基于布鲁姆教育理论的船舶辅机混合式实验教学

为了满足工程教育专业认证对航海类专业人才培养的新要求,优化虚实结合的实验教学模式,以“液压起货机的操作与管理”实践环节为例,提出基于布鲁姆教育理论的船舶辅机混合式实验教学。在构建知识和能力目标的基础上,进一步增设价值目标,引导学生培养安全责任意识,树立正确的工程价值观念。根据虚拟系统和实物设备的教学优势开展教学活动,结合传统的实验考核方法与动态变化的实操题目实施教学评价,显著提高了学生的专业实践技能,对工程教育专业认证背景下轮机专业实践类课程的改革起到了推动作用。

船舶起货机操作管理虚拟仿真实验教学系统的设计与应用

针对“液压甲板机械的操作与管理”实践环节教学效果不佳、实验安全性差等问题,基于虚拟现实技术开发了船舶起货机操作管理虚拟仿真实验教学系统,建立教师端与学生端系统,实现了完善的教学功能,通过“虚+实+虚”实验教学模式实施教学过程,采用动态变化的题目考核学生的知识掌握能力。教学实践证明,虚拟仿真教学系统有利于提高学生的学习效率和确保大型实验项目的安全性。

三自由度绳驱动波浪补偿装置的动力学建模与振动特性分析

受波浪运动的影响,在使用起重机进行海上补给作业的过程中,吊具容易产生不良运动,严重影响了补给作业的效率和安全性。为实现船用起重机在横摇、纵摇和升沉方向上的波浪补偿功能,提出了一种三自由度绳驱动波浪补偿装置;首先,考虑到不均匀装载工况,基于Newton-Euler法建立了补偿装置的动力学模型,并通过Adams虚拟样机仿真验证了数学模型的正确性;其次,对不均匀装载工况下的绳索张力分布情况进行分析,得到了吊具重心位置的危险分布区域;再次,采用特征值法求解补偿装置的一阶固有频率,得到了载荷质量、绳索刚度以及吊具位姿对补偿装置一阶固有频率的影响规律;最后,在理论分析的基础上,通过试验验证了补偿方案的可行性,并证明了数学模型的正确性。

船用起重机多柔索减摇系统的动力学分析与工程应用

针对船用起重机在高海况下普遍存在的工作效率低、风险大、吊装定位精度低等问题,设计出一种船用起重机多柔索减摇系统。将多柔索减摇系统简化成船舶运动和风载荷激励的约束摆模型,利用MATLAB/Simulink对多柔索减摇系统的动力学特性进行仿真分析,并在船用起重机多柔索减摇系统的实验样机上进行了验证。实验结果表明,多柔索减摇系统的平均减摆比可达78%,证明了多柔索减摇系统的有效性。

一种绳驱动AUV布放回收装置的结构设计与动力学分析

为了提高自主式水下航行器(AUV)布放回收的安全性和效率,以船舶起重机为基础,设计一种不仅能通过绳索自主调整吊笼的姿态,而且具有良好减摇效果的AUV水面布放回收装置。分析该装置的结构特性和机械理论模型,采用坐标转换法对吊笼的运动学位置、速度和加速度进行分析,并通过MATLAB软件对其进行仿真验证。在运动学模型的基础上对装置进行动力学分析,并利用ADAMS搭建绳索系统的虚拟样机并进行无激励和存在激励仿真验证。研究结果表明:在受船舶激励的情况下,横摇的减摇效果为78%,纵摇的减摇效果为75%;在给定轨迹下,4根绳索的变化比较稳定,能通过绳索调整吊笼的姿态,进而安全高效地完成AUV布放回收工作。

船用起重机四旋翼减摇吊钩动力学特性

【目的】设计一种船用起重机减摇装置并探究其防摆机理,以期解决当前船用起重机吊装过程的摇摆问题。【方法】设计一种船用起重机四旋翼减摇吊钩装置,建立船舶-起重机-四旋翼减摇吊钩的动力学模型,并考虑风载荷的影响。设计自适应模糊比例-积分-微分(PID)控制策略应用于四旋翼减摇吊钩控制器,根据摆角偏差量控制相应电机转动产生抑制吊重摆动的推力,实现摆角在线实时控制。通过动力学仿真分析和实验验证,探究其减摇特性和运动规律。【结果】在船舶激励下吊重面内和面外摆角分别减少约66.8%和69.7%,吊重摆动投影在x和y轴最大偏移量平均降低62.5%。自适应模糊PID控制策略下的四旋翼减摇吊钩较PID控制响应速度提高25.0%,稳态性能提升13.0%。通过实验与仿真对比分析,吊重摆角曲线趋势基本吻合,在16 s时吊重趋近于稳定,验证了四旋翼减摇吊钩动力学模型的准确性。【结论】四旋翼减摇吊钩能有效抑制吊重摆动,可为船用起重机轻载吊装防摆研究提供新的可行性减摇方案。

