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工程力学 2021年第8期38卷 75-84页

作者：喻莹徐新卓罗尧治汕头大学土木与环境工程系广东汕头515000 浙江大学空间结构研究中心浙江杭州310000

基于kresling折纸构型的空间结构受压时会发生多种失稳模式。为了实现破坏模式可控的智能结构,该文采用有限质点法对基于kresling折纸构型的空间结构的失稳模式进行研究,提出通过调节该结构材料、预应力和结构布置的方法对结构刚度和失... 详细信息

基于kresling折纸构型的空间结构受压时会发生多种失稳模式。为了实现破坏模式可控的智能结构,该文采用有限质点法对基于kresling折纸构型的空间结构的失稳模式进行研究,提出通过调节该结构材料、预应力和结构布置的方法对结构刚度和失稳模式进行控制。该文建立了采用有限质点法进行索、杆、膜结构计算的基本流程,通过对kresling双稳态失稳模式的分析验证了分析方法的有效性。对kresling索杆模型、索杆膜模型、嵌套模型的失稳模式进行了分析,研究了弹性模量、预应力水平和结构布置对结构失稳模式和结构应变能的影响。实现了双层kresling模型的失稳模式控制,为设计破坏可控的智能结构提供了一种新的方法。

关键词：有限质点法向量式力学 kresling折纸构型可控失稳索杆膜模型

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基于有限质点法的折纸构型空间结构可控失稳研究

基于有限质点法的折纸构型空间结构可控失稳研究

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作者：徐新卓汕头大学

学位级别：硕士

折纸结构因为能实现复杂的三维构型转换,具有传统材料无法实现的机械性能,因而受到国内外研究者的的重视。目前在机器人、超材料、航空航天、生物医学等领域均有较好的研究成果出现。本文基于有限质点法对kresling折纸构型和Miura折纸... 详细信息

折纸结构因为能实现复杂的三维构型转换,具有传统材料无法实现的机械性能,因而受到国内外研究者的的重视。目前在机器人、超材料、航空航天、生物医学等领域均有较好的研究成果出现。本文基于有限质点法对kresling折纸构型和Miura折纸构型空间结构的力学性能进行分析,主要研究内容如下:首先介绍了折纸的发展历史和国内外的研究现状,以及针对折纸结构常用的研究方法。其次提出将有限质点法应用于折纸结构力学性能的研究分析中。首先整体介绍了有限质点法的基本原理、计算框架和计算流程,其次依据有限质点法的通用计算流程和基本理论概念介绍了质点位移的计算公式和质点的质量计算方法,然后针对杆单元、索单元、膜单元各自的特点,重点介绍了它们各自在单元内力计算思路和方法的不同。再次采用有限质点法对基于kresling折纸构型的空间结构的失稳模式进行研究,提出通过调节该结构材料、预应力和结构布置的方法对结构刚度和失稳模式进行控制。通过对kresling双稳态失稳模式的分析验证了分析方法的有效性。对kresling索杆模型、索杆膜模型、嵌套模型的失稳模式进行了分析,研究了弹性模量、预应力水平和结构布置对结构失稳模式和结构应变能的影响,实现了双层kresling模型的失稳模式控制。最后采用有限质点法对基于Miura折纸构型的空间结构的失稳模式进行分析,提出通过调节该结构的平面角和空间折叠角的方法对结构刚度和失稳模式进行控制,实现了双层Miura模型的失稳模式控制。并通过实验与数值模拟进行对比,验证了该方法的可行性。本文基于有限质点法对折纸构型空间结构进行模拟,实现了折纸构型空间结构的可控失稳,为设计破坏可控的智能结构提供一种新的方法。

关键词：有限质点法向量式力学 kresling折纸构型 Miura折纸构型

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折纸结构的多稳态特性及其减振性能研究

折纸结构的多稳态特性及其减振性能研究

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作者：叶震东南大学

学位级别：硕士

隔振是振动控制领域的重要研究领方向,相比于需要消耗能源的主动和半主动隔振,目前采用最多的是被动隔振。现阶段被动隔振主要采用线性弹簧,依据隔振原理,其无法兼顾承载力和隔振性能,在满足承载力时隔振器的固有频率较大无法解决低频... 详细信息

