基于动态啮合刚度的直齿圆柱齿轮动态特性研究

齿轮系统转速直接影响齿轮系统的动态特性,然而在啮合刚度的计算中该因素却被许多学者们忽略。为了研究转速对啮合刚度的影响,基于有限元框架使用平均加速度法提出了一种计算与转速相关的动态啮合刚度的算法,同时对不同转速下的动态啮合刚度进行仿真计算与分析,最后进一步探究了受动态啮合刚度影响后的齿轮系统所具有的相关动态特性。分析表明,动态啮合刚度始终围绕着静态啮合刚度上下波动;随着转速的增加,其波动幅度增加,振荡次数减少;随着转速的变化,动态啮合刚度计算的动态传动误差振幅相对于静态啮合刚度而言大小关系不一致,且计算的齿轮系统共振转速区间或超前或滞后于静态啮合刚度模型;动态啮合刚度影响特定转速区间的齿轮系统的振动周期。对与转速相关的动态啮合刚度的研究可为直齿圆柱齿轮传动性能的改善及减振降噪提供参考。

基于MPGW分布的压力蒸汽灭菌器可靠性分析

浴缸形状的失效率函数因其能够捕捉某些实际情境中的故障率特征,在机械结构可靠性分析中至关重要。引入一种修正广义幂威布尔(Modified Power Generalized Weibull,MPGW)分布,能够建模表征浴缸形状的失效率变化规律。为评估该模型的有效性,本研究使用了压力蒸汽灭菌器故障数据集进行实证研究,并将其性能与5种经典分布模型进行了比较,发现该模型在灵活性上具有较大优势。

非线性曲面梁形态优化及恒压支撑装置设计

基于超前支护设备顶梁支撑结构研究一种恒压支撑装置的设计方法,恒压支撑装置由正刚度线性弹簧、负刚度非线性平面曲梁及承压气囊组合而成。通过对巷道顶板应力场分析,得到支撑结构的边界条件;利用B样条曲线简述负刚度非线性平面曲梁的特点;基于遗传算法与非线性有限元法对负刚度非线性平面曲梁进行形态优化设计;依据恒压支撑装置的工作原理,对线性螺旋弹簧刚度/强度特性进行分析与设计;对恒压支撑装置的零部组件进行设计,实现支撑装置输出压强大小恒定及自我保护功能。恒压支撑装置设计方法为综掘巷道超前支护研制提供了有力技术支撑。

下肢康复减重支撑系统的结构设计与分析

面向我国脑卒中和老龄化等原因导致的下肢运动功能障碍患者,开发了一种基于人体足底压力分布和重心轨迹的双腋支撑下肢康复减重系统。首先,分析研究了减重支撑训练对足底压力的影响;其次,基于人机工程学理论并结合人体重心轨迹研究,对总体结构进行了分析与设计,并确定了相关尺寸;然后,通过静力学分析,验证了结构的可靠性;最后,对减重模块进行了运动学分析和动力学仿真。该系统可帮助下肢运动功能障碍的患者实现模仿正常人行走的康复训练。

基于回归分析法的矩形槽圆管吸能特性研究

为了研究矩形槽圆管吸能特性规律,提出了一种基于回归分析法的结构参数与吸能特性关系的拟合方法。针对轴向冲击下的圆管动态响应,首先,建立了6005A-T6材料的Cowper-Symonds本构模型,并验证了仿真模型的准确性;其次,设计了正交试验,建立了吸能特性与结构参数之间的计算模型;然后,利用多元线性与非线性回归分析方法对计算模型参数求解,并对比了两种拟合结果,得到了峰值力和吸能量的经验公式;接着,对比经验公式与有限元数值计算值表明,经验公式在研究范围内具有较高准确性,误差在8%以内;最后,引入吸能性能指标并使用遗传算法对圆管进行了结构优化,优化结果表明,在研究范围内当直径和槽端距最小、壁厚和槽宽最大、槽深最浅时,矩形槽圆管的吸能性能最优。

基于差分进化算法的减速器齿轮参数优化设计

根据上海道路循环工况,利用载荷的随机连续性和20CrMnMo材料的低载强化特性进行减速器齿轮有限寿命的轻量化设计。基于线性损伤理论,分别计算编制载荷谱和连续载荷谱在低载强化效应下的疲劳损伤,将疲劳损伤约束在一定范围内为选取条件,以齿轮体积最小为优化目标,建立了齿轮有限寿命的轻量化优化模型,通过差分进化算法求解得到优化后的齿轮参数。实验结果表明,设计的模型可快速准确优化齿轮参数,在采用连续载荷谱和考虑低载强化效应时,优化的齿轮参数最小。优化的模型可移植性好,可直接迁移到其他变速系统零件的轻量化设计。

