压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究

提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况,结果表明:二阶振动行为下,柔性结构节点前后流线方向相反;两侧流场始终存在两组高、低压集中区域,且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度,其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力,而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反,部分抵消,增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

绳驱动刚-柔-软耦合机器人的设计与分析

狭窄空间、复杂结构环境等应用场景要求机器人具有较高的柔顺性、灵活性、适应性、安全性,传统机器人难以满足这些要求。对此,设计了一种绳驱动刚-柔-软耦合机器人。这一机器人由连续型关节和刚性离散型关节串联而成,既具有连续型机器人的柔顺性和适应性,又通过末端离散型关节弥补连续型关节转弯半径大等不足,提高机器人末端灵活性。这一机器人具有刚-柔-软耦合、串并联混合的特点,机器人逆运动学分析较为复杂,难以获得解析解。对此,提出一种基于复合形优化算法的逆运动学求解方法,具有较高的计算效率。在运动学建模分析的基础上,对这一机器人的工作空间进行了分析。

测试技术基础课程动态特性分析虚拟仿真实验教学项目开发

测试技术基础课程教学对机械工程领域工程测试技术专业人才培养具有重要作用。目前测试技术基础课程教学存在教学内容陈旧、实践教学环节落后、实践教学与理论教学脱节等亟须改进的问题。基于MATLAB开发了一个虚拟仿真系统,用于开展测试装置动态特性分析虚拟仿真实验教学项目,包括质量-弹簧-阻尼二阶系统传递函数模型建立、频域特性分析与比较、典型信号激励下系统的时域响应动态显示等测试装置动态特性分析功能。利用该虚拟仿真系统,开展了机械工程领域中测试装置动态特性的建模、分析和设计的虚拟仿真教学,使整个教学过程更具交互性、趣味性和具象性,加深了学生对专业知识的学习和理解。

工程教育专业认证下“测试技术基础”课程实训探索与建设

“测试技术基础”是一门涉及多学科且理论性、实践性强的课程,传统教学模式难以满足当前机械专业人才培养的需求。针对此课程存在的问题,基于OBE理念,将理论知识融入实训课程,建立了包含应变全桥电路搭建、调制放大电路调试、虚拟仪器、数据采集及信号处理分析等内容的实训内容体系,形成了理论与实践一体化的教学模式改革。以OBE理念为核心的教学改革不仅增加了课堂的趣味性,提高了课程质量,而且加深了学生对理论知识的理解,提升了学生的工程应用能力。

工程认证背景下机械专业大类机电综合实训项目设计及开发

实训课程教学对机械工程领域专业人才的培养有着十分重要的意义。目前的机械专业类实训课程教学体系中存在实训内容单一、环节设计简单、过程相对简单枯燥、学生参与度与积极性低等问题,亟须改进。文章在工程认证的背景下,完成了机械专业大类机电综合实训项目的设计与开发。该实训项目包括悬臂梁动力学模型理论分析、测试系统设计及搭建、数据采集分析程序设计、信号处理分析。加强了课程的趣味性,使学生更深入地参与实训项目,加深了学生对课本知识的理解,提高了学生的工程应用能力。

基于PSO的管道泄漏模型反问题求解及敏感性分析

为了解决管道泄漏检测与定位问题,采用基于粒子群算法的管道泄漏模型反问题方法求解泄漏点大小和位置,得到该方法在管道参数波动情况下的鲁棒性结果,对管道参数波动进行敏感度分析.由于管道泄漏模型采用偏微分方程描述,给出该模型求解的初始条件和边界条件,根据这些条件和已有实验平台仿真泄漏模型的稳态和动态状况.基于管道泄漏模型,对达西-威斯巴哈摩擦系数f和泄漏小孔的流通系数C1进行敏感度分析.在人为地增加参数扰动后,采用粒子群算法进行反问题求解.从搜索结果可以看出,参数的敏感性越强,粒子群算法对参数的鲁棒性越弱.

面向近海管道泄漏检测探究传感器布局的线性动力学计算(英文)

由于缺少管道沿途测量数据,近海管道运输中的泄漏检测问题比陆地流体管道泄漏检测系统更具有挑战性.我们用传输线模型来考虑其线性动力学部分,然后通过有限差分法和偏微分方程拉普拉斯变换来比较传递函数的频域响应.仿真结果表明,有限维模型在低频下可以有效地逼近原始线性模型.由于近海管道监控与数据采集系统缺少传感器,进一步提出了一种新型集成漂流传感器的方法来解决此类型的检测问题并对数据同化框架进行了简要地介绍.

