“新工科”背景下轻工特色高校机械实验室建设探索与实践

“新工科”发展建设背景下,为更好的培养创新意识和实践能力的复合型人才,对接企业需求,文章分析了轻工特色高校机械实验室现状及存在的问题,提出了实验室建设与管理新举措,即引入先进设备和技术建立数字化实验室、建立实验室管理与服务体系、健全实验室安全体系,实现“机–人–环境”三位一体实验室建设新模式。以机械工程学院实验室建设为例,新模式应用推广后效果显著,促进了特色高校人才培养和科研创新的发展。

“新工科”轻工类机械专业实验教学改革与建设

在新工科发展背景下,需要培养学生创新能力和工程意识,从而更好地适应社会需求,对接企业需要。本文分析了传统机械类实验教学存在的问题,探索并提出了新工科建设背景下轻工特色高校机械类实验教学管理与建设改革方案,从实验室分类管理模式、师资队伍、实验室信息化建设、实验教学体系、教学质量体系监督等方面进行创新改革,为新工科背景下高素质、创新型机械人才的培养奠定坚实基础。

聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。

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。

多工位硅胶圈缺陷在线视觉检测系统研究

硅胶圈检测由于缺陷具有种类多、易变形、复杂性高等特点,通过提出多工位、多角度、不同打光方式结合的基于视觉的机电检测系统来解决这类产品的检测问题。整个检测系统的图像处理使用了基于OpenCV库按照实际项目需求进行改进,使用滤波算子、阈值分割和形态学方法。使用VGG16卷积神经网络训练模型在小样本条件对三种缺陷分类和传统视觉检测方法得到的准确率进行对照实验。在小样本下传统机器视觉的检测准确率>98%,优于深度学习的方法。通过Qt完成UI界面的设计。该软件系统使用多线程设计模式编写,并提出了一种多工位循环剔除新方法,具备在线检测计数和剔除功能。就一种特定的硅胶圈产品检测进行实际实验和测试,验证了本系统的可靠性和实用性。

基于似然函数筛选法的旋转轴唇形密封可靠性关键设计因素研究

基于油封的有限元和数值计算模型,分析油封的设计参数对其静态和动态密封可靠性的影响规律。将油封的初始安装过盈量、油侧唇角、空气侧唇角、腰厚、腰长、理论接触宽度、卡紧弹簧的弹性模量、油封主体橡胶的硬度8个设计参数的标准化数据作为输入向量,将油封唇口最大接触压力、泵吸率和摩擦扭矩的标准化数据作为输出向量,建立响应面模型,以输出向量方差得到各设计因素的似然函数值作为评判指标,确定各设计参数对油封密封可靠性的影响程度。结果表明:橡胶硬度、理论接触宽度、弹簧弹性模量、过盈量、腰长对油封动态密封可靠性的影响较显著,油封唇口最大接触压力对弹簧弹性模量、理论接触宽度、橡胶硬度、腰厚、油侧唇角较敏感。综合考虑旋转轴唇形油封的静态和动态可靠性,得到影响其可靠性的关键设计因素为理论接触宽度、弹簧弹性模量和橡胶硬度。

基于机器视觉的PET瓶坯缺陷检测系统设计

针对PET瓶坯缺陷人工检测工作强度大、效率低等问题,基于机器视觉技术设计一套由检测组件、控制组件、输送机构组件以及剔除机构组件等组成的PET瓶坯检测系统。通过Halcon软件对采集的PET瓶坯图像采用中值滤波降噪、自适应阈值方法提取检测区域,并使用改进Canny算法进行缺陷检测。试验结果表明:PET瓶坯检测系统可完成对PET瓶表面黑点、划痕类缺陷检测,试验检测准确率可达97.4%,可以稳定识别不合格瓶坯。

基于混合方法的眼动实验AOI划分及设计评价

为进一步提升工业产品评价类眼动实验的合理性,解决实验中AOI划分缺乏系统方法的问题,提出了基于混合方法的眼动实验AOI划分方法.通过分析混合研究方法的类型和程序,构建基于顺序探究设计的AOI划分方法模型.以评价现调机设计方案的眼动实验AOI划分为例,验证该方法模型的可靠性.在质化研究部分应用扎根理论和质化分析软件,在量化研究部分开展眼动预实验,最终应用因子分析获得现调机的灯箱、接水盘两个AOI,为进一步开展正式眼动实验提供了保障.该研究提供一套易于操作的用于设计评价类眼动实验的AOI划分方法,有助于提升AOI划分合理性,提高眼动实验效率,筛选有价值的研究对象,更好地推动设计评价和产品设计的开展.

