱节点抗震性能的影响。研究结果表明,DATD节点滞回曲线饱满,耗能能力优越,能够延缓节点开裂,保护梁柱节点。

木结构直透榫节点加固试验及有限元分析

为研究钢板阻尼器加固木结构直透榫节点的抗震性能,对加固前后的试件开展拟静力试验及数值模拟。结果表明:采用钢板阻尼器加固节点后,试件节点处应力明显降低,主要应力集中在钢板核心处,滞回曲线的捏缩效应明显降低,榫卯节点的承载力和刚度都得到有效提升;试验结果与模拟结果较为吻合。

仿古建筑钢-混凝土组合结构枋-柱节点力学性能研究

通过钢-混凝土组合结构形式及在雀替位置处设置黏滞阻尼器,可提升仿古建筑枋-柱节点的力学性能。为研究其力学性能,共设计3个试件,包括2个附设黏滞阻尼器的试件及1个未附设黏滞阻尼器的对比试件,进行快速往复加载试验,分析加载全过程中试件的破坏特性及破坏机制,对其力学特性关键指标进行对比分析,包括恢复力特征曲线、骨架曲线、延性及刚度变化等。试验结果显示:采用钢-混凝土组合结构形式的仿古建筑双枋-柱节点力学性能得到一定幅度的提高;结构破坏时形成梁铰机制,符合抗震设计要求;在阑额与柱连接处设置黏滞阻尼器能有效提升节点的变形性能及承载能力,并在一定程度上抑制试件的刚度退化速率。总体上,结构整体抗震性能有大幅提高。

四连杆磁流变假肢设计及迭代学习轨迹跟踪控制

为提高智能假肢行走步态的仿生性以及复杂运动的能力,采用磁流变阻尼器(MRD)作为制动器设计了一种新型四连杆假肢膝关节。首先根据人体肢体尺寸及平地行走的步态数据,对四连杆磁流变假肢膝关节进行结构设计,并建立其动力学模型。利用仿真得到的MRD性能曲线,建立其逆向力学模型。为解决四连杆假肢建模复杂、跟踪精度低以及周期性扰动的问题,设计迭代学习控制器,并对其收敛性进行分析。通过仿真测试得到迭代学习控制下的磁流变假肢膝关节轨迹跟踪最大误差仅为1.6°,实现了对期望轨迹的精准跟踪。