软体机器人结构机理与驱动材料研究综述 被引量：66

1

作者 李铁风 李国瑞 +3 位作者 梁艺鸣 程听雨 杨栩旭 黄志龙 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第4期756-766,共11页

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景.智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能.介绍了... 软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景.智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能.介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人.从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人.还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型.介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望. 展开更多

关键词 软体机器人 智能材料 仿生机理

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二维十字排列椭圆孔声子晶体带隙研究 被引量：1

2

作者 高楠 李剑 +1 位作者 鲍荣浩 陈伟球 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期811-818,共8页

采用有限元及实验方法,研究二维十字排列椭圆孔声子晶体中弹性波传播的带隙以及人为引入的夹杂对带隙的调控.当声子晶体薄板沿板厚方向均匀施加面内激励时,将激发面内的动力响应,对应于平面应力状态.基于逆向思维,针对二维十字排列椭圆... 采用有限元及实验方法,研究二维十字排列椭圆孔声子晶体中弹性波传播的带隙以及人为引入的夹杂对带隙的调控.当声子晶体薄板沿板厚方向均匀施加面内激励时,将激发面内的动力响应,对应于平面应力状态.基于逆向思维,针对二维十字排列椭圆孔声子晶体薄板,建立平面有限元模型,计算该模型沿晶格ΓX方向的波动传输特性,分析孔洞长短轴之比、孔隙率和线缺陷等因素对带隙及弹性波传播特性的影响.制作与计算模型同尺寸的声子晶体试样进行传输特性实验,测试结果与有限元仿真结果吻合.结果表明,带隙的宽度随着椭圆孔长短轴比例的增加而增大,可以通过引入合适的线缺陷来反向调控声子晶体的带隙. 展开更多

关键词 声子晶体 十字排列椭圆孔 带隙 弹性波调控

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气压扰动下介电弹性体球膜的随机响应分析 被引量：3

3

作者 金肖玲 王永 黄志龙 《动力学与控制学报》 2017年第3期250-255,共6页

研究随机扰动的压力和恒常电压联合作用下的介电弹性体球膜,发展随机响应的分析方法并总结其规律,为计及介电弹性体的应变强化现象,其力学性能由Gent应变能模型描述,压力扰动近似为高斯白噪声.引入能量相关变换并应用随机平均法导出了... 研究随机扰动的压力和恒常电压联合作用下的介电弹性体球膜,发展随机响应的分析方法并总结其规律,为计及介电弹性体的应变强化现象,其力学性能由Gent应变能模型描述,压力扰动近似为高斯白噪声.引入能量相关变换并应用随机平均法导出了关于系统总能量稳态概率密度的简化Fokker-Planck-Kolmogorov方程,并解析得到方程的解,从而得到球膜伸长比及其变化率的稳态概率密度,进而得到伸长比的各阶统计量.研究针对两种典型情形进行,即球膜在伸长比为1附近的振动及球膜在材料拉伸极限附近的振动.详细讨论了激励强度、材料参数及常电压值对伸长比统计量的影响,特别强调了不同的材料参数和常电压值引起的不同振动模式.蒙特卡洛模拟证实了分析结果的有效性和精度. 展开更多

关键词 介电弹性体 球膜 随机平均法 随机响应

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多晶石墨烯力学性质的分子动力学研究 被引量：2

4

作者 鲁莹 钱劲 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2016年第9期901-914,共14页

实验中纳米压痕被广泛用于测量单晶或多晶石墨烯的力学性质,而分子动力学模拟中研究者们更多地使用单轴拉伸来测量石墨烯的力学性质.两种测量方法对于多晶石墨烯弹性模量和破坏强度的预测是否存在差异?多晶石墨烯的力学性质是否依赖于... 实验中纳米压痕被广泛用于测量单晶或多晶石墨烯的力学性质,而分子动力学模拟中研究者们更多地使用单轴拉伸来测量石墨烯的力学性质.两种测量方法对于多晶石墨烯弹性模量和破坏强度的预测是否存在差异?多晶石墨烯的力学性质是否依赖于其晶粒大小?对于固定晶粒大小的多晶石墨烯,拓扑结构的不同是否影响其力学性质?围绕以上问题,通过对比纳米压痕和单轴拉伸两种方法的分子动力学模拟,研究了多晶石墨烯弹性模量和破坏强度对晶粒尺寸、拓扑结构和测量方法的依赖性. 展开更多