基于虚拟仪器的非稳态流管道参数辨识

为进行管道监控,采用虚拟仪器可重新配置的嵌入式测控平台CompactRIO搭建了一套监控系统,完成信号传输、数据采集、数据记录、实时信号显示等功能。根据初始条件和边界条件,利用特征线方法,计算得到管道模型整个流场和压力场的分布情况。将计算结果和实际测量值相比较,通过粒子群优化算法完成参数辨识。实际测量值与参数辨识后的对应理论值非常接近,表明了该方法的有效性。

压电致动的谐振式水下柔性结构动态迟滞建模及前馈补偿

具有运动灵活且操作方便优点的宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)致动水下柔性结构广泛应用于水下仿生推进和变形控制系统中,但是MFC的迟滞非线性严重影响了系统的定位精度和操控性能。提出了一种改进Prandtl-Ishlinskii(PI)静态迟滞和传递函数动态模型串联的复合式模型来描述MFC致动水下柔性结构谐振状态下的动态迟滞行为。首先基于所提出水下结构的准静态迟滞特性辨识得到改进PI迟滞模型参数,然后通过传递函数串联馈通环节的动态模型捕捉MFC致动柔性结构的水下谐振特性。实验结果表明所建立的复合式动态迟滞模型能够很好地描述MFC致动水下柔性结构在谐振状态下的动态迟滞行为,并且在固有频率附近一定带宽范围内仍具有较高准确性。基于复合式逆模型的前馈补偿下,水下柔性结构在谐振状态下跟踪正弦轨迹的实测位移与期望位移基本重合,补偿后二者线性度较高,显著提升了MFC致动柔性结构谐振状态下的动态定位和跟踪精度,证实了所提出动态迟滞模型和补偿方法的有效性。

压电纤维致动器的率相关偏置迟滞建模及补偿

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维(macro fiber composite,简称MFC)换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简称RDBBPI)迟滞模型,并进行了前馈补偿控制研究。首先,针对MFC致动柔性结构的静态偏置迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述系统的对称迟滞特性,并通过叠加死区算子来捕捉其双极性偏置特性,建立了MFC致动器的静态双极性偏置PI(bipolar bias PI,简称BBPI)模型;其次,确立迟滞环斜率与驱动信号速率之间的线性关系,得到描述MFC致动器动态迟滞特性的RDBBPI模型;最后,进行了实验验证。实验结果表明:所提出的RDBBPI模型能够很好地捕捉不同频率下MFC致动柔性结构的动态迟滞特性;在基于RDBBPI模型的前馈补偿下,MFC致动柔性梁构件的实测振动位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后结构实测位移与期望轨迹之间的线性度误差为4.62%,证实了所提RDBBPI模型对MFC致动器驱动控制和位移跟踪精度的改善效果。

谐波减速器中波发生器不同安装深度下柔轮变形与应力研究

柔轮作为谐波减速器中的核心部件,其性能直接决定着整个减速器整机的传动性能.因此为了探究波发生器不同安装深度对其性能影响的基本规律,从而能够更好地控制性能,本文在建立谐波减速器三维模型基础上,采用有限元法分析了波发生器在不同安装深度下柔轮的变形规律与应力分布.分析结果表明:波发生器安装深度从0.35mm增加到1.15mm时,柔轮最大变形量相对增加了3.43%左右,最大应力相对增加了3.80%左右.波发生器安装深度的变化对柔轮在长轴和短轴处的变形影响较大,并且对柔轮长轴处、短轴处、齿圈前端和筒底过渡区的应力影响较大,而其他位置影响较小.该结果也为其他相关研究提供了有益参考.

数控机床刀具的石墨烯复合涂层性能研究

采用机械球磨后激光熔敷方法,在WC-6%Co数控机床刀具表面制备石墨烯-Cr Al Ni复合涂层,并进行物相组成、显微组织分析,以及与Cr Al Ni常规涂层的耐磨损性能和抗氧化性能对比。结果表明,复合涂层由石墨烯、Ni Al相和Cr组成,显著改善数控机床刀具的耐磨损性能和抗氧化性能。与Cr Al Ni常规涂层相比,石墨烯-Cr Al Ni复合涂层25℃磨损体积减小66%、250℃磨损体积减小72%、500℃磨损体积减小74%,900℃高温氧化60 min后质量增加率减小91%。

谐波驱动柔性臂系统耦合动力学建模及辨识

为研究谐波驱动的柔性臂系统耦合动力学建模问题,分别进行了谐波驱动模型的参数辨识和柔性机械臂振动特性的耦合动力学模型辨识。通过阶跃电流激励和低匀速转动实验辨识出了关节的库伦摩擦力,在伪随机二进制信号的激励下,辨识得到了包含驱动系统转动惯量和黏性摩擦因数的驱动传递函数模型,将其与实际结构系统比较验证了此模型的准确性。理论分析了振动耦合力矩和柔性臂应变输出电压之间的线性关系,辨识得到了从电机转动角位移到柔性臂应变电压输出之间的传递函数,其输出在时域和频域上都与实际系统比较吻合,说明了建立的传递函数模型对于实际系统的适用性。综合两个辨识得到传递函数模型,实现了对谐波驱动的柔性机械臂系统的耦合动力学建模。

