复合材料前防撞梁变截面多工况多目标优化设计

本文中综合考虑汽车低速碰撞中的角度和对中两种碰撞工况,结合碳纤维/环氧树脂材料的特点,提出了一种变截面复合材料前防撞梁设计方法。首先,通过低速碰撞两种工况中前防撞梁的仿真计算发现,在等厚度的情况下,为满足侵入量的条件,对中碰撞时所要求的厚度远远大于角度碰撞时的要求,因此,根据对中碰撞时前防撞梁的受力和约束条件,为其提出了中间厚两端薄,即变截面的设计方案。然后,以最小化吸能盒截面力和前防撞梁质量为目标,许用侵入量为约束,两种截面厚度和加厚区域长度为设计变量,基于采集的试验点构建吸能盒截面力和前防撞梁质量的Kriging代理模型,利用NSGA-Ⅱ算法对其进行多目标优化。最终的结果表明,在满足性能要求的基础上变截面设计使复合材料前防撞梁的质量分布更为合理,在不增加质量的条件下,角度和对中两种低速碰撞工况中耐撞性能都得到提高。

立体混合法制毡工艺及其对玻纤增强热塑性材料力学性能的影响

为了改进玻纤增强热塑性复合材料中基体树脂对玻璃纤维的浸渍效果,从而提升制品的力学性能,本文研究开发出一种新型的制毡工艺——立体混合法。该工艺是将基体树脂与玻璃纤维分别拉制成丝束状,展纤后,经改进的开松、混合、气流成网设备制成三维立体结构的连续针刺毡。将制作好的基毡采用层合热压法制备成板材,并对其进行力学性能测试。研究结果表明,制成立体混合毡后的玻纤增强板材浸渍工艺适应性更强,基体树脂与玻璃纤维之间的浸渍距离缩短,接触面积增加,使增强材料浸渍透彻,由该工艺制作出的热塑性板材比传统工艺制作出的板材浸渍效果好。在同等克重和玻纤含量条件下,其拉伸强度、弯曲强度、抗冲击强度有了大幅度提升。

地基水平运动时高桥墩的动力屈曲仿真分析

将高桥墩简化为一端固支一端简支的受压杆,考虑大变形和混凝土的特殊本构关系,通过仿真分析得到在不同强度地震波下高桥墩从产生横向小幅振动到大幅振动直至失稳的全过程;得到了地震波冲击时高桥墩失稳的临界地震加速度和失稳时刻。通过算例的数值仿真分析比较了地震波幅值以及桥面质量大小对位移幅值响应曲线、临界地震加速度和失稳时刻的影响。所得结论对高桥墩的设计具有重要的指导意义。

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7%(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

玻纤增强聚丙烯复合材料的应变率敏感特性

采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表明:GF/PP复合材料在低应变率范围内对应变率是敏感的,随应变率的增加,其断裂应力和抗拉强度增大;随玻璃纤维含量的增加,其所对应的应变率效应反而有所下降。同时,Burgers模型能够有效地拟合预测出该材料的拉伸应力-应变曲线,与实验曲线相比,进一步验证了GF/PP复合材料的应变率敏感特性及其变化趋势。

纤维增强复合材料汽车保险杠防撞梁的轻量化研究

探讨了用于车身结构的两种常用纤维增强型复合材料——长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(LGFT)和连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)在汽车保险杠防撞梁上的轻量化应用。开展了LGFT和CFRP材料的制备及相关力学性能测试,基于实验与反求分析获取有限元仿真分析相关参数。以某车型铝制保险杠防撞梁为原型,采用LGFT及CFRP复合材料进行等刚度设计,综合分析了复合材料保险杠防撞梁相对于铝制防撞梁的耐撞性和轻量化性能。结果表明,在满足耐撞性能要求下,LGFT与CFRP防撞梁轻量化效果明显,相对于原铝制保险杠防撞梁质量分别减轻了11.2%和46.1%。因此,在等刚度设计条件下,纤维增强型复合材料能更好地实现汽车保险杠防撞梁的轻量化要求。