大跨度吊装机器人绳索张力及工作空间求解

针对大跨度吊装机器人的绳索存在悬链线效应的问题开展研究。首先,绳索为直线模型,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,绳索存在重力,大跨度绳索为悬链线模型,为了求解悬链线模型中的绳索张力,采用二次规划方法求解绳索张力优化解。在静力学方程基础上,求得吊装机器人的力可达工作空间和力封闭工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证,仿真结果表明,力可达工作空间小于力封闭工作空间。比较两种模型的绳长,第1根绳索的长度变化最大,绳索张力较小时,绳索自重不容忽略。

非惯性系下舰载稳定平台动力学建模与分析

为解决舰船在恶劣海况下产生的大幅度、多维度的不规则摇荡运动,提出了一种6-DOF并联平台隔离舰船运动的方案,并对该方案的动力学特性进行了深入研究。首先,基于矢量关系推导该平台构件在惯性坐标下的速度、Jacobi矩阵和能量方程式,由拉格朗日方程和虚功原理得到其在非惯性系下的显式动力学方程。其次,利用Adams搭建该平台的虚拟缩比模型,采用P-M波谱和响应幅值算子模拟复杂海况下舰船的摇荡运动,基于SIMULINK软件实现MATLAB软件与Adams软件联合仿真。最后,计算分析5级海况下的运动实例,理论结果与仿真结果的驱动力误差在0.11%内,验证了本文动力学模型的正确性,且计算结果表明,平台可分别补偿船舶95.7%、97.7%和87.9%的横、纵和艏摇运动,验证了所提方案的有效性。研究结果对非惯性系下舰载稳定平台的动力学控制具有指导意义。

桥式起重机分布式质量吊重系统双摆滑模控制

随着吊装作业的多元化发展,起重机吊装对象也从传统的质点式吊重向分布式质量吊重方向发展。针对桥式起重机在吊装分布式质量吊重时吊重的大摆角抑制和小车定位控制问题,提出了两种基于滑模控制理论的、用于吊重消摆和小车快速定位的方法。首先,综合考虑了桥式起重机吊装对象的结构特征、小车电机的驱动特性、摩擦阻力以及环境中的随机扰动对吊装作业的影响,建立了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学模型;然后,设计了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学普通滑模控制器(OSMC)和分层滑模控制器(HSMC),采用Lyapunov函数和Barbalat引理证明了闭环系统的稳定性;最后,利用数值仿真研究了OSMC和HSMC在分布式质量吊重减摆控制方面的性能差异。仿真及研究结果表明:与OSMC相比,采用HSMC不仅可以在12 s内实现小车精确定位目的,而且可以实现对分布式质量吊重在5°~9°摆动范围下的快速抑制目的,完成了对系统状态变量的有效控制;同时,对比结果表明HSMC对起重机系统内部和外部扰动变化有很强的鲁棒性和抗干扰性。

船用起重机磁流变防摆装置动力学分析和实验验证

为了解决船用起重机在执行吊装转运作业时,货物出现摆动降低工作效率且极易造成安全事故的问题,将磁流变技术引入船用起重机防摆领域,设计了一种机械式防摆装置。推导了船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。对装置的防摆效果进行分析,结果表明,当输入给磁流变防摆装置恒定电流时,随着电流增大,防摆效果愈加明显,在设定工作背景下,当给定电流2 A时,对面内角及面外角的抑制分别为75%、82%。为了优化控制策略,降低能耗,提高防摆的鲁棒性,设计了变论域模糊PID(variable universe fuzzy PID,VUFPID)控制器。采用VUFPID控制器时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为85%和83%,能耗约为113 J;采用A组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为60%和68%,能耗约为140 J;采用B组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为50%和58%,能耗约为110 J。可见采用VUFPID后,能实现低能耗、效果明显的防摆作用。最后搭建实物样机,验证了磁流变防摆装置的有效性。

