双驱动型单向弯曲柔性关节弯曲特性

针对气动柔性关节在低气压下弯曲角度受限的问题,采用两个人工肌肉作为动力源进行驱动,设计了一种新型气动柔性关节.该关节由两个人工肌肉并联而成,具有1个自由度,能实现较大的弯曲变形.给出了关节的结构功能和工作原理,基于力/力矩平衡原理分析关节的弯曲特性,搭建试验系统研究关节的弯曲角度.理论分析和试验结果表明:双驱动型单向弯曲关节在低气压下也能实现较大的弯曲角度,关节的弯曲角度与气压呈非线性关系,且随关节结构参数的改变而改变.     

三维应力约束及厚度效应的有限元分析

文章对有限厚度板裂纹端部应力场、三维应力约束进行了初步探究,得到了不同试件的约束参数及相应的曲线.对一定厚度的均匀拉伸和三点弯曲的标准试件,试件的厚度越大,离面约束的面内约束范围越大.根据面内约束分析,随着试件厚度的增加,弯曲试件首先达到平面应变状态.     

结冰对带舵面翼型流场的影响及其气动参数分析

利用计算流体动力学方法模拟了结冰后带舵面翼型的流场变化特征,分析了不同攻角条件下升力系数与舵面偏转角的量化关系,并对比了角冰和脊状冰条件下气动导数的差异.结果表明:与干净翼型相比,结冰后带舵面翼型的升力系数及升力系数关于舵面偏转角的变化率出现了较大降幅;舵面下偏导致的"上洗"效应将会加大冰型对流场的干扰,角冰引起的流动分离尺度受舵面偏转角的影响较大,且随着来流攻角增加而愈加明显;脊状冰可使翼型上表面产生大范围的流动分离,带舵面翼型的失速偏转角大幅提前,升力系数关于舵面偏转角的变化率大幅降低;在角冰条件下,带舵面翼型的相对气动导数呈现出3个不同的变化阶段,且随着来流攻角和舵面偏转角的增加而逐级下降,而在脊状冰条件下则呈现出2个不同的变化阶段,且其降幅更明显.     

理论面积的环面简易展开法—比例圆法

本文从理论上研讨了如何在环面展开图中能得到环面理论面积的展开方法,由此提出一种既能得到环面展开理论面积,作图又很简便的圆环面展开法——比例圆法,分析了比例圆法与圆柱面法展开圆环面之间的差异,并说明了用比例圆法也可非常方便地获得圆柱面法展开圆环面时的图形.     

基于单向气动驱动器的软体手变形机理

针对软体气动驱动器的变形机理,以气动驱动软体手为研究对象,开展了基于单向气动驱动器的软体手指弯曲和摆动机理的研究。设计了气动驱动软体手,其弯曲和摆动结构均由多个相互连通的气室和一个不可延伸层组成。当相邻气室因充气膨胀而相互挤压时,气室受到不可延伸层的约束,实现了弯曲和摆动变形。为进一步考察软体手的变形机理,对620#T超弹性硅橡胶材料的非线性力学特性进行了研究,测定了其材料常系数。基于Yeoh模型密度函数,结合空间力矩平衡方程,建立了驱动压强和曲率半径的理论模型,并开展了软体手指弯曲及摆动变形的仿真研究,结果证明了理论模型的正确性。研究结果可以为其他基于气动驱动的软体结构变形机理研究提供理论基础。     

纤维增强聚合物加固带裂缝圆截面木梁的弯曲

对具有纵向贯穿裂缝圆截面木梁全贴纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP) 布的弯曲加固效果进行了研究. 在组合梁小挠度变形的假定下, 建立了全贴FRP 布加固带纵向贯穿裂缝圆截面木梁弯曲变形的控制方程, 研究了自由端集中载荷作用下FRP 布加固圆木梁的弯曲行为, 并得到了问题的解析解, 分析了FRP 布模量和厚度、梁长细比以及裂缝宽度等因素对FRP 布加固木梁弯曲变形的影响. 数值结果表明, FRP 布加固木梁自由端挠度随FRP 布厚度、弹性模量和剪切模量的增加而减少, 且当FRP 布厚度和弹性模量增加到一定值时, 继续增加其厚度和弹性模量对圆木梁的加固作用已不明显; FRP 布的剪切模量对短粗木梁挠度的影响较大, 且当剪切模量较大时, FRP 布加固可完全消除裂缝因素的影响.     

