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螺旋形压电悬臂梁多方向振动能量采集器设计及性能分析

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传感技术学报 2024年第04期37卷 551-557页

作者：曹东兴詹昌海李莎莎毛佳佳北京工业大学材料与制造学部机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室

为适应振动环境多方向激励输入，提出一种基于螺旋形压电悬臂梁结构的多方向振动能量采集器。首先把聚偏氟乙烯（PVDF）粘贴在紫铜基层上组成螺旋压电片，进一步由四个螺旋压电片组成双向耦合的振动能量采集器。通过有限元仿真和实验分... 详细信息

为适应振动环境多方向激励输入，提出一种基于螺旋形压电悬臂梁结构的多方向振动能量采集器。首先把聚偏氟乙烯（PVDF）粘贴在紫铜基层上组成螺旋压电片，进一步由四个螺旋压电片组成双向耦合的振动能量采集器。通过有限元仿真和实验分析单螺旋压电片和四片耦合的多方向振动能量采集器的振动特性及能量采集特性，探讨了螺旋形结构几何参数和附加质量对其固有频率的影响、负载电阻对其输出功率的影响以及在不同负载下的开路输出电压和功率。结果表明，半径、径向节距、配重质量和厚度对对单片螺旋压电片的固有频率影响较大。通过对其附加5 g和10 g附加质量，将第一阶固有频率从无附加质量的29 Hz分别降至22 Hz和18 Hz;最佳外接电阻为1×10～7Ω,峰值电压和功率分别为12 V和7μW。对于由四片螺旋压电片组成的多方向振动能量采集器，结果表明其在5 m/s2加速度激振器激励时，输出电压最高可达17 V,具有良好的低频振动能量多方向采集的效果。

关键词：振动能量采集螺旋压电梁多方向低频振动固有频率

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基于高速综合检测列车的构架运动位姿分析

铁道学报 2024年第7期46卷 117-125页

作者：韩志陈春雷李长坤程朝阳傅强贺雨中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京工业大学非线性振动与机械结构强度北京市重点实验室

综合检测列车构架的运动位姿会影响检测系统测量的准确性，为获取检测系统所在构架运动位姿，提出一种基于多加速度计组合的位姿解算算法。对综合检测列车检测系统所在构架中心运动位姿进行测试分析，结果显示，在相同速度条件下，列车... 详细信息

综合检测列车构架的运动位姿会影响检测系统测量的准确性，为获取检测系统所在构架运动位姿，提出一种基于多加速度计组合的位姿解算算法。对综合检测列车检测系统所在构架中心运动位姿进行测试分析，结果显示，在相同速度条件下，列车构架中心位姿结果具有较强的相关性；同时针对多加速度计组合位姿测量方法无法感知线路线形造成的姿态角变化问题，提出位姿补偿方案，并搭建试验模型进行验证。结果表明补偿后横向位移、垂向位移、侧滚角度、摇头角度、俯仰角度的位姿解算结果与试验台反馈结果具有很好的一致性。上述结果可为综合检测列车上搭载的检测系统运动状态下的测量精度分析提供支撑。

关键词：高速铁路位姿测量列车构架试验模型重复性实验

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仿猫类落地姿态的准零刚度隔振器

动力学与控制学报 2024年第2期22卷 85-93页

作者：张伟石沐辰柳超然北京工业大学机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室北京100124 广西大学土木建筑工程学院南宁530004

对设备加装隔振装置是保证其高效工作的重要方法之一.本文从仿生学的角度,根据猫科动物落地时优秀的抗冲击能力,通过观察其落地动作姿态,利用非线性补偿原理,以空气弹簧作为正刚度结构,设计出一种具有非对称刚度特性的高静低动刚度隔振... 详细信息

对设备加装隔振装置是保证其高效工作的重要方法之一.本文从仿生学的角度,根据猫科动物落地时优秀的抗冲击能力,通过观察其落地动作姿态,利用非线性补偿原理,以空气弹簧作为正刚度结构,设计出一种具有非对称刚度特性的高静低动刚度隔振器.以其为研究对象,建立了动力学模型,利用特定的方法对非对称刚度系统进行分析求解,并与数值结果和有限元仿真结果进行对比.结果表明,在较低阻尼以及较高激励幅值下,还会出现倍周期响应甚至混沌响应.同时,通过将本文设计的隔振结构和单一空气弹簧的隔振性能对比,可以得到隔振效果明显优于单一空气弹簧的结论,从而验证了所设计隔振结构的有效性和可行性.

关键词：准零刚度非对称刚度仿生分岔混沌空气弹簧

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叶片丢失后停车过程转子瞬态动力响应分析

航空动力学报 2024年第5期39卷 190-197页

作者：刘畅徐自力霍施宇慕琴琴徐健西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 中国飞机强度研究所西安710089

为揭示叶片丢失后转子系统停车过程动力响应特征,研究了叶片丢失后叶盘转动惯量非对称性及停车过程变转速特征,建立了非对称变速转子瞬态动力响应分析模型,对叶片丢失后转子系统停车过程瞬态响应进行了分析。结果表明:叶片丢失瞬间及转... 详细信息