隔振是振动控制领域的重要研究领方向,相比于需要消耗能源的主动和半主动隔振,目前采用最多的是被动隔振。现阶段被动隔振主要采用线性弹簧,依据隔振原理,其无法兼顾承载力和隔振性能,在满足承载力时隔振器的固有频率较大无法解决低频的隔振问题。为了有效解决低频隔振问题,提高隔振器的隔振性能,近年来准零刚度隔振技术成为被动低频隔振领域较好的解决方案。本文基于kresling折纸构型的双稳态力学原理,提出了一种采用正、负刚度kresling折纸构型并联组成的新型折纸型准零刚度隔振系统。本文借助ABAQUS静力有限元仿真,分析kresling折纸的几何及材料参数对其折展过程中的力学多稳态性质的影响,同时指出现有研究的不足之处。借助参数分析结果选取合适的子构型构建折纸型准零刚度系统并对之进行ABAQUS静力计算,结果表明该系统在静平衡位置具有接近于零的动刚度,且在承载过程中又具有相应的静刚度,把高静刚度和低动刚度结合在一起。本文建立了折纸型准零刚度隔振系统的动力学非线性微分方程,采用谐波平衡法求解方程得到系统的幅频特性公式和振动传递率公式。在此基础上,分析了不同阻尼比、激励幅值和高阶非线性项对幅频曲线和传递率曲线的影响。为了验证作为近似解法的谐波平衡法计算结果的准确性,本文利用ABAQUS时程计算得到折纸型准零刚度隔振系统振动传递率的有限元解,并与理论解对比,结果表明有限元计算结果与理论计算结果吻合的很好,谐波平衡法具有很好的计算精度。依据振动传递率公式,本文分别计算了同等工作条件下折纸型准零刚度系统和线性系统的振动传递率并加以对比,结果表明折纸型准零刚度隔振系统在保持较高的承载力同时也保持有优秀的隔振性能尤其是低频隔振能力,相比于线性系统,折纸型准零刚度系统具有更宽的隔振频带与更低的振动传递率,隔振性能优异。本文也通过制作折纸型准零刚度隔振系统的样机模型并在振动台上进行振动实验验证了上述结论。除了对静平衡位置的准零刚度系统进行动力学分析,本文还计算过(欠)载工况下准零刚度系统的振动传递率,并发现折纸型准零刚度系统比现有准零刚度系统对过(欠)载工况的适应性更强。在对折纸型准零刚度系统的动力学分析中,除了研究其振动动力学性质,本文还针对冲击工况对比分析了折纸型准零刚度系统和线性系统的隔冲性能,ABAQUS冲击时程分析结果表明折纸型准零刚度系统自身的结构动力特性具有优秀的隔冲潜力,相比于线性系统,折纸型准零刚度系统对持时更长的冲击有更好的隔离作用,且在相同条件下冲击传递率远低于线性系统。针对普通橡胶支座刚度大、隔振性能差的缺陷,本文还利用kresling折纸,基于准零刚度隔振原理,对现有广泛使用的橡胶支座设计了一种附加隔振装置,借助ABAQUS时程计算分析改进支座的隔振性能,结果表明安装附加隔振装置的改良橡胶支座相比于普通橡胶支座具有更优秀的隔振性能尤其是低频隔振性能。本文创新性的把古老的折纸艺术与当代准零刚度隔振技术结合在一起,充分利用折纸具有的巨大力学潜力。在对折纸型准零刚度系统的静动力研究中发现,相比于线性系统,折纸型准零刚度系统的隔振频带更宽,起始隔振频率更低,振动传递率也更低,隔振性能尤其是低频隔振性能更加优秀。相比于现有准零刚度系统回复力数学模型的最高阶次普遍为三次,折纸型准零刚度系统的回复力数学模型最高阶次为五次,研究表明回复力最高阶次为五次的折纸型准零刚度系统具有比回复力最高阶次仅为三次的准零刚度系统更长的准零刚度段,也即有效隔振行程更长。相比于现有准零刚度系统,含五次非线性项的折纸型准零刚度系统的动力响应和振动传递率更低,尤其是对过(欠)载工况的抵抗能力更强。基于以上结论可得,新型折纸型准零刚度系统的隔振性能不仅优于线性隔振系统,而且优于现有准零刚度隔振系统。

关键词： kresling折纸构型双稳态准零刚度谐波平衡法隔振

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基于折纸元素的改进型橡胶隔振支座研究

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机械设计与制造工程 2022年第6期51卷 93-97页

作者：王超叶震王玉涛蔡建国南京电子技术研究所江苏南京210039 东南大学国家预应力工程技术研究中心江苏南京211189

为解决因橡胶自身刚度较大,导致橡胶隔振支座作为被动隔振器在低频隔振上效果较差的问题,提出了一种基于折纸构型中kresling双稳态子构型的橡胶隔振支座的附加装置。有限元仿真分析表明,基于折纸元素的改进型橡胶隔振支座有效降低了低... 详细信息

为解决因橡胶自身刚度较大,导致橡胶隔振支座作为被动隔振器在低频隔振上效果较差的问题,提出了一种基于折纸构型中kresling双稳态子构型的橡胶隔振支座的附加装置。有限元仿真分析表明,基于折纸元素的改进型橡胶隔振支座有效降低了低频刚度,相比普通支座具有更优的低频隔振性能,有效拓宽了橡胶隔振支座的适用范围。

关键词： kresling折纸构型准零刚度橡胶隔振支座低频隔振

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