关键词 多晶石墨烯 纳米压痕 单轴拉伸 弹性模量 破坏强度 分子动力学

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压电超构材料及其波动控制研究:现状与展望 被引量：9

5

作者 袁毅 游镇宇 陈伟球 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第8期2101-2116,共16页

弹性波超构材料是一种人为设计的周期结构材料,因其独特的力学性能而受到广泛的关注,在军用和民用领域都展现出重要而独特的应用前景.根据需求主动或被动地调控弹性波超构材料的力学特性,能够赋予其更强的适用性能.其调控的方式多种多样... 弹性波超构材料是一种人为设计的周期结构材料,因其独特的力学性能而受到广泛的关注,在军用和民用领域都展现出重要而独特的应用前景.根据需求主动或被动地调控弹性波超构材料的力学特性,能够赋予其更强的适用性能.其调控的方式多种多样,其中运用压电材料进行调控是一种方便、速度快、精度高、体积小且价格低的调控方式.文章中首先简要地介绍弹性波超构材料、可调超构材料、压电材料和几种常用的分流电路的基本特性.然后依据压电材料在弹性波超构材料中应用形式的不同,将其分为两大类:第一类中,压电材料作为主体结构材料或主体结构的一部分组成材料;第二类中,压电材料主要以压电弹簧或压电片的形式贴附于主体结构的表面或内嵌在结构中,作为激励器或/和传感器.文章主要介绍两种类型弹性波超构材料的研究内容和发展历史,涉及带隙调控、波导、负折射、超传输、拓扑态、隐身以及外接分流电路等.最后总结压电弹性波超构材料研究的不足之处并给出相应的未来研究展望. 展开更多

关键词 超构材料 压电材料 波动控制 分流电路

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一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析 被引量：3

6

作者 史惠琦 王惠明 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第6期1719-1729,共11页

介电弹性体(dielectric elastomer)是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体... 介电弹性体(dielectric elastomer)是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用neo-Hookean模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件.理论分析结果与实验结果相吻合.利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法. 展开更多

关键词 介电弹性体 柔性可调焦透镜 焦距 非线性

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弹性纵波在压电-压电半导体周期杆中的传播 被引量：1

7

作者 李德志 张春利 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期1252-1257,共6页

为研究压电半导体周期结构中的弹性波传播特性,本文采用哈密顿变分原理推导出Love型压电半导体杆的基本方程;再在此基础上,针对由压电介质材料和n型压电半导体材料构成的周期杆,分别构建压电介质杆和压电半导体杆的状态方程;通过界面连... 为研究压电半导体周期结构中的弹性波传播特性,本文采用哈密顿变分原理推导出Love型压电半导体杆的基本方程;再在此基础上,针对由压电介质材料和n型压电半导体材料构成的周期杆,分别构建压电介质杆和压电半导体杆的状态方程;通过界面连续条件给出元胞两侧状态向量(轴向位移、电势、轴向应力和轴向电位移)的传递关系,并利用Bloch理论得到压电-压电半导体周期杆的色散方程。数值研究结果表明:初始电子浓度、元胞内压电半导体相的长度比和杆半径对该周期结构的带隙结构有调控作用;当初始电子浓度、杆长比、杆的半径增加时,第一带隙均会下移。该研究结果为基于压电半导体周期结构的器件设计提供了理论指导。 展开更多

关键词 压电半导体 周期结构 Love杆理论 状态空间法 带隙结构 弹性纵波 Bloch理论 压电电子学

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多个局部温度载荷下压电半导体纤维杆的压电电子学行为分析 被引量：1

8

作者 程若然 张春利 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期1295-1303,I0002,共10页

温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控,这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值.本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构,采用一维热压电半导体多场耦合方程,... 温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控,这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值.本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构,采用一维热压电半导体多场耦合方程,基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解.以两个局部温度载荷情况为例,数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响.对于温度改变较大的情况,在COMSOL软件的PDE模块中,采用非线性电流模型,进行数值模拟.研究结果表明:由于两个局部区域的温度改变,在半导体杆内形成了局部势垒和势阱,不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱,为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导. 展开更多

关键词 热 压电半导体 热释电 压电电子学

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考虑微观变形特征的水凝胶均匀和非均匀溶胀分析及其影响参数研究

9

作者 刘岩 王惠明 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期437-447,I0003,共12页

