基于代理模型的自升式海洋平台桩靴结构优化

自升式海洋平台桩靴作为平台的重要组成部分存在结构庞大笨重、应力分布不均等问题,以自升式海洋平台JU2000E桩靴为研究对象,应用Ansys软件建立有限元模型,依据美国船级社(ABS)规范对其在预压载工况和风暴自存工况下进行强度分析与校核,采用桩靴各结构板厚作为优化设计变量,通过最优拉丁超立方抽样选取样本点,结合径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络算法建立设计变量和各响应的代理模型,并基于第二代非劣解遗传算法(NSGA-Ⅱ)对桩靴进行多目标优化。对优化后的桩靴进行仿真验证,桩靴重量减轻、应力减小且分布更均匀。

以项目设计为导向的机械类研究生课程实践教学模式探究

自主学习和创新能力的培养一直是我国高等教育的重点,课程教学是其中重要环节之一。探讨在机械类研究生课程教学中存在的问题,提出以项目设计为导向的课程教学模式,并以振动分析与动态测试课程为例,进行具体的项目设计和教学实施,利用具体的项目设计为导向,与课程理论知识内容融会贯通。在实际教学中该教学形式取得良好的教学成果,能够激发学生学习创新的积极性和主动性,实现预期效果。

基于虚拟材料模型的螺栓松动预测研究

螺栓连接在风力发电机等复杂装备中得到了广泛应用。设备的工作载荷及机械振动会引起螺栓松动,导致螺栓连接失效,严重影响设备的正常运行。为此,以海上风力发电机塔筒连接螺栓为研究对象,建立了螺栓结合面连接刚度模型,进行了塔筒法兰连接螺栓的松动状态预测研究。首先,建立了螺栓结合面刚度,通过虚拟材料模型对其进行了表征,探究了预紧力对虚拟材料层模型的影响特性,为有限元模型提供了参数;然后,通过力锤实验,并结合实测数据建立了高精度的有限元模型;最后,通过法兰连接件的前10阶扭转、弯曲固有频率,以任意两阶模态的频率变化平方比、预紧力变化前后频率相对变化比分别作为螺栓定位、定量指标,进行了螺栓松动预测。研究结果表明:随着预紧力的增加,固有频率呈现逐渐增大的趋势,但灵敏度稍有下降;通过对螺栓松动测试结果的统计可得,螺栓松动定位识别精度达到95.24%;单、多螺栓预紧力下降程度定量精度分别为93.4%、90.2%;基于虚拟材料模型的螺栓松动预测方法具备精度高、通用性强的特点,可为螺栓连接的数字孪生实时监测提供重要参考。

轴承磨损的切片式半解耦损伤数值模拟方法

轴箱轴承是高速动车组(EMU)走行部的关键部件,往往处于高速甚至超高速的运行状态,其轴承的磨损是一个非常突出的问题。建立转向架轴承的磨损模型,模拟在轨道激励载荷因素作用下滚动轴承的磨损状态,进行轴承的磨损损伤分析具有重要意义。针对动车组转向架轴箱轴承磨损监测难、分析难的问题,基于数值模拟方法,对轴箱轴承的磨损损伤分析方法进行了探究,为降低有限元模型的分析计算时间成本,提出了一种轴承切片式半解耦损伤分析方法。首先,将轴承三维模型径向等距切分成有限数量的二维切片,对二维轴承切片模型进行了磨损分析;然后,基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)自适应网格偏移技术以及UMESHMOTION子程序,提出了轴承模型磨损有限元分析方法(流程);最后,利用高斯过程非线性拟合完成了三维轴承磨损状态复现,得到了轴承内圈的磨损分布规律,并对该模型的高效性与收敛性进行了对比分析。研究结果表明:利用二维切片拟合磨损分析方法的计算效率获得了大幅提高,同时该方法的准确性也较为可靠,与传统方法相比,其误差在10%以内;另外,轴承内圈磨损较为严重的区域出现在滚子与内滚道接触的边缘位置,而接触区域中心位置的磨损程度与边缘相比较轻。

融合仿真模型与数据的水下节流阀冲蚀速率预测方法

为解决由于水下生产系统节流阀与含固体沙粒的流体在冲蚀过程中相互作用发生冲蚀退化动态演变,导致冲蚀速率预测结果不准确的问题,提出了一种数值模拟与试验数据相结合的方法。首先通过冲蚀试验获得测试样本的表面轮廓变化特征,建立不同冲蚀时间下的有限元模型,再在ANSYS FLUENT仿真环境下,将有限元模型、两相流模型和冲蚀模型相结合,进行仿真试验获得不同时间尺度与表面形貌下水下节流阀的冲蚀速率,并对水下节流阀的冲蚀速率和流场压力进行分析;最后,利用RBF神经网络对水下节流阀的冲蚀仿真数据进行函数拟合,建立融合冲蚀退化动态演变的水下节流阀冲蚀速率预测模型,结果表明,所建立的基于数值模型与数据的水下节流阀冲蚀速率预测模型与传统冲蚀速率预测模型相比,准确率提高了12.3%。