为揭示叶片丢失后转子系统停车过程动力响应特征,研究了叶片丢失后叶盘转动惯量非对称性及停车过程变转速特征,建立了非对称变速转子瞬态动力响应分析模型,对叶片丢失后转子系统停车过程瞬态响应进行了分析。结果表明:叶片丢失瞬间及转子过共振区,转子系统的瞬态振动响应加剧,并伴有横向固有振动。当转动惯量非对称比例为0.2时,转子系统响应峰值与不考虑轮盘非对称性相差58%。因此,对于大质量叶片或多叶片丢失情况,轮盘转动惯量非对称性就不能忽略,表明所建转子动力学模型可以有效分析大非对称转子停车过程复杂振动响应特征。

关键词：非对称转子变转速冲击效应叶片丢失动力学响应

具有3D负泊松比结构填充的新型吸能盒设计与耐撞性研究

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西安交通大学学报 2024年

作者：陆欢王小鹏陈天宁西安交通大学机械工程学院机械结构强度与振动国家重点实验室

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题，在现有研究的基础上，将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒，探索汽车吸能盒结构的新构型设计，改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先，建立了3D负泊松比结构填... 详细信息

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题，在现有研究的基础上，将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒，探索汽车吸能盒结构的新构型设计，改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先，建立了3D负泊松比结构填充方管和圆管型吸能盒的几何模型，利用落锤冲击实验对3D打印加工的吸能盒样件进行了低速冲击，并建立了结构的低速冲击有限元模型。研究结果表明，结构的落锤实验结果与低速冲击仿真结果吻合较好，证明了结构低速冲击有限元模型的准确性。随后，基于有限元模型，对比分析了填充型方管、填充型圆管和原始方管吸能盒的耐撞性能，研究发现，相较于原始方管吸能盒和填充方管型吸能盒，填充圆管型吸能盒具有更低的初始峰值力、更高的平均碰撞力，综合耐撞性能更优异。最后，结合响应面方法和NSGA-II算法，对填充圆管型吸能盒的耐撞性进行多目标优化，优化结果表明，优化后吸能盒的比吸能提高了14.7%，初始峰值力降低了18.5%，综合耐撞性能得到了明显改善。该研究为负泊松比结构在汽车吸能盒上的应用探索提供了新的思路。

关键词：负泊松比结构吸能盒耐撞性优化设计

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微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

力学学报 2024年第5期56卷 1317-1327页

作者：申峰张杰艾明珠张越东刘赵淼北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微... 详细信息

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

关键词：微流控技术粒子分选微凹槽粒子捕获涡胞

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乘员行为对客舱流场与温度场分布的影响

工程热物理学报 2024年第1期45卷 255-262页

作者：余忠豪张超肖光明杜雁霞桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展... 详细信息

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展了工程适用的舱内混合对流数值模拟方法,并开展了典型算例验证。以某民航飞机客舱为研究对象,对比分析了乘员行为对客舱内流场及温度场分布的影响规律。结果表明,过道位置有乘员站立时显著改变大尺度环流,增大了乘客位置自锁区域的形成,并进风口射流轨迹偏转,导致热量在过道附近聚集。

关键词：客舱气流组织混合热格子玻尔兹曼方法乘员行为热羽流气流自锁

基于无标记视觉算法的核电厂管道振动测量方法研究

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核动力工程 2024年

作者：何孟夫张一鸣覃曼青徐自力廖彤彤核电安全监控技术与装备国家重点实验室中广核工程有限公司西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室

为改善接触式测量手段难以对薄壁管、小支管等结构振动响应进行有效测量的问题，本文提出了基于视觉测量条件下，通过运动放大算法和光流算法，计算不同时刻的相邻帧光流，实现对管道二维方向的无标记视觉结构运动测量。以悬臂梁和核电... 详细信息

为改善接触式测量手段难以对薄壁管、小支管等结构振动响应进行有效测量的问题，本文提出了基于视觉测量条件下，通过运动放大算法和光流算法，计算不同时刻的相邻帧光流，实现对管道二维方向的无标记视觉结构运动测量。以悬臂梁和核电管道两种典型结构为对象进行试验验证，通过对测量对象随机取点的计算数据与激光位移传感器、加速度传感器等测量结果进行了对比。结果表明，管道振动的视觉测量计算结果与激光位移传感器和加速度传感器测量的测量结果基本一致，相对误差小于5%，因此，本文所提无标记视觉结构运动测量算法可作为管道振动测量的一种非接触式测量选择方案。

关键词：视觉测量光流算法管道振动

散射体旋转诱导模态下拓扑声高性能波束成形机理

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西安交通大学学报 2024年

作者：马承志吴九汇宋倩于罗钦西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安交通大学机械工程学院

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋... 详细信息

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋转散射体对模态的调控，能够实现无旁瓣宽频段下对波束波峰宽度以及波束能量衰减速率的近场和远场调控。通过在此结构内部引入错误因素，发现此拓扑声学高性能波束成形器具有较高的容错性，多个错误因素对波束成形的近场远场结果基本不产生影响，这在很大程度上降低了加工制造的难度，同时极大提高了器件的使用寿命。最后分别对宽频带下无旁瓣拓扑声学波束成形以及错误因素介入下波束成形进行了实验验证。该研究提出的全新波束成形方法，将为声学通讯、微纳制造、生物医学和其他微形及多功能声学设备的工程应用带来极大的促进，而且将为光波、电磁波等其他经典波领域带来更多的启发。

关键词：波束成形拓扑声学高容错模态耦合无旁瓣