单向弯曲气动柔性关节弹性钢板疲劳寿命影响因素

作为单向弯曲气动柔性关节重要弹性件和支撑件,弹性钢板属于薄壁件大变形、变载荷,常常出现塑性变形和疲劳断裂等问题,严重影响关节的使用寿命.为研究影响弹性钢板疲劳寿命的因素,采用有限元法分析弹性钢板使用时所受应力状态;通过疲劳试验,分析弹性钢板材料和表面质量对其使用寿命的影响.结果表明:弹性钢板加工产生的表面变质层和裂纹降低了抗疲劳性能,改善钢板表面质量和轧制纹路使用方向能够提升42. 48%的使用寿命.     

计算弯曲变形的几何法

弯曲变形问题本质上是几何问题,即杆轴线上任意点的位移都可以视为由起点处横截面的转角和杆的弯曲导致的。基于此来找出位移与微段杆弯曲、起点处横截面的转角的关系式,引入弯曲变形与内力的关系式,从而将杆的位移表示成杆的弯曲和旋转。该方法可以拓展到任意形状杆件的平面弯曲变形的计算,且对比传统方法更具一般性;而且在增加初参数的情况下,该方法可以分析超静定杆件的弯曲变形问题。通过两个求解杆弯曲位移方程的算例,验证了该方法的正确性。     

来流特性对高速扩压叶栅端壁射流旋涡的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅上,开展了不同来流附面层厚度和湍流强度对端壁射流旋涡发生器控制效果的影响研究。结果表明,与来流湍流强度相比,进口附面层厚度对栅内流动的影响更大,随着其厚度的增加,栅内二次流动增强,损失增大;来流湍流强度对叶栅气动性能的影响减弱。射流旋涡在较小附面层厚度条件下减小栅内损失的效果随着湍流强度的增加而减弱,甚至会恶化其气动性能;而当附面厚度较大时,射流穿透能力减弱,湍流强度的增大将减小射流旋涡上洗区掺混损失并减缓其下洗侧与吸力面间端壁附面层的发展,叶栅气动性能的提高更加显著。当δ=15%H、T_u=10%时,射流旋涡使得栅内损失减小达8.4%。     

芯材厚度及胞孔结构对闭孔泡沫铝三明治梁弯曲性能的影响

采用三点弯曲加载方式对闭孔泡沫铝和铝板胶合成的三明治梁力学性能进行了实验研究.通过实验分析不同的芯材厚度、弯曲加载跨距以及胞孔形状对三明治梁极限承载力以及结构失效模式的影响.结果表明:三明治梁的抗弯极限承载能力随着芯材厚度的增加而增加;结构的失效模式与加载跨距及芯材的厚度有关,失效模式主要有压痕、芯材与面板断裂、面板皱褶及脱黏等形式;规则形状的胞孔芯材与不规则形状的胞孔芯材构成的同样尺寸的三明治梁相比:前者的极限承载力更大,能量吸收能力更高.     