基于加工特征的车间可重构式自动编程系统设计与实现

针对现有数控自动编程系统在实现方法上存在耦合性较高的问题,设计并实现了一种基于加工特征的可重构式车间自动编程系统。给出加工特征的定义并指明其相互关系,建立了零件加工特征模型,在此基础上搭建了基于加工特征的可重构式车间自动编程系统体系结构。将数据库技术引入自动编程系统,设计了面向车间的加工特征数据库,用于存储零件几何和工艺特征,从可重构的角度出发提出该系统中人机界面模块和NC程序生成模块的实现方法。设计了一套基于中低端工业触摸屏的系统集成方案,为该自动编程系统的远程升级与维护提供了保障。基于C#编程语言开发了原型系统,并与数控铣床控制器和服务器进行了集成,通过一个待加工零件进行了测试,结果表明该系统耦合性较低且便于维护和升级,具有一定的实用性。

基于STEP-NC的数控加工能耗估算方法

为了给低能耗的数控加工提供支持、满足当今低碳制造的需求,提出了一种基于STEP-NC的能耗估算方法。将数控机床按照其组件耗能性质的不同分为基本能耗组件、选择能耗组件以及运动能耗组件。以STEPNC的工步为研究对象,将其执行过程分为特征加工辅助、接近制造特征、特征加工以及远离制造特征4个状态,在对机床组件分类的基础上,给出了每种状态的能耗计算方法,依次相加便可得到单个工步的耗能,进一步即可计算出工件的加工能耗。基于此方法开发了能耗估算软件,通过一个零件的STEP-NC文件进行了测试,结果表明该方法可用于数控加工的能耗估算,并具有一定的实用性。

基于动态贝叶斯网络的变幅载荷下疲劳裂纹扩展预测方法

针对当前疲劳裂纹扩展预测研究中较少考虑不确定因素而导致预测结果偏差大的问题,提出基于动态贝叶斯网络(DBN)的疲劳裂纹扩展预测方法.以变幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展为具体对象,利用统一疲劳寿命预测(UFLP)模型构建疲劳裂纹扩展的物理状态方程;分析疲劳裂纹扩展过程典型不确定因素之间的联系,基于动态贝叶斯网络建立疲劳裂纹扩展动态性能退化模型;采用粒子滤波(PF)推断算法,向动态性能退化模型输入裂纹观测数据,修正预测结果,降低不确定因素的影响.根据已有的裂纹扩展实验数据,给出具有不确定因素疲劳裂纹扩展预测的仿真算例,结果表明,所提出的基于动态贝叶斯网络的变幅载荷作下疲劳裂纹扩展预测方法较现有方法能够取得更好的预测精度.

磁流变调谐质量阻尼器在海上风机振动控制中的应用

针对近海风机在风、波浪和地震3种载荷作用下的振动控制问题,提出了基于磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)的海上风机半主动控制方法。首先,介绍了MRE的变刚度磁致力学特性及面向海上减振需求的MRE-TMD结构设计原理;其次,建立了海上风机-TMD动力学模型,计算了风、波浪及地震激励载荷;再次,应用半主动控制算法跟踪识别风机塔筒顶端响应的频率,实时调节MRE-TMD的刚度,进而对海上风机进行振动控制。通过分析导管架式近海风机在多种载荷作用下的动力响应可知,采用基于MRE-TMD的控制方法能够有效衰减导管架式海上风机在多种载荷作用下的振动响应。与被动TMD相比,MRE-TMD具有较好的减振效果,为海上风机振动控制提供了一种新的解决思路。

基于数值模拟的水下节流阀早期冲蚀故障特征分析

针对水下节流阀阀芯冲蚀故障监测难、识别难和分析难的问题,基于数值模拟的方法,对水下节流阀的早期冲蚀故障特征进行了分析与研究。首先,基于有限元理论,在ABAQUS仿真环境下,结合Tabak off-Grant冲蚀退化分析模型、耦合拉格朗日-欧拉算法以及UMESH-MOTION用户接口程序,建立起了水下节流阀阀芯的冲蚀退化仿真分析模型;然后,采用ALE自适应网格技术和节点位移技术,对节流阀阀芯进行了几何重构,解决了由于冲蚀而导致阀芯几何形状发生改变的问题;最后,利用所构建的模型,对阀芯的整个冲蚀退化过程进行了仿真,在此仿真基础上,通过对其进行时域分析和频域分析,提取到了能够有效表征其冲蚀故障的特征量。研究结果表明:将节流阀出口处的振动数据和流速数据的功率谱密度值作为故障发生的特征量,可识别冲蚀损伤程度为10%左右的节流阀阀芯早期故障。

分度圆裂纹齿轮啮合刚度计算及啮合动态特性分析

为了探究分度圆裂纹对齿轮传动系统产生的影响,利用改进能量法计算分度圆裂纹齿轮的啮合刚度,结合动力学模型对齿轮传动系统进行了动态特性分析。首先,将齿轮的齿根圆视为悬臂梁起点,把分度圆裂纹按照其齿廓投影位置分为了3种情况;然后,利用改进能量法理论计算了不同裂纹情况下的齿轮啮合刚度;最后,在啮合刚度的基础上,建立了齿轮系统的六自由度动力学模型,分析了不同裂纹情况下的齿轮系统的动态特性。仿真结果表明:相比于正常齿轮,分度圆裂纹为2.5 mm时,齿轮的啮合刚度最多下降14.3%,传递误差最多升高12.2%,齿间啮合力最多下降3.6%,啮合摩擦力最多下降14.8%;随着裂纹长度增大,齿轮啮合刚度逐渐降低,传递误差随之增大,齿间啮合力和啮合摩擦力逐渐降低。研究结果表明:由于裂纹的影响,齿轮传动系统会受到周期性冲击。