水下机器人回收装置的动力学分析与实验验证

为提高水下自主航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)布放回收过程中的效率和安全性,通过以船舶起重机为基础研究了一种不仅可以通过电机自主调节吊笼的姿态而且能够利用绳索减摇使回收过程更加稳定的AUV水面布放回收装置,建立了船-起重机-吊点-减摇装置-吊笼的三维动力学模型,首先通过Adams搭建虚拟样机进行动力学仿真,得出了当利用电机调节吊笼开口方向时4根绳索的拉力的变化和吊笼的姿态变化,然后利用MATLAB联合仿真采用PID控制策略对其进行了减摇的仿真分析,验证了减摇方案的可行性。在已有的理论基础上搭建了实验样机进行了实验验证。结果表明:在受船舶激励的情况下,横摇的减摇效果达70%;纵摇的减摇效果达60%,电机进行姿态调整时各个绳索的拉力稳定能够完成姿态调整,能够有效地完成布放回收工作。可见当AUV靠近吊笼时依靠姿态调整电机进行姿态调整,能保证AUV进入吊笼;当AUV进入吊笼以后本装置有良好的减摇效果,使回收过程更加稳定。

绳驱动并联打磨机构模糊控制策略

船舶坞修作为维护和修复船舶结构的关键环节,在船舶行业中扮演着重要的角色。然而,目前船舶坞修时表面打磨过程依赖于传统的人工作业,存在着效率低、工时长、危险性高等问题。为此,提出了一种新型绳驱动式打磨机构,该机构采用四根绳索驱动打磨装置实现三自由度的运动。首先,通过拉格朗日法建立系统的动力学模型;然后在动力学模型的基础上提出了一种带有绳索张力优化项的Fuzzy-PID(proportional integral derivative)控制策略,该控制策略可以实现精确的轨迹跟踪并保证绳索处于张紧状态;最后,通过数值仿真验证所提控制策略的有效性。结果表明,和绳牵引并联机器人上常用的PID控制相比,所提控制策略控制精度提高25%,具有较高的控制精度和稳定性。本文提出的绳驱动式打磨机构及其控制策略可为大型结构件表面处理和精密制造等应用提供一定理论支持。

3UPU-UP并联平台可操作性与工作空间分析

6支链并联平台存在着复杂的位置约束,并且当控制算法失效时对机械结构容易造成损坏,因此,针对一种3UPU-UP并联平台对其进行运动学可操作性与工作空间分析。首先通过矢量法与运动学的分析,得出了3UPU-UP并联平台运动学模型,以此为基础,首次将串联机械臂可操作度的评价指标与3UPU-UP并联平台的机构结构特性相结合,对3UPU-UP并联平台的可操作度进行了计算、分析和可视化处理;并将蒙特卡洛法与正运动学相结合对并联平台的工作空间进行了计算、分析和可视化处理。能够更加直观、完整表述并联平台的可操作度和工作空间。研究成果为3UPU-UP并联平台的设计提供了理论依据并证实其理论上的可行性。

基于磁流变技术的船用起重机防摆装置设计及仿真分析

针对船用起重机在海上作业时,受到耦合激励致使吊重难以定位的问题,将具有半主动控制特性的磁流变阻尼器引入船用起重机防摆领域,设计一种机械结构简单、阻尼连续可调且响应速度快的机械防摆装置。针对特定的船舶工况设计了磁流变阻尼器,仿真验证了磁流变阻尼器磁路设计的合理性。建立船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。基于ADAMS搭建虚拟样机并联合MATLAB进行仿真分析,验证了方案的可行性。结果表明:该防摆装置对吊重的摆动有良好的抑制效果,在设定海况下,吊重在面内摆动幅度减小85%,吊重在面外摆动幅度减小87%。研究成果可为船用起重机机械防摆提供参考。

船用起重机多绳系统同步运动控制策略

针对船用起重机在进行起升、变幅动作及受到外部扰动时,船用起重机多绳系统的减摇索之间无法实现同步运动的问题。首先建立了船用起重机多绳系统的运动学和动力学模型,接着提出了模糊PID(proportional,integral,derivative)控制策略,最后采用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析。结果表明:在模糊PID控制策略下,多绳系统期望绳长与实际绳长的误差逐渐趋向于零,期望绳长速度与实际绳长速度的误差逐渐趋向于零,相比于传统的PID控制效果,模糊PID控制策略具有更高的鲁棒性。