高速公路隧道装配式仰拱接头力学性能研究

为研究公路隧道装配式仰拱结构接头的力学性能,首先建立装配式仰拱接头三维数值计算模型,模拟接头细部结构,分析比较弯螺栓、直螺栓对仰拱接头在不同轴力、弯矩组合作用下接头张开量、转角、螺栓应力以及接触压应力等的变化规律。然后采用大比例尺室内仰拱接头加载试验对模拟结果进行验证。结果表明：接头张开量、转角随着弯矩增加不断增大,接头抗弯刚度不断降低;接头张开量、转角随轴力增加而减小,接头抗弯刚度则不断增大;弯螺栓接头抗弯刚度大于直螺栓接头抗弯刚度;螺栓整体受拉,螺杆受力状态与螺栓形式及接头变形有关,整体上弯螺栓应力大于直螺栓应力。对比分析数值和试验结果,整体变化趋势一致。研究成果为公路隧道装配式仰拱接头设计提供参考。     

负弯矩作用下UHPC湿接缝桥面板裂后性能研究

针对预制拼装桥面板接缝处受力复杂、易开裂等问题,提出了一种新型超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete, UHPC）燕尾榫接缝.通过负弯矩作用下荷载模型试验,研究了不同接缝材料和预应力水平对UHPC湿接缝桥面板极限承载力、破坏形式及裂缝分布等的影响规律.基于试验验证的数值仿真模型,对比分析了不同接缝位置、接缝形式、纵筋率、材料强度及板件厚度等参数对湿接缝受弯性能的影响.研究结果表明：预应力由0 MPa提高到5 MPa,板件开裂应力和极限承载力分别提升40.0%和5.5%;燕尾榫接缝较直角榫接缝与平接缝的开裂应力分别提高7.5%和16.0%,承载力分别提高5.4%和16.0%.燕尾榫接缝整体性好,改变接缝位置对湿接缝受弯性能影响较小;板件开裂应力和极限承载力随材料强度增大而提高,材料强度超过120 MPa时增幅减小;UHPC接缝初裂刚度约为初始刚度的90%,剩余刚度约为初始刚度的25%;初裂后,结构刚度迅速下降,纵筋屈服后,结构刚度退化速度明显减缓,最终刚度保持在剩余刚度;提出了用极限荷载对应位移与开裂荷载对应位移之比为表达形式的UHPC湿接缝桥面板裂后延性系数,本文板件裂后延性系数为10.0~20.0,表明UHPC湿接缝桥面板具有较好的裂后变形能力.     

人工肌肉多自由度弯曲柔性关节的仿生蛇形机器人

设计了一种由气体驱动的波壳伸缩式人工肌肉的、多方向弯曲的柔性关节,阐述了由此弯曲关节为基础的模块、及由多模块构成的蛇形机器人的设计思路.此关节原理采用万向节为柔性骨架,弹性的波壳受气压后轴向膨胀作为肌肉动力.给出了柔性关节的简单结构、蛇形机器人的基本构造、接受与控制系统的硬件组成,气体驱动系统的原理图以及旋转配气阀的结构.     

水泥混凝土路面传力杆应力分析力学模型

应用三维有限元模型分析水泥混凝土路面中传力杆与水泥混凝土的接触状况,并基于弯曲刚度等效原则将传力杆和水泥混凝土面层系统简化为双层梁结构.计算结果表明,弹性地基上双层梁结构可很好地描述水泥混凝土路面的挠曲效应,而接缝处的双层梁相对位移、转角、以及挤压应力合力与三维有限元解的差异,只需对双层梁层间竖向反应模量进行修正即可;随后,总结归纳了相对位移、转角及挤压应力合力修正系数的回归式,讨论给出了接缝传力杆的抗剪刚度与抗弯刚度的计算式,并指出传力杆的传递弯矩的能力很小可忽略.最后,计算分析了梁端部作用集中荷载时,有基层的地基梁接缝传荷问题,指出在接缝抗剪刚度相同条件下,基层存在可使接缝两侧挠度比增大,接缝传递的剪力减小.     