基于M-K模型计算FLC无条件收敛新算法

M-K失稳模型的无条件收敛与快速求解对成形极限曲线(forming limit curve, FLC)的获取具有重要的理论意义与研究价值,也是理论FLC计算的难点之一.然而,在M-K失稳模型框架内基于复杂屈服准则计算成形极限曲线时,采用传统牛顿迭代算法无法保证收敛,而固定增量法则计算耗时过长,严重制约了M-K失稳模型的应用场景.因此,文章以锆合金为实验材料,提出了一种自适应增量算法,该算法通过迭代误差信息与震荡情况自适应调整迭代步长,不仅能够保证计算精度,满足无条件收敛,还能大幅提升计算速度.此外,本研究还验证了采用自适应增量法计算锆合金FLC的准确性,并分析了算法的迭代误差Err与初始应变增量对FLC预测结果的影响.结果表明:自适应增量法具有无条件保证收敛、计算速度快以及计算结果不受初始迭代步长影响的优势,其计算耗时仅为固定增量法的0.44%;此外,本研究认为初始参数中迭代误差小于10-6、初始应变增量小于0.001是得到稳定的FLC结果的前提条件;根据对锆合金FLC预测结果可知,在M-K模型框架内基于Yld2000-2d屈服准则理论采用自适应增量法计算可以很好地描述锆合金的塑性行为.由于自适应增量迭代法简单易用且计算高效,有望应用于有限元软件中子程序的开发,加速其计算速度并提高锆合金数值模拟精度.

基于电子阀工况的永磁步进电机剩余寿命预测

微型永磁步进电机作为电子阀核心器件,其运行状态对电子阀能否正常执行操作有着直接影响。为了准确掌握电机剩余寿命情况,提出了一种考虑个体差异Wiener过程的剩余寿命预测方法。首先通过分析电机性能退化失效过程,选取相电流有效值作为性能退化特征量;其次由于同型号多台电机同时参与实验,建立考虑个体差异Wiener过程的电机性能退化模型并基于EM算法进行参数估计;最后,设计一种将启停次数作为电机剩余寿命参考的实验,并与基于传统Wiener过程的预测结果进行对比。实验结果表明所提方法平均预测误差下降了3.74%,具有更高的预测精度。

机器人关节非线性摩擦模型关键参数反求

机器人关节非线性摩擦的准确描述对提高机器人轨迹精度、定位精度及其可靠性等具有重要理论意义和科学价值.然而,机器人关节通常包含电机、减速器、驱动器和传感器,是一个复杂的机电耦合系统,随服役时间及工况的变化,机器人关节的摩擦参数也存在显著时变效应,难以准确描述,造成轨迹精度下降,为机器人后期精度维护造成巨大困难.因此,本文定量评价了摩擦参数对机器人输出力矩的影响,提出考虑时变效应的机器人关节非线性摩擦参数反求方法.首先,建立机器人关节一般非线性摩擦模型.设计机器人关节恒速跟踪实验,通过卡尔曼滤波对实验采集的数据进行处理,进而建立关节速度和驱动电机电流之间的关系,完成关节一般非线性摩擦模型建立.其次,择取非线性摩擦模型关键参数.建立包含非线性摩擦的机器人动力学模型,基于激励轨迹计算各关节力矩,并对其开展灵敏度分析,择取对关节力矩灵敏性较高的摩擦参数.再次,建立关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集.基于实际工况构建摩擦参数取值空间,采用最优拉丁超立方法对摩擦参数采样,并将其代入机器人动力学模型计算出相应的力矩,从而求得关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集.最后,建立反问题神经网络并对其进行训练,实现非线性摩擦模型关键参数反求,并进行验证.研究结果表明关节非线性摩擦的准确描述减小了机器人低速运动换向时摩擦力矩突变对机器人轨迹的影响,显著提升了机器人轨迹精度.

