力学测试技术中的一种数字式传感器与机-电耦合振荡理论

随着计算机日益广泛地用于实验控制与数据处理,机械元件与电学元件直接耦合的数字型传感器开始取代传统的阻抗电桥式调幅型传感器,振弦式测力计是其代表之一。本文从数理方程与谐振电路两方面分析其特性;然后把机械元件等效为虚拟变压器次级的负载,与等效的初级(电子元件)耦合形成闭环反馈振荡系统;并分析了温度影响问题。     

基于压电阻抗技术和BP网络的结构健康监测

以装有多个螺栓和多片压电元件(PZT)的铝梁为实验对象,研究激励频率对PZT导纳值的影响以及PZT传感器感知较近螺栓松动与较远螺栓松动的灵敏性.构建BP网络,以各个螺栓分别松动时所测得的所有压电元件的导纳值作为网络的模式样本,输入到神经网络进行训练.实验结果表明:PZT传感器的导纳谱能灵敏地反映结构状态的微小变化;且离松动螺栓近的PZT导纳谱的变化远大于离松动螺栓远的PZT的导纳谱的变化;对于同一PZT传感器,激励频率不同,其阻抗变化量不同;选取PZT阻抗值变化明显的频率点来构成神经网络输入向量,训练后的BP神经网络能够快速并精确地判断出松动的螺栓位置.     

力限振动试验技术理论基础研究

为了深入理解双控方程,由运载火箭有限元模型的多自由度子结构方法,导出缩聚在星/箭连接界面处的全箭动力学方程,定义相应参数后,导出星/箭耦合中的双控方程,给出界面加速度、有源机械系统的自由加速度、界面力、紧固力、源阻抗和负载阻抗表达式,从而加深了对星/箭耦合双控方程的理解,进而促进力限试验技术研究.同时,从多自由度模型简...     

压电阻抗技术在焊缝裂纹监测中的应用

采用多片压电元件(PZT)粘贴在焊接铝板结构表面,用阻抗分析仪测量PZT导纳信息,研究激励频率对PZT导纳值的影响以及不同位置PZT传感器对裂纹感知的灵敏性.构建人工神经网络,对焊缝结构的缺陷进行定位.实验结果表明:PZT传感器的导纳谱能灵敏地反映结构状态的微小变化;且不同位置PZT对裂纹感知的灵敏度不同;对于同一PZT,激励频率不同,其阻抗变化量不同;提取导纳信息中表征结构健康状况的特征量作为神经网络的输入向量,训练后的神经网络可以迅速并准确地实现焊缝结构损伤的监测和定位.     

含间隙太阳翼展开过程碰撞动力学研究

为了研究含铰间间隙太阳翼展开过程碰撞动力学特性,采用非线性等效弹簧阻尼模型建立了铰间间隙的接触碰撞模型,并采用Coulomb摩擦模型考虑铰间间隙处的摩擦作用,将其嵌入到ADAMS多体系统动力学分析软件中,对一单翼小卫星太阳翼展开过程进行了动力学仿真,详细地研究了含间隙太阳翼展开过程中间隙引起的碰撞力的变化规律,包括间隙大小、展开速度以及间隙摩擦对太阳翼展开过程碰撞力的影响.研究结果对航天器在轨运行姿态、干扰因素和动力学特性有重要的参考价值.     

基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则（英文）

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究，采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先，研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程，通过分析液滴的垂直速度和横向速度，明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后，系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响，重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。     

考虑界面微观滑移的连接非线性系统多尺度分析

振动环境下,连接界面上存在着复杂的多尺度粘滑摩擦行为,进而造成含连接系统复杂的非线性振动现象。本文针对机械结构中的搭接连接系统,采用改进的Iwan迟滞非线性模型建模连接界面的多尺度粘滑行为,建立了连接系统的非线性运动方程,利用多尺度摄动分析方法研究了系统在初始条件下的自由振动,获得了系统响应的近似解析解并与直接数值积分解进行了对比;研究了粘性阻尼系数、刚度比等参数对系统动力学响应的影响。结果表明,Iwan迟滞非线性模型能够复现界面多尺度的微观粘滑行为;多尺度近似解析解和数值解吻合很好;连接系统的自由振动过程中,系统相轨迹以螺线收敛,但平衡位置可能发生偏移;界面切向刚度表现出随振幅增大而减小的软化非线性特点,系统瞬时固有频率随振幅减小而增大;振动过程中连接界面单位周期的能量耗散随振动幅值的减小而减小。研究结果为进一步探索含连接复杂装配结构的非线性动力学行为提供了基础。     

星/箭耦合动态响应分析新方法研究

介绍了采用约束边界模态展开表达式进行星/箭耦合响应分析的方法,导出缩聚在星/箭连接界面处的全箭动力学方程.应用这种方法通过解析推导可以将整个星/箭耦合结构多自由度方程减缩为仅含星/箭连接界面处自由度的方程,形成星/箭耦合响应分析新方法,内部自由度的影响化为固定界面模态有效质量的贡献,它们的贡献累加于界面自由度之上,使动...     