本文给出考虑微观变形的水凝胶溶胀的分析模型,该模型假设构成聚合物网络的单链受到由于周围链的作用而产生类似圆管状的约束,并且认为每个单链变形与网络变形之间存在非仿射关系.利用该模型分析了凝胶在自由溶胀情形,预拉伸凝胶单一方... 本文给出考虑微观变形的水凝胶溶胀的分析模型,该模型假设构成聚合物网络的单链受到由于周围链的作用而产生类似圆管状的约束,并且认为每个单链变形与网络变形之间存在非仿射关系.利用该模型分析了凝胶在自由溶胀情形,预拉伸凝胶单一方向溶胀情形以及具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态情形的变形特征.研究表明,对于自由溶胀的均匀变形情形,水凝胶微观单链与宏观网络的变形相一致,伸长率随链段数的增加而增大,随单链密度的增大而减小.伸长率也会随有效圆管几何参数数值的增大而增大,但是当外部溶剂压力达到一定数值以后单链的圆管约束对凝胶溶胀变形影响逐渐减小.在单一方向溶胀状态下,预拉伸凝胶会出现微观单链和宏观网络伸长率相等的溶胀平衡状态,此时约束应力等于零.具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态时产生径向和环向伸长率不相等的非均匀球对称变形.在刚性核的附近,单链和网络的径向伸长率均大于自由溶胀状态伸长率.在远离刚性核的位置,单链和网络的伸长率均接近自由溶胀状态的伸长率.网络渗透压随有效圆管几何参数数值的增大而降低,溶剂分子体积分数则随有效圆管几何参数数值的增大而增大.所建立的分析模型可以模拟凝胶溶胀导致的微观单链变形. 展开更多

关键词 水凝胶 均匀溶胀 非均匀溶胀 非仿射 微观变形

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参激微机械谐振器幅频响应的翘尾效应及其电热调控 被引量：1

10

作者 刘中华 徐友良 宦荣华 《动力学与控制学报》 2024年第10期51-58,共8页

静电参激的微机械谐振器具有响应幅值大、相位噪声小等优势,近年来成为MEMS动力学领域研究热点.本文研究了微机械梁谐振器在强静电参激下的高阶非线性响应及基于电热电流的响应调控方法.首先,实验发现强静电力参数激励下微机械梁谐振器... 静电参激的微机械谐振器具有响应幅值大、相位噪声小等优势,近年来成为MEMS动力学领域研究热点.本文研究了微机械梁谐振器在强静电参激下的高阶非线性响应及基于电热电流的响应调控方法.首先,实验发现强静电力参数激励下微机械梁谐振器的幅频响应不再是Duffing硬化曲线,而在响应后半段出现“翘尾”现象.接着,建立了非线性谐振器的参激动力学模型,理论分析表明“翘尾”现象是由非线性阻尼和高阶非线性刚度共同作用引起.然后,研究了梁本体的电热电流对参激响应的影响规律,电热电流的引入会增加微谐振器的热弹性阻尼和轴向应力,从而实现响应幅值和共振区间的大幅调控. 展开更多

关键词 MEMS谐振器 参激共振 非线性 幅频响应

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大吨位高强高导铜材料的连续化绿色生产

11

作者 王亚平 王学亮 +8 位作者 仝毅刚 单历元 南福东 张兆瑞 魏帆 李小阳 杨博 黄婧 王婷婷 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期19-30,共12页

系统研究了高强高导铜材料的强化机理和制造技术,提出了“增强强化相”(提高弥散强化相强度)、“超饱和固溶”(提高基体中弥散强化相浓度)、“柔性包裹铜晶界”(提高材料高温强度等新型强化机制)的创新思路,为同时具有高强度和高导电、... 系统研究了高强高导铜材料的强化机理和制造技术,提出了“增强强化相”(提高弥散强化相强度)、“超饱和固溶”(提高基体中弥散强化相浓度)、“柔性包裹铜晶界”(提高材料高温强度等新型强化机制)的创新思路,为同时具有高强度和高导电、高导热的铜基材料成份和显微组织设计提供了理论基础,并在材料学科权威期刊发表相关论文20余篇。发展出高强高导铜的大吨位、连续化、绿色制造技术,实现了全真空大吨位铬锆铜材料的规模生产,具有工艺简单、流程短,所制备的材料结构全致密、显微组织无偏析、性能均匀一致等优点。高强高导铜材料生产项目技术评估价为1500万元,采用混合实施模式(支付西安交通大学300万元现金,发明人技术入股1200万元),与陕煤集团合作成立了发明人技术入股、骨干团队现金参股的混合所有制企业。建成了一期千吨量级生产线,产品在多个国家龙头企业获得规模应用,并即将建设万吨量级生产线,对于国家高铁、芯片、发动机等多个领域关键材料的升级换代具有重要意义。 展开更多