基于μ综合的平面单臂柔性梁鲁棒振动控制研究

针对平面单臂柔性梁轨迹跟踪及末端弹性振动问题,提出了基于μ综合的控制方法对其进行抑振控制。首先,采用假设模态法描述弹性变形,并基于Lagrange方程建立动力学模型;其次,考虑载荷质量和结构阻尼的参数不确定性及建模摄动,运用线性分式变换,选用加权函数建立混合不确定模型。通过引入理想模型改进μ综合的标准控制结构,提高了系统收敛性并改善了闭环系统性能。基于μ综合控制方法,设计了系统鲁棒控制器。仿真结果表明,控制器的结构奇异值上下界均小于1,表示系统具有良好的鲁棒稳定性及鲁棒性能。通过与PD控制器对比分析,表明在存在不确定性和干扰的情况下,所提出的控制策略能更高精度地进行轨迹跟踪,更有效地衰减末端振动,验证了该控制策略的有效性。

基于分形理论的变齿厚齿轮接触应力分析

为了更准确地反应变齿厚齿轮齿面真实接触应力,构建了变齿厚齿轮的齿面接触系数,并对其合理性进行了验证。基于分形接触理论和Hertz接触理论建立了综合考虑齿轮齿面粗糙形貌、接触点弹性变形、材料特性等参数的变齿厚齿轮接触模型,计算变齿厚齿轮的接触强度,并与有限元计算结果进行比较,验证了方法的有效性。通过分形理论得出齿轮啮合时载荷与面积的关系,并对4个基本参数进行仿真,分析分形接触模型的效果。结果表明,通过数值模拟和分析实际接触面积与载荷的关系图,验证了分形接触模型的准确性。基于有限元理论、Hertz接触理论和分形理论,对变齿厚齿轮的齿面接触强度进行了比较和分析,验证了分形接触模型计算变齿厚齿轮接触应力的正确性,该模型的建立为变齿厚齿轮的设计与强度校核提供了一定的理论依据。

基于Edem-RecurDyn联合仿真的火车皮厢底冻黏浮煤清扫机构性能优化分析

火车皮作为煤炭运输的主要设备之一,其运输效率一直是煤炭运输行业的关注重点,在北方地区冬季低温条件下,影响运输效率的主要原因是煤炭中所含的水分与凹凸不平的车厢内表面形成黏附,逐渐由车厢表层向煤炭内部扩散,最终产生冻车现象导致设备无法继续运行。首先,以不同清扫方式现存的问题为出发点,结合实际的工程项目,设计了一款自动化冻黏浮煤清扫机构并对其清扫性能进行优化研究。其次,通过理论研究分析建立浮煤冻黏颗粒模型,分析清扫过程中滚刀的运动情况并建立力学模型和数学模型。最后,联合多体动力学软件RecurDyn对清扫机构底部清扫滚筒性能进行仿真研究,求解不同滚筒转速、牵引速度和清扫深度对清扫性能的影响规律,通过优化寻求清扫阻力最小、能耗最低的性能参数匹配方案。结果表明,清扫机构的清扫效率受滚筒转速影响较小,随滚筒转速提高,清扫阻力大小在一定范围内波动;随着牵引速度不断提高,清扫阻力先降低后逐渐增高;清扫深度对清扫阻力的影响最大,随清扫深度的增加,其清扫阻力不断增加。根据单因素参数对清扫阻力大小影响规律,取合理范围利用响应面法对其综合影响规律进行仿真试验,得到目标函数后,利用Matlab对其数学模型求解最优解,最终得到滚筒转速为78 r/min、牵引速度为0.05 m/s、清扫深度为100 mm时,清扫机构所受阻力最小、清扫比能耗最低为0.22 kWh/m^(3),清扫机构性能达到最优。

基于SLM成形多孔支架力学性能研究及下颌骨假体设计

组织工程骨是修复大节段骨缺损的重要方法,但如何设计力学性能与宿主骨相匹配的假体仍有待研究。因此,本研究的目的是基于激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术探索多孔支架的力学性能,并应用于下颌骨重建。首先,建立不同孔隙率(50%~80%)的六面体(Hexahedral,HE)、八面体(Octahedral,OC)、体心立方(Body Centred Cubic,BCC)单元结构的多孔支架模型,通过有限元模型分析支架的力学性能。其次,利用SLM成形技术制备力学性能强的多孔Ti6Al4V支架,结合压缩试验评估支架的力学性能。最后,利用最小二乘法拟合支架的孔隙率-弹性模量曲线,从而获得力学性能与下颌骨缺损区域相匹配的多孔假体。结果表明,多孔支架的峰值应力随着孔隙率的上升而上升,且与构型密切相关(BCC>OC>HE);压缩试验证明了不同孔隙率的支架的弹性模量存在显著差异性,且孔隙率与弹性模量成反比。根据六面体单元的Gibson-Ashby模型,计算得到理想的假体的孔隙率为53.1%,并且有限元分析验证了假体的安全性。通过有限元分析和压缩试验证实了不同孔隙率的支架力学性能存在差异,合适孔隙率的假体能够更好地匹配宿主骨的力学性能,为植入物设计提供一定的参考价值。