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响.在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律.研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而 造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏.同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响.研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义.     

弱撞击对接机构动力学特性建模

针对空间飞行器捕获对接过程中复杂的多体动力学问题,鉴于弱撞击对接机构(Low impact docking mechanism,LIDM)不同于以往常见的刚性对接机构,其在对接过程中产生碰撞力远小于空间飞行器自身的重量,且自身对接环处安装有六维力传感器,因此可以将捕获过程中LIDM处产生的碰撞力等效为作用于对接环质心处的时变载荷。依据第二类拉格朗日方程的动力学建模方法,推导了各组件动力学参数的具体表达式,建立了全刚体目标系统下的多体动力学模型,并基于MATLAB实现了动力学参数的输出。用ADAMS的多体动力学模型进行仿真验证,结果表明:两者的计算验证结果证明了以拉格朗日方程建立的LIDM捕获动力学模型的正确性。为研究空间对接机构的结构优化与工程应用打下了基础。     

倾转旋翼/机翼耦合系统过渡飞行瞬态响应分析

基于多体动力学方法建立倾转旋翼机过渡飞行瞬态响应分析模型,研究过渡飞行状态下倾转旋翼机非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲影响,修正直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡飞行的多体动力学方程,建立倾转旋翼机过渡飞行状态下时域非定常耦合分析模型。以半展长弹性机翼全铰接式倾转旋翼机模型为例,分析倾转旋翼机倾转过渡飞行瞬态响应时间历程。数值计算表明:本文建立的时域模型能够快速有效分析倾转旋翼机在过渡飞行时的瞬态特性,能够反映倾转旋翼机旋翼/机翼间复杂的气弹耦合动力学关系。     

机翼前缘结冰对大飞机纵向模态特性的影响

结冰导致飞机气动特性恶化，进而影响飞行品质。针对机翼前缘结冰条件下飞机全包线范围飞行品质评估问题，提出了基于自适应拟配初值的等效系统拟配方法，构建了机翼前缘结冰构型，并通过数值模拟得到背景飞机机翼前缘结冰气动数据。建立了飞机系统模型，进行升降舵倍脉冲操纵，进而得到飞机的响应数据。分析数据特征计算了自适应拟配初值，在飞机全包线范围内干净构型及不同结冰严重程度条件下进行了等效系统拟配，获得了纵向短周期飞行模态特性参数，进而得出相应的飞行品质等级。仿真结果表明：结冰会对飞机模态特性造成影响，使得飞行品质降低，严重时可能导致飞行品质发生降级。     

腹下后置大偏距S弯进气道气动特性试验研究

对一种腹下后置大偏距S弯进气道进行高速风洞试验研究,得到了该进气道的工作特性:(1)随着流量系数的增加,进气道出口总压恢复系数略有下降,稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升;当流量系数较大或较小时,进气道出口气流总压脉动均存在局部峰值。(2)在试验研究范围内,来流马赫数和侧滑角的变化对进气道性能影响不大;随着迎角的增大,总压恢复系数有所上升,畸变指数有所下降。(3)进/发匹配点处,进气道出口气流总压脉动功率谱密度分布呈现白噪声特征,对进气道/发动机匹配工作是有利的。     

MEMS阳极键合界面层的力学行为研究进展

回顾了微纳机电系统(Micro/Nano electro mechanical system, MEMS/NEMS)器件工业中所用键合技术的发展和应用,总结了作为其中关键键合技术之一的阳极键合在微纳系统中的重要作用及其主要特点,分析了阳极键合的机理以及所涉及的力学问题,如键合力（静电力、表面力等）作用下的表面粘着;电场作用下接触界面处粒子的扩散、反应;键合界面层中的残余应力等。阳极键合界面层的力学行为及特性直接关系到MEMS器件中微机械结构的安全与可靠性。对这些问题的研究,有助于更好地理解阳极键合,为MEMS/NEMS器件的设计、制造加工以及实际应用提供许多有益参考。     