关键词 高强高导铜 强化机制 绿色生产 技术转化

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3D打印仿贻贝足丝结构的黏附性能

12

作者 徐万崟 谢宇 钱劲 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2024年第3期261-272,共12页

贻贝足丝是一种自然界存在的高性能生物黏附器,能够在不同环境下提供贻贝⁃固体表面之间的黏附作用.近年来,许多研究者开始关注贻贝足丝的组成和宏微观结构对其黏附性能的定量影响,为仿生黏附器件的设计寻找思路.该文结合3D打印技术、脱... 贻贝足丝是一种自然界存在的高性能生物黏附器,能够在不同环境下提供贻贝⁃固体表面之间的黏附作用.近年来,许多研究者开始关注贻贝足丝的组成和宏微观结构对其黏附性能的定量影响,为仿生黏附器件的设计寻找思路.该文结合3D打印技术、脱黏实验和有限元方法,系统研究了形状和几何参数对仿贻贝足丝结构脱黏模式和黏附性能的影响机制.该文结果揭示了贻贝足丝的脱黏机理,发现贻贝足丝存在最优的足丝方向角,使其黏附性能最佳,探究了同一角度下足丝线⁃斑块连接位置和斑块底部形状对其黏附性能的影响.最后,模拟了束状仿贻贝足丝结构在竖直拉力作用下的完整脱黏过程,所获得的锯齿状脱黏曲线表明束状结构具有相对稳定的抗脱黏能力.这些研究结果有助于理解自然界贻贝足丝的脱黏行为,可为仿生黏附器件的优化设计提供基础和参考. 展开更多

关键词 贻贝足丝 仿生结构 结构因素 黏附性能 3D打印

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微纳卫星总剂量评估优化

13

作者 佘璇 楼海君 +2 位作者 宋仁庭 李琪聪 金仲和 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期985-993,共9页

针对微纳卫星在空间环境中遇到的总剂量(TID)效应,为更加准确地评估卫星内敏感点的剂量值,基于正二十面体的几何划分方法改进了传统的空间网格划分,宏观计算并验证了粒子透过材料的衰减,实现扇形角等效评估优化。围绕计算准确度和效率,... 针对微纳卫星在空间环境中遇到的总剂量(TID)效应,为更加准确地评估卫星内敏感点的剂量值,基于正二十面体的几何划分方法改进了传统的空间网格划分,宏观计算并验证了粒子透过材料的衰减,实现扇形角等效评估优化。围绕计算准确度和效率,构建形状模型进行比较验证,通过与优化等立体角划分法、正八面体划分法的比较,表明该方法更加稳定高效,计算速度可提高6.4%,更适合评估复杂形状模型。基于改进的三维总剂量评估方法,对形状模型进行针对性总剂量防护,防护效果相较于无差别防护可提高255.1%。研究成果可有效提高微纳卫星总剂量评估效率,保障星内敏感器件在任务周期内的可靠运行,为微纳卫星总剂量防护提供重要参考。 展开更多

关键词 微纳卫星 空间辐射 辐射防护 总剂量 网格划分法

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基于L-S理论的压电球壳广义热冲击分析 被引量：4

14

作者 刘承斌 刘文耀 +2 位作者 陈伟球 王惠明 吕朝锋 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第6期1185-1193,共9页

基于L-S广义热弹性理论,针对压电球壳受表面球对称热冲击作用下的热弹性问题进行分析.从三维压电弹性理论基本方程出发,利用Laplace变换,建立耦合的6阶状态方程;采用层合近似模型,将状态方程转化为关于径向坐标的常系数状态方程.利用界... 基于L-S广义热弹性理论,针对压电球壳受表面球对称热冲击作用下的热弹性问题进行分析.从三维压电弹性理论基本方程出发,利用Laplace变换,建立耦合的6阶状态方程;采用层合近似模型,将状态方程转化为关于径向坐标的常系数状态方程.利用界面连续条件得到球壳内、外状态变量的整体传递关系,结合球壳内、外边界条件,可以确定频域内所有状态变量,通过数值反变换获得时域解.数值算例给出热冲击作用下压电球壳的位移、应力、电势和温度等物理量的分布规律,考察热松弛时间对热冲击作用效果的影响. 展开更多