研究式课程设计模式探索--以人因工程为例

对人因工程等新兴边缘学科课程设计进行研究式改革探索,以培养大学本科学生"知晓—判断—改进—设计"的工程知识应用逻辑。文章主要从注重开放式设计题目类型,课程设计任务布置时间前移,重视学生发现问题并尝试改善研究习惯养成,课程设计说明书强调逻辑性、多样性和可视化,成绩评定更加重视探索研究精神的价值判断等方面进行研究。实践证明,该课程设计模式可以显著提高学生应用理论知识解决实际问题的兴趣、能力和自觉性,较好地实现了课程设计目的。

可变刚度缓冲鞋垫结构设计及优化

目的设计X型结构变刚度缓冲鞋垫,探究其对糖尿病截趾患者足底表面压力和内部应力的影响。方法基于CT影像建立糖尿病截趾患者足部-小腿有限元模型,根据足底压力分布特征进行鞋垫区域划分。设计X型结构3D打印缓冲鞋垫,通过改变结构面板厚度改变结构的模量,对划分区域填充不同模量的X型结构方案进行仿真分析。结果糖尿病截趾患者足底峰值压力在跟骨区,足趾区选用面板厚度1.2 mm结构、跖骨区选用面板厚度1.4 mm、足弓区选用面板厚度2.0 mm和足跟区选用面板厚度1.6 mm组合后的鞋垫减压效果最好。与赤足相比,此方案鞋垫分别降低足跟区峰值压力、趾骨区峰值压力和足底软组织内部应力40.18%、31.7%和50.45%。结论变刚度下3D打印鞋垫可有效降低足底表面压力、内部应力,减小二次截趾概率。

基于糖尿病患者步态周期足底压力的变刚度鞋垫设计

目的分析步态周期内糖尿病患者足底压力特征,探究变刚度减压鞋垫的优化设计。方法开展足底压力实验,建立包含157例受试者的数据库。分析糖尿病有神经病变、无神经病变患者和健康人的足底压力分布差异,划分鞋垫压力区域,并按照压力梯度在不同鞋垫区域填充多孔单元。构建糖尿病足-小腿-鞋垫有限元模型,分析足跟着地、动态中立和前掌推离3个姿态下足底压力和内部应力的分布特点,探究最合理的鞋垫刚度设计。结果与健康组相比,糖尿病神经病变患者左、右足足跟区峰值压力和高压百分比均有下降趋势,其中左足足跟区峰值压力减少11%(P=0.026),高压百分比减少9.8%(P=0.02)。鞋垫跖骨高压区、足跟高压区分别采用2.5 MPa和1.9 MPa的多孔单元时,能够使前掌推离、动态中立和足跟着地姿态的足底峰值压力分别降低42.4%、27.4%和26.4%,软组织峰值应力分别降低49.8%、43.6%和25.1%。结论糖尿病患者跖骨区比足跟区溃疡风险更高;基于多姿态下足底压力和内部应力优化的变刚度鞋垫,能有效降低行走时足底峰值压力和软组织峰值应力,为变刚度鞋垫设计提供参考。

表面微织构的组合设计及其对油封性能的影响

对油封表面微织构的形状进行组合设计,应用Abaqus仿真分析不同组合微织构油封的静态接触压力和变形影响矩阵;基于二维平均雷诺方程,建立考虑表面粗糙度以及唇口油膜空化现象影响的流体润滑模型,分析不同形状微织构对旋转油封密封性能的影响规律。结果表明:在相同工况下,相较于无织构油封,微织构对油封泵吸率以及油膜厚度提升较为显著,且组合型织构的提升效果优于单一三角形织构;三角形与半圆形组合织构对油封泵吸率的提升效果最佳,半圆形与方形组合织构对油封油膜厚度的提升为最佳。