基于运营数据的发动机压气机叶片裂纹扩展规律研究

为研究航空发动机实际服役中转子叶片在复杂载荷作用下的裂纹损伤扩展规律,基于航空发动机运营数据构建叶片的裂纹扩展寿命曲线,同时采用断裂力学理论建立裂纹扩展速率公式。以高压压气机叶片为实例,通过流固耦合方法构建压气机叶片结构的载荷模型,分别采用Paris、Walker、Newman裂纹扩展速率公式对压气机叶尖区域进行三维裂纹扩展分析。仿真结果表明,三种裂纹扩展速率公式在裂纹扩展前期预测结果与发动机运营数据裂纹扩展曲线具有一致性,可较好地描述叶片裂纹扩展规律;在裂纹稳定扩展阶段,Walker和Newman公式预测结果相对危险,Paris公式预测结果吻合度较高,并且能与厂家技术手册中关于其损伤发展控制要求相互印证。

一种阶梯块谱下的疲劳累积损伤模型

针对阶梯块谱下的材料疲劳寿命预测问题,尤其是已有相关非线性模型的计算参数依赖大量试验数据或较难选取合适的基准值,导致在实际工程中应用有一定局限性。提出了一种新的基于相邻载荷的作用系数α_(i)=(S_(i+1)/S_(i))1/b lg K,该系数中两个参数b、K来自材料疲劳寿命关系式S=KN^(-b)。结合前人的二级、三级、四级应力加载试验结果,分别计算并对比了与多种疲劳损伤模型的结果。结果表明,新模型在疲劳寿命/损伤的预测结果优于Miner模型、Manson模型、Subramanyan模型及Hashin模型,可更为准确地预测阶梯块谱下的疲劳寿命/损伤。

含孔复合材料层合板的单轴拉伸渐进损伤研究

针对复合材料的分层现象,结合考虑材料脆性断裂的三线性内聚力模型,通过Fortran语言,编写了Abaqus用户子程序,建立了三维的含孔复合材料层合板渐进损伤分析模型。针对4种不同的铺层方式,进行了单轴拉伸试验,使用大型商用有限元分析软件Abaqus进行建模,对层合板的孔边损伤进行了分析。结果表明,模型可以较好地预测含孔复合材料层合板单轴拉伸失效的极限载荷和损伤形貌,层合板的失效区域主要集中于孔边。此研究方法和成果可为复合材料层合板设计和维修提供参考依据。

载流导线激励弹性约束轴向变速运动梁主-参联合共振

研究了两端弹性约束轴向变速运动梁的主-参联合共振问题。根据哈密顿原理,推导导电梁在平行载流导线激发磁场中的磁弹性非线性振动方程。由两端弹性约束边界条件得到振型函数,再对方程进行伽辽金积分法离散,然后利用多尺度法得到稳态运动的近似解析解,并对稳态解的稳定性进行了分析。通过算例,用数值方法对解析解结果进行验证,并分析不同参数对共振振幅及频率的影响。结果表明,系统发生主-参联合共振时,弹簧刚度和外激励力主要影响系统振幅,而轴向速度、电流、轴向力对振幅和共振频率都有影响;系统的稳定区域随弹簧刚度的增大而增加。

正弦波纹管填充乳化液式吸能构件吸能特性研究

预折纹式吸能构件是目前冲击地压矿井中唯一使用的吸能结构,具有优异的吸能特性,但在屈曲变形过程中存在载荷波动较大、由于摩擦的作用产生火花等问题。针对上述情况,设计了一种正弦波纹管(变径圆管)填充乳化液构成固液耦合体吸能构件(组合构件),研究了波纹管壁厚、母线振幅与出液口直径三个因素对吸能构件吸能特性的影响。建立平均载荷、载荷波动系数与比吸能的预测模型,利用Abaqus有限元软件的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)粒子算法对模型进行流固耦合分析,通过响应面法对吸能构件的结构参数进行寻优并得到优化结果。研究结果表明,当波纹管壁厚3.959 mm,母线振幅3.721 mm,出液口直径22.161 mm时的吸能构件吸能特性最佳,平均载荷为438.684 kN,载荷波动系数为1.178,比吸能12.123 kJ/kg。通过对比验证,结果具有较高的可信度,为防冲支护装备的吸能环节提供了一种优越的吸能构件。

