科研融入式研究性教学模式探索--以车辆地面力学及仿生行走课程为例

随着科技的飞速发展,高等教育面临着培养具有创新精神和实践能力人才的新挑战。科研融入式研究性教学作为一种创新教育模式,旨在将科研活动有机融入教学过程,促进学生从被动接受知识向主动探索知识转变。基于此,以车辆地面力学及仿生行走课程为例,探讨科研融入式研究性教学模式的构建与实施策略,分析其对提升学生科研素养、创新能力及专业知识的综合运用能力的影响。

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635 kN/mn+2、变形指数n为1.22,剪切变形模量k为1.35 cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。

刚性轮—月壤相互作用预测模型及试验研究

研究在月球表面特殊环境下的月球车牵引通过性能,对保证月球车的正常探测工作具有重要意义。在分析传统地面车辆理论与研究方法的基础上,给出了刚性轮与月壤相互作用的预测模型;使用辉南一带火山灰制备了应用于月面车辆力学基础试验中的模拟月壤;设计制造了月壤—车轮土槽试验系统。最后,在该土槽试验系统下对有轮刺轮与无轮刺轮进行了牵引性能试验,并与模型计算值进行对比。结果表明,所给模型的预测值与实测值有较好的一致性。

月球车驱动轮牵引性能研究

研究在月球表面环境下行驶的月球车牵引性能,对保证其正常探测工作具有重要意义。以长白山火山灰为主要原料制备了应用于月面车辆力学试验中的模拟月壤,研制了月壤—车轮土槽测试系统,对有刺轮与光滑轮进行了牵引性能试验。试验结果表明,有刺轮的最大挂钩牵引力(DP)为光滑轮的5.2倍;当滑转率为10%时,有刺轮在硬路面上的DP为其在模拟月壤上的6.7倍。在此基础上,通过离散单元法(DEM)对驱动轮与月壤相互作用关系进行了细观分析,模拟出驱动轮下月壤颗粒的受力、位移、速度的分布规律及无牵引阻力条件下驱动轮的牵引性能。研究结果为月球车的性能评估和面向月球的高通过性行走机构研制提供基本方法和基础数据。

仿牛角结构薄壁管吸能特性仿真分析

为了提高薄壁金属管的耐撞性能,通过相似性分析,选择牛角作为生物原型。提取出决定牛角耐撞性能的结构特征参数,并应用到薄壁管的设计中,从而设计出一种具有牛角结构特征的仿生管。应用非线性有限元法对仿生管的变形模式和能量吸收进行了仿真分析,并与四晶胞锥管和普通圆锥管进行了对比,结果表明:在轴向碰撞时,仿生管的变形模式为渐进叠缩稳态变形,其比吸能为46.2kJ/kg,分别比四晶胞锥管和普通锥管的比吸能提高了1.3和1.8倍,仿生管的耐撞性能随着芯体壁厚的增加而提高;在横向碰撞时,与四晶胞锥管和普通圆锥管相比,仿生管具有较高的耐撞性能,其比吸能为10.4kJ/kg。将牛角结构特征应用到薄壁管的设计中,可以有效提高薄壁管的耐撞性能,为车辆吸能元件的研发提供参考。

模拟月壤地面力学性质试验研究

掌握与月球车行驶相关的月壤力学性质是我国月球车研制所急需的。在制备了用于月面车辆力学试验用的模拟月壤基础上,通过三轴试验得出模拟月壤的弹性模量为48.8 MPa;通过硬度测量可知,模拟月壤的硬度小于黑壤土,与石英砂接近;通过压板试验可得模拟月壤的变形指数n为1.13,变形模量K为1 056 kN/mn+2,分析可知,随着变形模量和变形指数的增大,其承压能力增大;通过履带板试验可得模拟月壤剪切变形模量k为1.2 cm,分析可知,剪切破坏模量的增大对剪切强度的影响不大,但会使剪切破坏的峰值向后移动;另外,随着内摩擦角Φ和黏聚力c的增加,剪切破坏强度增大。以上研究结果可为月球车行走机构优化设计和通过性能评估提供参考和依据。

月球车驱动轮在不同介质上的牵引性能

在月壤-车轮土槽测试系统上对月球车驱动轮在不同介质条件下的牵引性能进行了试验研究。试验结果表明:当滑转率在0～80%时,挂钩牵引力和效率系数呈现增加趋势,压实2次和4次的模拟月壤分别比自然状态时最大挂钩牵引力提高了38.9%和66.7%,最大效率系数提高了69.9%和171.6%。水泥路面的牵引性能要高于模拟月壤上的牵引性能,且当滑转率为20%时,驱动轮在水泥路面上的挂钩牵引力为其在模拟月壤上的8.2倍。驱动轮在模拟月壤和石英砂上的牵引性能相似,前者略好于后者,当滑转率为10%时,挂钩牵引力分别为36.8N和33.1N。

