变刚度杆轴向压缩力的实验研究

相关研究多是通过实验方法进行，缺乏理论基础。因此，散粒体阻塞机构的基础理论发展滞后成为散粒体阻塞柔性机构研究的瓶颈。 笔者基于散粒体阻塞技术的理论，构建不同形状散粒体与硅胶膜结合的变刚度杆，并进行对应的轴向压缩实验，探究不同形状的散粒体对变刚度杆轴向压缩力的影响，以期望对基于散粒体阻塞技术的变刚度杆的刚度精准控制提供数据参考。 2 变刚度杆的工作原理 散粒体是几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体，如各种谷粒、饲料、面粉等都是散粒体[7]。大量散粒体堆积形成的体系具有许多奇妙特性，可以引发许多奇特现象，例如巴西果效应、粮仓效应、自组织临界性、雷诺挤压膨胀、阻塞性等。在无序的散粒体间形成屈服应力或应力的弛豫时间超过正常实验时间尺度时，就会发生阻塞[8]。散粒体具有不同于固体、液体和气体的独特物性，处于阻塞状态的散粒体表现出固体的特性，而处于非阻塞状态的散粒体则表现出流体的特性。 基于散粒体阻塞技术的理论，变刚度杆由散粒体和柔性硅胶膜制成。它实现变刚度的工作原理为：当变刚度杆内部真空度为0时，变刚度杆内部散粒体颗粒表现为流体性质，整个变刚度杆表现为柔性杆；然而当变刚度杆内部真空度不为0时，变刚度杆内部散粒体颗粒之间及散粒体颗粒与外膜之间相互作用，致使变刚度杆变得坚硬，从而使得整个变刚度杆表现为刚性杆。通过调节变刚度杆内部真空度的值，可以改变变刚度杆的刚度值，实现变刚度调节。基于散粒体阻塞技术的变刚度杆，其刚度的变化过程就像人类肌肉状态的变化过程（从肌肉放松到肌肉紧张）一样，从一个被动的状态（低刚度状态）转变到一个活跃的状态（高刚度状态）[9]。 3 变刚度杆轴向压缩力的实验研究 为了探究不同形状的散粒体颗粒对变刚度杆轴向压缩力的影响，笔者构建了整个实验装置，见图1。该实验装置由变刚度杆、手动真空泵、气管、直线位移传感器、DD-7测力传感器、JGC-1S静刚度测试仪、支架系统组成。其中，手动真空泵用于提供变刚度杆内的真空度，直线位移传感器用于检测变刚度杆的变形量，DD-7测力传感器用于检测施加在变刚度杆上的作用力，JGC-1S静刚度测试仪用于读取并显示测力传感器的作用力，支架系统用于支撑变刚度杆、固定DD-7测力传感器和施加作用力。 按照散粒体颗粒的不同，将实验分为3组，每组实验进行3次，取3次平均值为实验数据。每组实验包括下压和抬升2个阶段。考虑到实验选材的便捷性和实用性，3组变刚度杆内部的散粒体颗粒分别选用：