基于并行拓扑优化的假体股骨柄设计

与股骨接触的假体柄是人工髋关节的主要部件,在全髋置换手术中起着重要作用。采用变密度固体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)拓扑优化方法和多尺度的并行拓扑优化方法,分别得到A型和B型两种股骨柄结构,并将股骨柄结构柔度变化幅度作为对比指标,比较了两种股骨柄对载荷方向变化的敏感度。利用有限元方法对A型股骨柄和B型股骨柄进行多工况下所对应股骨的应力分析。研究结果表明,在3种工况下,A型股骨柄和B型股骨柄对股骨的平均应力分别为14.80、22.55、16.94 MPa和10.89、20.92、16.50 MPa。对B型股骨柄进行压力加载试验,试验结果表明,在内侧测点,试验的应变值与仿真值的平均误差为-1682με,平均相对误差为20.3%;在外侧测点,试验的应变值与仿真值的平均误差为1281με,平均相对误差为19.5%。该方法为股骨假体柄结构的可靠性设计提供了有效参考。

圆柱面结合部接触应力的三维分形模型

为了对机械结构中圆柱结合部的承载能力进行研究,基于Hertz接触理论,并结合修正的三维分形理论,应用三维分形曲面来模拟实际工程中的结合面,在综合考虑宏观特性因素与微观形貌因素的情况下,建立了圆柱结合部接触应力的三维分形模型,并与Hertz接触模型进行了对比分析,证明了所建立模型的合理性。通过Matlab仿真分析得到,从宏观特性因素上,可以选用内接触圆柱结合部,或增大小圆柱体的半径来降低接触应力,提高承载能力;从微观形貌因素上,可以减小分形尺度参数,或减小材料特性参数来降低接触应力。分形维数对接触应力的影响比较复杂:当2.1≤D≤2.5时,增大分形维数,可以降低接触应力;当2.5≤D≤2.9时,减小分形维数,可以降低接触应力。

空气锤钎头的结构优化及疲劳寿命研究

空气锤钎头在钻井过程中表现的低疲劳寿命,大大降低钻井效率,提高了钻井成本。为此,研究空气锤钎头的疲劳寿命并对其结构优化,以提高空气锤钎头的服役寿命。在12.25 in(1 in=2.54 cm)空气锤钎头的基础上,考虑防掉结构,对空气锤钎头整体结构进行设计。提出微型钎头概念并完成了微型钎头样品疲劳寿命实验,使用Ansys/Ls-Dyna和nCode DesignLife软件对微型钎头进行动力学与疲劳寿命分析并与实验结果相验证,对钎头基本结构和材料进行确定。将仿真过程运用到钎头本体,考虑钎头本体尺寸和活塞冲击速度等问题对钎头疲劳寿命的影响,对钎头本体进行结构优化。研究表明,采用40CrMnSiMoV的钎头疲劳寿命最佳;钎头本体基本尺寸中,直径对钎头疲劳寿命影响最大;当冲击功变化时,钎头疲劳寿命随末速度的增加而减小;冲击功恒定情况下,当钎头末速度的平方与钎头质量接近时,钎头疲劳寿命最佳。

铀部件表面复合镀层的界面力学行为研究

针对铀部件表面复合镀层界面结合强度较低,甚至出现局部脱落或开裂问题,在磁控溅射沉积工艺下复合镀层界面特性研究的基础上,建立了镀层界面力学行为研究的数值模型,研究了沉积温度、镀层材料性能,以及构件尺寸等对Al/Ti、Al/Al_(2)O_(3)复合镀层界面力学行为的影响。结果表明,沉积温度超过300℃时,外镀层界面会出现较大的应力波动,会直接影响到复合镀层的界面结合强度。因此,Al/Ti、Al/Al_(2)O_(3)复合镀层的沉积温度应不超过300℃。与复合镀层Al/Ti相比较,复合镀层Al/Al_(2)O_(3)不仅能够提高Al镀层和基体界面的结合力,还能够降低界面处的应力波动,将是进一步改善铀及铀合金耐蚀性和耐磨性的主要研究方向。

平纹机织可展收层合壳弹道冲击特性研究

可展收层合壳具有可变形、轻质、成形工艺简单、力学性能均匀等特点,在智能可变形结构上有潜在的应用价值。为了研究可展收层合壳的弹道冲击特性,使用一级轻气炮对三种不同材料制备的可展收层合壳进行弹道冲击试验,获得了不同速度下的冲击试验结果,分析了不同材料下可展收层合壳破坏形式的差异,并计算了相应铺层下可展收层合壳的弹道冲击试验中的总吸收能大小。对可展收层合壳侵彻试验进行了仿真模拟,并与试验结果相对比,验证了该仿真模型的准确性。使用验证后的仿真模型,分析了侵彻过程中弹丸的速度和加速度变化以及层合壳的破坏过程,计算了不同铺层层合壳的弹道极限速度。