工程概论与技术创新课程在新工科通识教育中的作用探索与实践

围绕新工科专业的工程思维和推理、工程伦理等核心工程通识能力,并结合河北工业大学“工学并举”的办学特色,对工程概论与技术创新课程在新工科通识教育中的作用进行探索研究,并在全校工科专业进行教学实践。三年的教学实践效果表明,课程对于引导学生树立大工程、复杂工程的观念,培养学生在工程可靠性、工程标准化与技术创新等方面的基本工程素养,树立职业伦理责任和规范等方面取得显著效果,达成新工科工程通识教育的目标。同时,该探索也为新工科通识教育体系的完善提供借鉴和参考。

基于工学并举思想的本科生导师制实践与探索

为提升本科教学质量,加快推进“双一流”建设目标实现,结合河北工业大学“工学并举”的教育思想和办学实践,提出“工学融合和轮值组长”为特色的“拔尖班”本科生导师制的培养模式,并在车辆工程专业进行教学实践。结果表明,该培养模式有利于解决本科生导师制实施过程中“学院—导师—学生”闭环体系缺失、师资力量不够、导师履行职责欠具体、导学断层、学生参与积极性不高、导师和学生之间互动性较差等关键问题,显著提升本科生学习内驱力及对复杂工程问题分析能力。实现对工科专业本科生精准化、个性化的培养目标,可极大提升本科生培养质量水平,该培养模式实操性强及推广价值显著。

多工况下油罐车罐体的轻量化设计

油罐车罐体约占整车质量的12%~24%,对其进行轻量化设计对降低发动机油耗、提高油罐车的操控稳定性等至关重要.然而,金属罐体结构已趋成熟,基于通用金属材料性能及其对应结构层面上的优化已难以满足当前高性能轻量化油罐车的需求.考虑到油罐车多工况工作条件,以及复合材料优异的力学性能和可设计性强的特性,构建了一种新型轻质复合材料罐体结构.基于参数化建模方法构建罐体的三维模型,并通过数值模拟方法详细研究罐体在静态和动态条件下的应力分布情况.通过模态分析来确定罐体的主要基本阶的固有频率和相应振型,为发动机选型提供参考依据.结果表明,在满足多工况性能要求的前提下,复合材料模型质量比钢材降低了64.1%,比铝材降低了19.8%.

温度对不同预加张力作用下的电容式压力变送器测量精度影响

为提高电容式压力变送器测量精度,研究温度和中心测量膜片预加张力对其影响。采用流固耦合等效分析方法,以测量膜片位移为分析指标,通过DIC(digital image correlation)实验验证预加张力大小,分析20~70℃时,不同预加张力条件下测量膜片位移变化。结果表明:无预加张力时,温度与位移为二次曲线;有预加张力时,温度与位移为线性关系,其线性系数是一种灵敏度系数。位移相对于基准位移的位移偏移量ε随温度增加;预加张力增加,ε减小。给定预加张力下,温度与ε为线性关系,其系数为两个灵敏度系数之差,给定温度下,预加张力与ε是非线性关系,预加张力与灵敏度系数为幂函数关系。结果可为提高电容式压力变送器可靠性提供参考。

幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性研究

研究了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的流动特性,通过边界层动量积分法求解了Brink⁃man-Darcy流动模型的动量方程,得到了幂律流体在部分填充多孔介质平板通道内的无量纲速度分布。计算分析发现,未填充多孔介质区域的无量纲速度和速度峰值随填充厚度的减小先增大后减小,填充厚度较厚时:随达西数与幂律指数的减小而增大;随着填充厚度减小,达西数对速度峰值的影响减弱,速度峰值随幂律指数的减小而减小。

高维数据自适应降维方法

针对复杂装备及结构中高维信息导致的反求设计、优化设计、可靠性设计与分析时计算难度大、计算效率和精度低等问题,提出高维数据自适应降维方法—引导约束自编码降维方法。该方法基于主成分分析法能根据高维数据的相关性得到高质量的线性低维数据,与无监督训练的自编码器具有对降维数据质量自我重构的特点,提出正交引导和正交约束的双重策略,对自编码网络进行无监督训练,以达到高精度、高效率降维的目的。该方法主要有以下策略:首先利用主成分分析法快速得到由特征向量构造而成的具有正交特性的投影矩阵,然后将其用于预设自编码器中的可训练参数,以保证初始训练参数的正交性;其次在自编码器训练中继续施加权值正交约束即无相关性特征约束,以减少信息的冗余从而保证低维数据的独立性;同时,施加单位范数约束以避免梯度消失,最终得到具有高度正交特性的降维特征。为验证该方法的有效性,将该方法用于碳钎维和玻璃纤维混合铺层的复合材料层合板的材料参数反求,通过参数反求的精度来评估不同降维方法的性能。研究结果表明,该方法可高效的得到高质量的线性及非线性降维信息,有效克服了主成分分析法仅可实现高维信息的线性降维和标准自编码器降维数据精度低的缺点,并且显著提高了复合材料层合板的参数反求精度。