掺复合镍铁渣混凝土梁柱中节点变形特性

复合镍铁渣混凝土与普通混凝土在强度等同条件下,由于泌水效应,前者与水平钢筋的粘结强度显著弱于后者。针对此特性,基于已有试验,分析了掺复合镍铁渣混凝土梁柱中节点的变形特性。节点的变形主要归结为附属梁体的弯曲变形和梁纵筋滑移引起的梁柱界面附加转角变形,本文重点分析后者。从试验现象观察来看,梁体的受弯变形并不明显,而梁柱界面附加转角变形明显。采用数值方法分析了不同复合镍铁渣掺量下的梁柱界面附加转角变形对总体变形的影响。研究表明,随着复合镍铁渣掺量的增加,梁柱界面附加转角增加,占整体变形相当大的比例。提出了梁端等效塑性铰模型,确定了塑性铰长度与梁长、复合镍铁渣掺量、梁纵筋直径之间的关系,可以快速评估复合镍铁渣梁柱中节点的极限变形能力。     

三维曲面柔性轧制辊形计算方法

分析了利用曲面柔性轧制方法实现三维曲面件成形过程中板料厚度变化与轧制变形之间的关系,推导出当工作辊弯曲形状为圆弧时,凸曲面柔性轧制不均匀辊缝的辊缝分布以及工作辊排布函数公式.根据该公式对凸曲面柔性轧制进行数值模拟研究,并通过计算将离散辊全局压下量转化为局部压下分量,得到较好的模拟结果.研制了小型实验装置并进行成形实验,得到典型实验件.数值模拟与实验结果表明,曲面柔性轧制用于成形三维曲面零件具有可行性和实用性.     

蜻蜓柔性后翅模型的气动效能分析

为探究柔性材料对蜻蜓滑翔时气动特性的影响,通过数值仿真的方法,研究杨氏模量为3800 MPa,泊松比为0.18的三维柔性蜻蜓后翅模型在不同雷诺数和迎角滑翔时的气动效能和气动力作用下的结构变形.结果表明:柔性蜻蜓后翅在气动力的作用下会产生明显的弯曲扭转变形,且变形程度随着雷诺数和迎角的增大而增大,其中该扭转变形会使蜻蜓滑翔的实际迎角减小;由于产生了使迎角减少的扭转变形,使得在迎角为5°～30°滑翔时,升力系数减少了9％ ～45％,失速迎角增大10°以上;小迎角滑翔时,升力系数随速度增大而减小,大迎角滑翔时,升力系数与速度无明显相关性;大迎角滑翔时,在气流分离和柔性蜻蜓翼大角度扭转的作用下,上翼面的负压区向后缘移动,增加了负压区面积,增大了失速迎角,有利于提高蜻蜓飞行时的机动性.可见虽然柔性材料虽然会牺牲蜻蜓滑翔时的气动效能,但有助于蜻蜓高速大迎角飞行,提高了蜻蜓的机动性.     

带楼板空间夹心节点抗震性能

梁柱节点是钢筋混凝土框架结构抗震的薄弱环节。为研究其抗震性能,通过MARC有限元软件对带楼板空间夹心节点进行数值模拟分析。研究了不同梁柱混凝土强度等级差、不同剪压比对夹心节点抗震性能的影响,通过对核心区采取加撑角钢的方式探究此种改进措施的可行性。结果表明:夹心节点梁柱强度差超过4个等级时,需采取相应的加强措施;在一定轴压比下,剪压比的增大对夹心节点的抗震是不利的;加撑角钢的约束对空间夹心节点的裂缝和变形有明显的抑制作用,抗震性能有明显的改善。     

交叉簧片柔性铰链的翘曲分析与消除

为揭示柔性铰链的翘曲变形机理,建立了交叉簧片柔性铰链的翘曲模型. 对簧片交叉角为90°和径向载荷为0时的两种特例情况进行了分析. 通过ANSYS有限元仿真验证了此类柔性铰链翘曲变形的存在性.提出了一种可消除交叉簧片柔性铰链翘曲问题的可行方法,即采用簧片对称交叉布局.仿真和实验均表明:采用对称布局的交叉簧片柔性铰链,在受到广义载荷作用时,其变形仅存在于功能方向,翘曲变形得到了完全抑制.