汽车碰撞中锥形晶胞薄壁金属管吸能特性的仿真研究

薄壁金属管是汽车碰撞时为安全性所设置的吸能结构件。为优化设计金属薄壁管,该文研究了不同锥度、晶胞数的LD2铝合金锥管的吸能特性。用Hypermesh和Ls-Dyna软件,在轴向和偏斜方向动态载荷两种作用下,以初始峰值载荷(IPL)和比吸能(SEA)来表征吸能特性,进行仿真分析。结果是:对于单、双、四晶胞的锥管,IPL均随着锥度的增加而降低;锥管的IPL均低于直管的IPL,SEA随着锥度的增加而提高;随着斜碰角度的增大,锥度为0.3的四晶胞锥管在斜碰的峰值载荷和比吸能均降低。因此,合理地调整锥度和晶胞数,可以提高薄壁管的吸能特性。

驾乘人员受冲击或振动时的心律变异性分析

针对驾乘人员的安全防护,采用生理参数记录检测仪,研究了冲击和振动对人员的心率变异性(HRV)影响。船体冲击试验时,被试者平均心率比航行时最大增加了44.3%,最小增加了1.4%;被试者的差异平均值平方根(rMSSD)、低频率(LF)、高频带(HF)下降,但LF/HF升高。振动试验时,驾驶员在驾驶1h后的平均心率增加了12.6%,副驾驶增加了4.8%;驾驶员和副驾驶的rMSSD、LF和HF均降低,但LF/HF升高。结果表明:在冲击与振动环境下,人员交感神经活动和迷走神经活动减弱;知识越多,年龄、责任越大,心理紧张度呈升高趋势。因此,心率变异性分析在人员的紧张、疲劳监测以及安全防护等方面有广阔的应用与研究前景。

小班《畜牧机械学》课程教学探索

《畜牧机械学》是农业机械化及其自动化专业的一门专业选修课。目的在于增强学生对畜牧机械的学习兴趣,并引导学生掌握主要畜牧机械的性能、结构、原理、安装调整和使用方法,提高学生的专业知识水平。吉林大学农业机械化及其自动化是国家重点学科,师生比接近1∶1,教学以小班为主。文章探索了小班课程教学方法,旨在提高《畜牧机械学》的教学质量,提升学生的专业修养及实践能力。

月面探测车辆牵引通过特性研究

自行设计制造了月壤一车轮土槽试验系统，利用辉南一带火山灰制备了应用于月面车辆力学基础试验中的模拟月壤，设计加工了不同结构参数月球车轮；并在该系统下对有刺轮与光滑轮进行了牵引性能试验，得出TN性轮在模拟月壤上的牵引特性。在此基础上，通过离散单元法（DEM）对刚性轮与月壤相互作用进行了细观分析，得出了刚性轮下月壤颗粒的受力、位移、扰动等规律。研究结果为进一步探索月球车与月壤相互作用和研制高通过性能的月面探测车辆提供了重要参考。

月球车轮与月壤相互作用动力学模拟

在分析月球车轮与月壤相互作用的基础上,应用离散元软件PFC2D对月球车轮在月壤上的牵引通过性能进行了模拟研究。通过双轴试验调整离散元力学模型的细观参数,得到月壤离散元接触力学模型:其内摩擦角为42°,凝聚力为1.554kPa,泊松比为0.41,弹性模量为77.5MPa;通过颗粒与月球车轮接触的平均刚度,确定了车轮前进时的水平速度与沉降速度增量;在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验的对比结果表明,两者趋势一致;有轮刺轮与光滑轮的牵引通过性能对比结果表明,在没有牵引阻力情况下,有轮刺轮滑转率为零,光滑轮滑转率为1.8%;当滑转率为10%时,光滑轮挂钩牵引力为7.71N,有轮刺轮挂钩牵引力为121.6N。

用于月面车辆力学试验的模拟月壤研究

研究月面环境下的车辆地面力学,对保证月球探测车辆的正常工作具有重要意义,而用于月面车辆力学试验的模拟月壤则影响其结果的准确度与可信度。用于月面车辆力学试验的模拟月壤,以月壤样本与JSC-1模拟月壤为参考标准,以吉林辉南县火山灰为主要原料、赤铁矿砂为辅料,通过调整试样的粒径分布与赤铁矿砂含量,使模拟月壤的比重、内摩擦角、凝聚力、承压特性、粒径分布、颗粒形态、矿物组成等参数接近JSC-1模拟月壤,并在月壤样本的参数变化范围之内,表明该模拟月壤可用于月面车辆力学试验研究。