关键词 L-S广义热弹性 压电球壳 LAPLACE变换 状态空间法 热冲击

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具有表面效应的压电半空间中的表面波 被引量：7

15

作者 周伟建 陈伟球 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第3期597-604,共8页

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于St... 纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据. 展开更多

关键词 表面波 表面效应 压电材料 Stroh公式 频散关系

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周期结构后屈曲新算法及其应用 被引量：3

16

作者 黄屹澜 高楠 +1 位作者 鲍荣浩 陈伟球 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期509-515,共7页

提出了周期结构后屈曲分析的一种新算法。在屈曲点附近,通过加载模型和诱导后屈曲边值问题之间的相互切换,避开屈曲点附近刚度矩阵的奇异性,并诱导结构产生预期的后屈曲变形,避免了以往后屈曲算法中引入几何初始缺陷后对系统带来的可能... 提出了周期结构后屈曲分析的一种新算法。在屈曲点附近,通过加载模型和诱导后屈曲边值问题之间的相互切换,避开屈曲点附近刚度矩阵的奇异性,并诱导结构产生预期的后屈曲变形,避免了以往后屈曲算法中引入几何初始缺陷后对系统带来的可能影响。通过对三种由超弹性材料所构成的周期孔隙结构的后屈曲分析,验证了本文所提出的后屈曲算法的有效性和灵活性。分析了周期孔隙材料多向加载对屈曲模式转换的影响,以及后屈曲变形对弹性波传播带隙的影响,为周期结构中弹性波传播的调控提供良好的基础。 展开更多

关键词 周期结构 孔隙软材料 后屈曲 带隙 弹性波调控

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MEMS力平衡加速度传感器以测量误差最小为目标的控制算法 被引量：3

17

作者 刘志强 夏磊 +2 位作者 张猛 黄志龙 宦荣华 《动力学与控制学报》 2022年第6期94-100,共7页

力平衡传感器(FBA)测量加速度是由反馈控制力与外界惯性力平衡时的控制力计算得到的,力平衡控制算法是力平衡传感器的核心.传统控制算法多以敏感元件偏移平衡位置最小为目标,限制了力平衡加速度计的测量精度和适用带宽.本文以MEMS力平... 力平衡传感器(FBA)测量加速度是由反馈控制力与外界惯性力平衡时的控制力计算得到的,力平衡控制算法是力平衡传感器的核心.传统控制算法多以敏感元件偏移平衡位置最小为目标,限制了力平衡加速度计的测量精度和适用带宽.本文以MEMS力平衡传感器为对象,提出了一种以测量误差最小为目标的力平衡加速度计最优控制算法.引入测量误差新变量,将难以处理的力平衡控制转化为以响应最小为目标的经典控制问题,在此基础上获得了最优控制力的解析表达式,实现了对未知加速度信号的实时高精度检测.分别针对三种不同类型的输入加速度信号(阶跃、周期和随机)进行检测仿真,发现提出的算法能够准确地检测各类输入加速度信号,测量信号频带达kHz量级,同时在该控制算法下敏感元件的振动响应也得到有效控制,保证了加速度传感器的大动态范围.研究成果可为高精度和宽频带力平衡加速度传感器的研究提供基础. 展开更多

关键词 MEMS 最优控制 振动 力平衡传感器

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生物聚合物交联网络的力学响应 被引量：1

18

作者 程传亮 龚博 钱劲 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2016年第5期441-458,共18页

生物聚合物交联网络(crosslinked biopolymer networks)是由肌动蛋白微丝等生物纤维相互交联形成的复杂网络结构,它广泛存在于细胞骨架和生物凝胶等系统中,对维持细胞完整性、使细胞具有主动变形和抵抗被动变形能力起着不可或缺的作用,... 生物聚合物交联网络(crosslinked biopolymer networks)是由肌动蛋白微丝等生物纤维相互交联形成的复杂网络结构,它广泛存在于细胞骨架和生物凝胶等系统中,对维持细胞完整性、使细胞具有主动变形和抵抗被动变形能力起着不可或缺的作用,其力学响应及工作机理对细胞工程、组织工程的发展非常重要.生物聚合物交联网络中交联蛋白的结合能量通常较低,其解离和重连过程容易受到网络结构变形和环境热涨落等因素的影响.实验中发现生物聚合物交联网络在小变形时刚度较低,但随着变形的增加,网络整体刚度会呈现数量级的增加,如果变形继续增加并超过一定阈值,网络刚度将急剧下降,这种应变硬化到软化的现象引起了研究者的广泛关注.已有理论模型和数值模拟发现,生物聚合物交联网络的硬化主要来源于纤维变形模式从弯曲到拉伸的转化,而软化则是由于网络中交联蛋白解离导致结构弱化和应力松弛.从生物聚合物交联网络的微观组成和结构出发,综述了生物聚合物纤维的力学模型、交联蛋白的力学属性和交联方式、交联网络的主要构型以及测量网络力学响应的实验方法,重点讨论了理论建模、有限元模拟、分子动力学等方法在研究生物聚合物交联网络非线性力学行为的进展,旨在为具有不同专业背景的研究者了解并开展生物聚合物交联网络力学响应的相关研究提供参考,也有助于机理化、定量化地理解细胞骨架中蕴含的结构-功能关系. 展开更多