基于粒子群算法的船用起重机防摆装置结构优化设计

船用起重机在海上作业时因风浪引起吊重摆动导致作业风险较高,需要对起重机加装相应的防摆装置,而在起重机上加装防摆装置会增加起重机负荷影响工作效率,因此需要对船用起重机防摆装置结构进行轻量化设计。针对船用起重机防摆装置,以装置结构重量最小作为优化目标建立结构优化数学模型。使用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对船用起重机防摆装置进行结构优化设计并对算法参数进行改进。经过优化后,结构总重量较优化前降低了28.64%。对优化过程和结果的分析表明,与结构优化中常用的遗传算法进行比较,PSO算法相比遗传算法可以快速收敛到全局最优解,求解精度高且算法运行稳定,优化后效果满足工程实际应用的需求。验证了PSO算法在船用起重机防摆装置结构优化设计中具有可行性和有效性。

绳驱动并联吊装机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用于吊装领域,对运动学正解模型和绳索张力优化算法进行深入研究。首先,确定该吊装机器人为冗余约束绳驱动并联机器人,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,针对冗余约束绳驱动并联机器人的绳索张力不唯一、不连续问题,分别运用张紧力方法、非线性规划方法和改进二次规划方法对绳索张力进行优化,确定出最佳的张力优化算法。在此基础上,进一步求得此类型绳驱动并联机器人的工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证。仿真结果表明,相比于另外两种方法,采用改进二次规划方法求解的绳索张力优化解在张力上限和张力下限之间光滑连续变化,说明改进二次规划方法求解绳索张力的合理性和连续性。

基于柔索并联的细长杆件吊装减摇系统动力学分析与试验研究

针对高海况下细长杆件类结构物吊装效率低、风险大、难以实现精确吊装的问题,提出了基于柔索并联的细长杆件吊装减摇系统,并将其简化为有基座激励的受约束二级摆,运用机器人学方法建立细长杆件吊装减摇系统的动力学模型,采用MATLAB/SIMULINK对基于柔索并联的细长杆件吊装减摇系统摆动的低频振动特性进行仿真分析,同时在细长杆件吊装减摇试验台上进行试验验证,仿真和试验结果表明:基于柔索并联的细长杆件吊装减摇系统对一级摆有良好的摆动抑制效果,在设定工况下对二级摆也有一定的减摇效果。研究成果可为细长杆件这类双摆系统的吊装减摇控制提供依据,同时为细长杆件吊装减摇系统的进一步的工程应用提供理论基础。

3_UPU/PU_RRP海上稳定廊桥运动学建模与仿真

船舶航行时会受到风、浪、涌等载荷的扰动产生多维摇荡运动,对船上人员与货物的安全转运构成严重威胁。为此,本文设计一种具有运动补偿功能的海上稳定廊桥。将该系统类比为3_UPU/PU并联机构和RRP串联机构串组成的串并混联机构,分别采用D-H参数法、欧拉角坐标转换法对两者进行正、逆运动学分析,并利用空间几何法推算海上稳定廊桥运动学方程。借助Matlab计算该模型的逆运动学方程,利用Adams验证该运动学建模的正确性,得到该模型各执行机构在其运动空间的位移、角度变化曲线图,为海上稳定廊桥的控制系统设计、动力学分析和轨迹规划等提供理论基础和依据。

一种绳驱动并联清洗机器人的控制策略研究

绳驱动并联清洗机器人可以有效地代替人工实现对外墙的清洗作业,但是由于其自身受到外界干扰较多,而且机器人的所有动作都要确保绳索处于张紧状态,因此与传统的并联机器人相比,研究绳驱动并联清洗机器人的运动控制问题更具有挑战性。考虑实际使用过程中系统受到的外力干扰问题,通过牛顿-欧拉法和拉格朗日方程建立包含绳索弹性的系统动力学模型;结合PD前馈控制和传统的PID控制,设计包含绳索张力优化算法的控制律,通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制算法的稳定性;通过数值分析验证了绳驱动并联清洗机器人在受到外力扰动时的理论跟踪性能,证明了该控制算法的有效性。