压实对土壤应力分布的影响仿真分析

机械土壤压实是保护性耕作急需解决的难题之一,了解压实土壤内部应力分布是减轻机械土壤压实的关键研究之一。采用离散单元法对车轮土壤压实过程进行了仿真模拟,结果表明:压实后不同耕深的土壤硬度增大,随深度变化明显,且随着土壤压实次数增多,土壤颗粒接触力增大,纵向影响域加深;车轮前3次通过,土壤硬度增加趋势明显,超过3次后土壤硬度虽有增加,但是增加程度不明显,层深为15 cm时,压实3次的土壤硬度相比没压实的增加了155.2%,而压实6次比压实3次仅增加了22.9%。研究成果对田间耕作管理措施的制定以及行走机构的优化设计提供了参考。

轻载荷条件下的筛网轮沉陷

针对月面低重力环境,采用轮上载荷为20~60 N的轻载荷条件,以车轮轮上载荷和速度为试验因素,车轮沉陷为试验指标设计正交试验方案,在模拟月壤3种不同状态下进行筛网轮土槽试验,采集车轮实际沉陷值,并利用激光轮辙形貌测量装置扫描轮辙,采集表观沉陷值。通过回归分析,拟合得到模拟月壤不同状态下筛网轮沉陷关于轮上载荷和速度的二元线性回归方程,方程拟合较好,置信度均为0.99,且相关系数均在0.9以上。对比车轮实际测量沉陷值和回归方程计算沉陷值,二者相对误差范围为0.34%~8.24%。轮辙的表观沉陷与相应的实际沉陷变化趋势一致,且二者沉陷差值随轮上载荷增加呈现线性增加规律,本文结果可为通过轮辙表观沉陷预测车轮实际沉陷提供依据。

基于仿真分析的汽车侧翻风险研究

侧翻事故是汽车产品缺陷可能引发的一种典型风险。文中应用ADAMS软件建立仿真模型,模拟车辆侧翻事故过程以研究其发生机理,并通过正交试验分析了侧翻风险与其主要影响因素之间的关系。

铲式玉米精密播种机振动特性模型建立与试验

为了研究铲式玉米精密播种机播种性能与农田不平度激励产生振动之间的关系,推导了稳态响应与理论粒距关系数学模型。由建立的数学模型得出铲式玉米精密播种机的播种性能主要由播种机的结构特征、播种机工作速度、倾斜圆盘勺式玉米精密排种器与耕作土壤表面间的距离、土壤不平度和土壤粘性决定。理论粒距与实际粒距的对比结果表明,两者分布趋势基本相同,建立的稳态响应与理论粒距关系数学模型可用于对工作状态下播种机的播种性能进行预测和分析。

蚯蚓非光滑体表形貌与降阻特性

以赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)为研究对象,制备了舒张态、静息态、收缩态3种体表试样。利用OLYMPUS体视显微镜及OLYCIATMM3图像分析系统,对蚯蚓体表形貌进行分析,结果表明蚯蚓体表形貌属于典型的波纹形非光滑结构,体部纹理小而密,非光滑单元密度较大,头部纹理大而稀,非光滑单元密度较小。头部舒张态、静息态、收缩态非光滑结构单元体宽度和高度之比分别为1.65︰1︰0.78和0.23︰1︰1.27;而体部舒张态、静息态、收缩态非光滑结构单元体宽度和高度之比分别为1.65︰1︰0.81和0.33︰1︰1.28。利用微黏附力测试系统,对蚯蚓体表展平试样和钢试样进行土壤滑动阻力试验,结果表明蚯蚓体表试样的降阻效果由大到小依次是收缩态、静息态、舒张态;而且,头部比体部降阻效果明显;与钢试样相比,头部和体部收缩态的降阻率分别为39%和29%。该研究可为生物非光滑表面仿生研究以及揭示蚯蚓体表形貌和润滑耦合仿生机制提供基础数据。

基于激光测距仪的地面不平度的测量与分析

将6种平均粒径的石英砂制备成不平地面,使用基于激光测距仪的测量地面不平度专用装置,采集不平地面的空间数字信息并对预处理后的信息进行分析,通过对平均表面不平度标准差h-rms和平均地面能量Pav与平均粒径dav关系拟合曲线以及空间自功率谱密度曲线与频率轴形成的面积的物理意义的分析表明:Pav与地面不平度具有良好的相关性,因此可使用地面能量P实现对地面不平度定量分析;对双对数坐标空间自功率谱密度曲线的拟合直线分析表明,随着地面不平度的增加,拟合直线斜率lg(b)值增大,证明了所提出的通过分析直线拟合方程之间的相对位置和截距来评估地面不平度方法的可靠性。

月壤力学性质对月球车牵引性能影响的模拟

采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟。研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似。在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%。