碳化硅MOSFET的Matlab/Simulink建模及其温度特性评估

为了更好地评估碳化硅(Silicon carbide,SiC)MOSFET在功率变换装置中的性能,需要建立精确的SiC MOSFET模型。针对传统的SiC MOSFET的建模方法的不足,在Matlab/Simulink环境中提出了一种基于先进迁移率模型的SiC MOSFET模型。利用Matlab/Simulink强大的数学处理能力和丰富的模块功能,该模型考虑了实际SiC/SiO_2界面特性的影响。利用SiC MOSFET的产品手册中的实测曲线和所搭建的实验电路的测试结果验证了所建立模型的准确性。基于所建立的模型,研究了SiC/SiO_2非常重要的界面参数——界面陷阱电荷对SiC MOSFET温度特性的影响;从模型和实验上对比了SiC MOSFET与Si MOSFET在开关电路中瞬态温度的变化,结果显示碳化硅功率器件具有非常优秀的温度特性。     

TC21钛合金筒形旋压有限元模拟和工艺优化

应用有限元分析软件ABAQUS对TC21钛合金筒形热旋压工艺进行有限元数值模拟,分析了钛合金在热旋压过程中的受力及变形特性,探讨了旋压温度、主轴转速、进给速度及减薄率对筒形热旋压成形性能的影响。结果表明,随旋压温度升高,最大等效应力减小,等效应变峰值增大,过高( 890℃)或过低(860℃)旋压温度均不利于筒形件的外径圆度精度。主轴转速对等效应力应变变化影响不显著,但会影响坯料起皱和外径圆度精度,主轴转速4 r/s时最为适宜。旋压进给速度或减薄率增加,最大应力区域面积和应变峰值增大,进给速度2.5 mm/s和减薄率35%时旋压件隆起缺陷最为严重。从旋压成形质量考虑,TC21钛合金筒形旋压应以旋压温度860℃、进给速度1 mm/s、主轴转速4 r/s及减薄率20%为宜。     

火星探测器减速着陆过程中若干问题的研究

围绕火星探测器减速着陆过程中涉及的开伞控制技术、降落伞拉直过程的绳帆现象、降落伞充气性能以及物伞系统动力学特性等关键技术问题进行了研究。通过对探测器进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的自适应开伞控制方法,并对其原理和实现方法进行了研究。采用降落伞拉直过程多刚体、多质点、多自由度动力学模型,对绳帆现象进行了数值仿真分析,发现开伞攻角是绳帆现象的主要成因,并提出了设计控制措施。采用降落伞轴向-径向动量守恒充气模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化及开伞载荷的影响规律或特点。利用物伞系统动力学模型,研究了物伞系统减速下降过程的动力学特性。本文研究内容对于中国火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。     

伞-载系统拉直过程动力学仿真研究进展

降落伞拉直过程是关系到伞-载系统安全可靠工作的关键阶段,涉及到三维空间多体系统动力学和变质量变自由度动力学问题。本文综述了柔性降落伞拉出过程动力学仿真技术中的一些关键问题。首先从拉直过程仿真方法进行介绍,通过具体算例分析了各自方法的特点。然后构建了动力学模型中主要因素之间的相互关系,分析了气动力的影响因素及风速对拉出过程的影响。同时阐述了绳段张力的几种计算模型及其特点,指出了它们的一般应用范围。最后,对伞-载系统拉直过程仿真减小数值计算误差的途径及未来需要关注的几个方面进行了探讨。     

微型涡桨发动机动力涡轮叶片与机匣碰撞失效仿真分析

针对某微型涡桨发动机试车过程中出现的叶片断裂及机匣包容性问题,利用接触-碰撞动力学方法模拟了单叶片断裂后对叶片和机匣的碰撞失效过程,对碰撞位置、碰撞中的能量变化、等效应力/应变等进行了分析。结果表明,单涡轮叶片断裂情况下,叶尖和叶根依次与机匣碰撞产生两个撞击点,不考虑其余叶片的影响下,第一个撞击点由于叶尖滑动耗散部分能量,第二个碰撞点受到的冲击更大。考虑整周涡轮叶片旋转情况,断裂单叶片受后方旋转叶片驱使,动能大幅增加了,第一个碰撞点造成冲击更大。因此,在机匣包容性分析中,需考虑其余旋转叶片增强断裂叶片动能的影响。     

多腔体气囊式回收系统的着陆冲击动力学建模与分析

首先对深空探测气囊式回收系统的结构特性进行了分析,讨论了多腔体气囊系统动力学分析模型的构造思路。然后引入一维流管理论描述子气囊之间气体流动的通气孔。最后通过气囊式回收系统着陆冲击过程的仿真分析了通气孔面积对系统着陆缓冲性能的影响,验证了通气孔模型的有效性。分析结果表明,本文建立的动力学分析模型能够较为全面地反映出气囊式回收系统的着陆冲击过程,分析出回收系统的各项工作参数或环境因素对系统着陆缓冲性能的影响。