钢坯快速标示设备的设计与动力学仿真

为了满足钢厂对钢坯标示快速、清晰且内容量大的要求,将广泛应用于轻工行业的激光标示技术应用到钢坯标示中,设计了一种新型钢坯快速标示设备,该设备中上箱体及其标示机构能够在短时内实现测距、喷底漆、标示、扫码四种功能。使用SolidWorks建立了钢坯快速标示设备的三维仿真模型。由于上箱体要在往复高变速运动下完成动作,上箱体内的标示机构将承受很大的动载荷,上箱体运动到标示位置对钢坯进行标示时标示机构的瞬态响应会影响标示的清晰,采用ANSYS Workbench对上箱体进行了动力学分析,包括预应力模态分析和瞬态动力学分析。预应力模态分析上箱体框架结构得出了前6阶模态固有频率和振型,为机构避免共振提供依据。瞬态动力学分析探究了移动上箱体及其标示机构在运动到标示位置时的应力和Z向变形。结果显示,设备在往复高变速工作过程中强度和刚度能够满足设计要求,标示机构的变形在标示精度容许的误差内,保证了标示精度,完成了设备的设计制造及现场调试,获得了用户的肯定。

生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置设计与试验

为解决气力式超薄自粘膜横封装置结构复杂、稳定性差等问题,以现有生鲜食品包装机为平台,设计了一套生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置。该装置由立式输送带、前后平行布置的两个上风盒、下折膜机构、切断机构和无动力托辊等组成,其中下折膜机构包括下风盒、滚轮、气缸等,利用气力和机械结构的复合运动,可较好地完成超薄自粘膜横封作业。构建了横封作业过程中包装物料与横封部件的力学模型,利用Fluent软件对其关键部件下风盒进行结构优化分析,得到最优参数为:下风盒进风口位置和水平方向出风口位置对称布置,风腔高度14 mm、水平出风口直径3 mm、水平出风口个数10个。以后上风盒出风口压强、下风盒水平出风口压强、下折膜机构与包装盒底部折膜间距为试验因素,以托盘后部横封率为试验指标进行了正交组合试验。经试验和结果分析,得到最佳参数组合为:后上风盒出风口压强113.3 Pa、下风盒水平出风口压强85 Pa、下折膜机构与包装盒底部折膜间距-3 mm。经试验验证,最佳参数组合下横封率为99%,横封平整、美观,满足包装机横封作业要求。

旋转轴唇形密封的可持续设计研究

调研和确定旋转轴唇形密封的可持续标准,根据旋转轴唇形密封的具体结构和生产工艺,基于全生命周期评估(LCA)方法,通过定量和定性相结合的方法,计算和分析旋转轴唇形密封生命周期各阶段的能耗、碳排放、单位生产时间、成本等环境、社会和经济可持续指标,确定旋转轴唇形密封可持续改进策略:环境可持续侧重于使用阶段的能耗降低,社会可持续关注生产工艺创新,经济可持续聚焦于延寿设计。从延长使用寿命和优化运行时的摩擦状态2个方面,实施旋转轴唇形密封的可持续改进设计,分析宏观截面形状和尺寸、唇部的微观相貌、唇部材料对旋转轴唇形密封可持续性能的影响。结果表明:薄唇、微观织构和耐磨材料对降低旋转轴唇形密封的能耗和碳排放都具有积极作用,研究结果对提高旋转轴唇形密封的可持续性具有重要意义。

一种欠驱动3D打印机械手的结构设计

本研究目的是为UR5机器人设计一种结构简单易于控制的欠驱动3D打印机械手.欠驱动结构是指驱动器数目少于本身自由度数目的机构.根据此设计原理设计出通过一个伺服电机驱动4根手指,每个手指由两个指骨构成的欠驱动3D打印机械手.机械手电机通过滑轮系统与手指连接,每个手指都可独立移动,使得机械手可抓取各种不规则物体.通过抓握类型分析、机械手机构设计、手指滑轮系统的优化,确定设计参数设计出机械手.采用3D打印技术能廉价、快速地制造机械手零件.机械手能很好地保持抓取时的稳定性、对抓取对象的适应性和降低机械手结构的复杂性.