关键词 生物聚合物交联网络 力学响应 聚合物纤维 交联 硬化-软化 非线性

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功能梯度球形水凝胶的化学力学耦合分析 被引量：3

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作者 杨健鹏 王惠明 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第4期1054-1063,共10页

作为一种新型智能材料,水凝胶具有特殊的化学力学耦合性能.采用功能梯度形式可使得水凝胶具有更好的适应性和可调控性.本研究中假设交联密度沿径向按幂函数规律变化,并基于水凝胶的大变形多场耦合一般理论,采用Flory-Huggins自由能函数... 作为一种新型智能材料,水凝胶具有特殊的化学力学耦合性能.采用功能梯度形式可使得水凝胶具有更好的适应性和可调控性.本研究中假设交联密度沿径向按幂函数规律变化,并基于水凝胶的大变形多场耦合一般理论,采用Flory-Huggins自由能函数,建立了功能梯度球形水凝胶在球对称情形的控制方程,并开展了功能梯度球形水凝胶在给定内压和化学势情行的非均匀大变形溶胀行为的理论研究.计算结果表明,不同梯度指数的球形水凝胶的内压、内孔半径曲线和内压、内表面径向伸长率曲线均呈现出一段稳定区间和另一段不稳定区间,说明内压超出某临界值会发生失稳并导致水凝胶的最终破坏.内压的临界值随梯度指数的增大而增大.研究表明,功能梯度球形水凝胶的材料参数(梯度指数、亲疏水特性、交联密度和溶剂分子的体积)和环境化学势对水凝胶溶胀行为具有重要的影响.在给定内表面压力的情况下,功能梯度球形水凝胶内表面的径向位移随梯度指数的改变接近为线性变化,而随其他参数的影响都呈现出明显的非线性.本研究有助于实现水凝胶智能结构和器件在复杂条件下的精准调控. 展开更多

关键词 功能梯度水凝胶 化学力学耦合 溶胀行为 大变形 球对称

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细胞骨架与细胞外基质的力学建模与分析 被引量：2

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作者 龚博 林骥 +1 位作者 王彦中 钱劲 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2021年第10期1024-1044,共21页

细胞和生物组织需要适应人体内复杂的力学生物学环境,一方面要被动地承受外部环境中的机械力,另一方面在组织生长、修复等生理过程中,要积极主动地产生机械力调整自身的结构和形态.细胞和生物组织的力学性质主要由细胞骨架和细胞外基质... 细胞和生物组织需要适应人体内复杂的力学生物学环境,一方面要被动地承受外部环境中的机械力,另一方面在组织生长、修复等生理过程中,要积极主动地产生机械力调整自身的结构和形态.细胞和生物组织的力学性质主要由细胞骨架和细胞外基质决定,它们在微观上都是生物聚合物交联形成的复杂的、各向异性的三维网络结构.这方面早期的力学研究主要集中在通过各种网络模型,理解其普遍存在的非线性响应和硬化行为.近年来随着实验方法、理论建模和计算机模拟技术的大幅进步,这些生命介质的力学性质及其潜在的力学机理得到了更深入的理解.该文回顾了近些年细胞骨架和细胞外基质研究方面取得的部分进展,主要侧重动态交联属性、生物聚合物力学化学耦合赋予的主动材料属性、交联网络塑性和断裂,以及力学训练引发的自适应网络重构.发展细胞骨架与细胞外基质的力学模型与计算方法,分析该类生命介质的复杂力学行为,理解这些力学行为的潜在机制,可以加深人们对细胞和组织的力学生物学认识,并为人造生物材料和细胞组织工程提供基础和参考. 展开更多

关键词 细胞骨架 细胞外基质 生物聚合物网络 力学建模与分析

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