短距离压电式喷射点胶卫星滴形成机理及抑制策略

喷射点胶是微电子封装领域的核心技术,射流破碎产生的卫星滴会造成基板污染、胶点形状不规则等,是点胶技术面临的难点问题。压电式喷射点胶的真实服役工况是短距离(0.7~1.2 mm)射流过程,射流破碎发生在液滴接触基板之后,破碎机制复杂,卫星滴形成机理尚不明晰。以某环氧树脂胶水为研究对象,基于试验与数值模拟研究了短距离喷射点胶过程中卫星滴的形成机理,并基于此提出卫星滴抑制策略。研究表明:短距离喷射点胶卫星滴的形成模式可分为三类:第二次射流破碎在卫星滴下方、两次射流破碎同时发生、第二次射流破碎在卫星滴上方,其中第三类卫星滴最容易形成散点;卫星滴生成率与射流破碎时间呈负相关关系,减小射流速度、降低喷射高度与喷嘴温度可有效提升射流破碎时间,降低卫星滴生成率;通过增加微喷孔长径比、喷嘴锥角或在喷嘴内部增设台阶等结构设计来降低射流速度,有利于抑制卫星滴的形成。

机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。

具有确保安全距离的A^*路径优化方法

机器人或机械臂在工作空间中,路径的合理规划是提高搜索效率、减小搜索距离、确保作业安全的关键。现有的路径规划算法搜索过程复杂,在减小搜索距离的同时牺牲了对安全性的高可靠度考量。因此,本文提出一种改进的A^*路径规划算法,在保证搜索效率的同时,确保沿着路径执行任务时的安全性。通过4邻域搜索A^*算法与多邻域搜索A^*算法的搜索时间、搜索距离、转折点个数对比,选择搜索时间较短,转折点个数较少的4邻域搜索作为搜索方式;在标准A^*算法中加入安全距离矩阵,并改进其启发函数。提出针对不同环境条件下保证路径安全性要求的具体方法;提出基于不同环境工况条件下可确保安全距离的轨迹优化方法。研究结果表明本研究提出的改进A^*算法的路径转折点少,搜索时间短,后处理简便,且能确保沿着路径执行任务时的安全性。

基于运行规律和TICC算法的风电SCADA高维时序数据聚类方法

针对大型风力发电机组高维SCADA时序数据的工况识别问题,结合风电机组运行规律和TICC算法,提出一种自动分割聚类方法。从高维的SCADA数据中选取风速、转速和桨距角等少量特定参数作为初始分割聚类对象,分析特定参数的运行规律,确定风电机组理论的运行工况。选取一段特定参数的历史数据,利用TICC算法进行离线聚类分割,获得聚类的最优特征参数。将最优特征参数作为TICC算法的输入,对新的特定参数时间序列数据进行分类。最后根据特定参数时间序列的聚类结果,对未进行分割的SCADA时序数据进行聚类处理。选取某2.5 MW双馈风电机组的SCADA时间序列数据对方法进行验证,同时将所提出的方法与FCM算法、GMM算法、K-Means算法进行对比研究。实例验证和对比研究表明,所提的聚类方法充分融合理论知识和TICC算法的优点,可高效处理高维SCADA聚类分割问题,同时保证聚类结果与理论分析结果一致性。

序言

先进机电装备是机械工程科学与电气工程、材料科学与工程、人工智能等交叉学科的集中载体,涵盖了“机械工程学科+”相关的基本科学过程与工程化实现。现代工业的快速发展对先进机电装备的可靠性与智能化提出了更高的要求。先进机电装备所集成的复杂子系统在全生命周期服役过程中存在多目标、多变量、多尺度的耦合关系,其动力学行为呈现随机性与时变性的非线性特征。先进机电装备可靠性与智能化共性科学问题、关键技术、产品集成化与工程化应用已成为国内外研究者广为关注的热点和难点,以先进机电装备为核心的多学科交叉产教融合联合攻关具有理论和工程实际意义。