糖尿病患者步态周期不同时刻的足底压力及中底结构设计

背景:足底压力过高是导致糖尿病足溃疡的因素之一,研究糖尿病患者步态周期内不同时刻的足底压力有助于设计防护鞋具。目的:分析糖尿病患者足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力,设计中底结构,优化减压效果。方法:开展足底压力试验,分析糖尿病神经病变患者、无神经病变的糖尿病患者与健康人在足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力差异。构建足部有限元模型,设计乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底和不同模量的热塑性聚氨酯菱形晶格中底,分析神经病变患者使用不同中底时足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力及软组织应力变化,优化糖尿病防护鞋结构尺寸。结果与结论:①神经病变组前掌推离时刻的足底压力峰值比健康对照组高22.2%,差异有显著性意义(P<0.05);②乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底使神经病变患者足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力峰值分别降低13.0%和12.9%,使软组织应力峰值分别降低18.2%和11.1%;③优化的菱形晶格结构将患者2个时刻的足底压力峰值分别降低41.6%和48.4%,将软组织应力峰值分别降低41.4%和49.8%;④提示开发糖尿病防护鞋具应重视对前掌推离时刻的减压,菱形晶格结构能实现比传统乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底更好的效果。

退火对冷冻干燥固态果蔬食品模拟体系冰晶结构和质构的影响

为探究冷冻过程中退火条件对真空冷冻干燥固体果蔬食品模拟体系冰晶结构、干燥特性、微观结构和质构的影响,该试验通过建立真空冷冻干燥果胶-蔗糖凝胶体系模拟果蔬天然网络结构,考察了不同退火条件对冷冻模拟体系的冰晶结构、冷冻干燥模拟体系的微观结构和质构等品质的影响。结果表明,退火温度范围和退火次数是影响冰晶结构、干燥过程和产品质构的重要因素。研究发现,冷冻模拟体系冰晶的直径均值、冰晶比例随退火温度范围增加和退火次数增加而降低;模拟体系的冷冻干燥速率随退火温度范围和退火次数增加而加快;冻干模拟体系的硬度和脆度随退火温度范围和退火次数增加而降低。采用0℃退火3次条件下,干燥时间最短约为14.0 h,此时模拟体系冰晶分形维数为1.616,冰晶直径极差为0.98 mm,直径切尾均值为0.16 mm,冰晶比例为75.00%,在脆度阈值为0.784 N时脆度保留效果最好,峰个数为4.33。相关性分析结果表明,模拟体系的干燥时间与冰晶直径分布的离散程度、直径均值呈正相关,与分形维数呈负相关,与冰晶的直径均值和退火到达温度呈正相关。该研究明确了退火条件对模拟体系冰晶形态和冻干后多孔结构的影响,可为真空冷冻干燥食品预冻过程中控制冰晶形成提供理论依据。

麦汁低热负荷煮沸技术与装备研究

为阐明麦汁煮沸过程中特征组分与热负荷的关系,从蒸馏的视角综述低压动态煮沸技术、塔提馏技术、薄膜闪蒸技术、膜蒸发技术和湍流膜自蒸发技术等麦汁低热负荷煮沸技术,并在传统热能回收技术的基础上,探讨热电联产技术在低热负荷煮沸系统中回收其所产生的低品位余热的应用前景。结果表明,通过新技术的应用,使得总煮沸蒸发率低于4.5%,甚至不足1%,远低于传统常压煮沸的8%;热电联产技术将成为采用低热负荷煮沸技术的啤酒厂回收低品位热能的第3种选择。研究为麦汁低热负荷煮沸技术的研究与开发提供全新视角。

辅助解便护理床的结构设计与分析

为满足长期卧床患者的日常照护需求,更好地解决床上大小便护理过程中的难题,设计了一款用于辅助大小便护理的新型护理床。基于人机工程学原理,设计了护理床的整体结构和运动机构,在抬背和屈腿的坐姿变换机构基础上,增加分腿机构和臀板下降机构,并建立了三维模型。通过机构运动学模型研究抬背、屈腿和分腿机构的运动参数,并对各机构进行了运动仿真,得到机构运动位移、速度和加速度曲线。结果表明:各机构运动平稳,速度和加速度的变化比较平缓,保证了护理床坐姿变换过程中病人的舒适性和安全性。该护理床可实现不同分腿角度功能和臀板自动下降功能,使解便过程更加便捷,充分满足了长期卧床失能人群的辅助解便护理需求。