柔顺宏微操作器的最优抑振轨迹规划研究

针对柔顺宏微操作器中的微纳振动问题,在使用假设模态法和拉格朗日方程建立系统整体动力学模型的基础上,以多项式函数作为宏运动轨迹的基准曲线,并采用柔顺部分综合等效激振力矩最小和弹性振动能量最小构造优化准则,提出一种最优抑振轨迹规划方法。优化后的轨迹可以同时减少系统运动过程中的强迫振动以及运动结束后的残余振动,综合考虑全局弹性振动。最后通过遗传算法进行数值计算得到系统最优抑振轨迹,并搭建实验测控平台进行验证。实验结果表明:与跟踪常规多项式轨迹相比,柔顺微操作器在系统运动过程中的弹性振动幅值降低15.5%,系统运动结束后的弹性振动幅值减少52.2%,残余振动衰减时间缩短56.4%,改善了宏微操作器系统的全局操控稳定性,并提高了系统定位精度。

流体管道水锤抑制的时间尺度变换控制

在流体管道运行中,打开的阀门突然关闭会造成管道内部流体对阀门及管壁的巨大压力冲击,这种现象叫做水锤效应,严重威胁流体管道的健康运行.基于此,本文研究了阀门关闭过程中抑制水锤效应的最优边界控制问题.水锤模型由一组非线性时空演化方程描述,本文首先通过半离散方法得到一个有限维模型.然后,采用分段一次线性控制变量参数化方法及灵敏度分析方法,结合时间尺度变换方法,推导其梯度形式.最后,结合非线性优化求解器,完成边界最优控制设计.仿真结果显示时间尺度变换方法能够更有效地抑制水锤效应.考虑到实际工程中的控制量为阀门相对开度,在得到阀门处的流量和压力的最优变化过程后,本文给出了阀门相对开度随时间的演化关系.

伺服关节驱动的柔性臂系统耦合动力学模型辨识与实验

针对整个伺服关节驱动的柔性机械臂系统,在考虑其机电、刚柔耦合特性的基础上,理论上进行了动力学建模。分析了包含直流伺服电机、谐波减速器以及伺服驱动器的伺服关节的驱动及摩擦特性,对实验中测到的电机匀速正反转数据进行线性拟合,得到了关节驱动模型中的库伦摩擦力常数和黏滞摩擦力系数。分别建立了从伺服电机驱动电压到光电编码器检测的电机转角、从伺服驱动电压到代表柔性臂振动的应变桥路输出之间的理论传递函数,以伪随机二进制序列为激励信号,通过实验辨识得到了此对应伺服关节柔性臂转动与振动耦合以及机电耦合的两个传递函数,在伪随机和正弦信号激励下,辨识得到的传递函数模型与实际结构的转动位移和振动响应具有较高的一致性。从而得到了伺服关节驱动的柔性臂系统刚柔耦合、机电耦合的动力学模型。

压电宏纤维致动器的双极性非对称迟滞建模及补偿控制

提出了一种双极性非对称改进PI(Bipolar Asymmetric Improved PI,BAIPI)模型描述压电宏纤维(Marco Fiber Composite,MFC)的迟滞特性,BAIPI模型利用经典Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型Play算子加权叠加描述MFC的对称迟滞特性,然后叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子描述MFC的双极性非对称特性。实验辨识结果表明:BAIPI模型对MFC致动器的建模误差从PI迟滞模型的16.8%降为4.2%。在基于BAIPI逆模型的前馈补偿下,MFC致动的柔性梁构件跟踪等幅、变幅三角波轨迹的实测位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后等幅三角波实测位移与理想位移之间的线性度为2.36%。因此,所提出BAIPI迟滞模型及补偿方法显著提高了MFC致动器的定位驱动和跟踪精度。

旋转柔性机械臂系统的实验模型辨识及伺服速度抑振控制

研究了伺服驱动的旋转柔性机械臂系统的实验模型辨识和伺服速度抑振控制问题。建立了从伺服电机的速度驱动信号到旋转柔性机械臂根部应变振动信号的传递函数模型,并对模型关键参数进行了实验辨识。实验结果显示辨识模型预测输出在伪随机信号和扫频激励信号下与实际结构动态响应的吻合度分别为78.8%和89.8%,证实了所建立模型和参数辨识结果的正确性,掌握了柔性臂在旋转过程中的振动特性。提出了一种基于极点配置的伺服速度抑振控制方法。通过二阶系统最佳阻尼比确定了闭环极点位置,得到了闭环反馈增益。实验中旋转柔性机械臂系统在梯形速度曲线下的残余振动衰减时间缩短为3 s,其一阶固有频率振动幅值由77.5 dB衰减到32.9 dB。通过伺服电机速度控制实现了旋转柔性机械臂系统振动的快速有效抑制。

MFC致动器的动态迟滞模型辨识及补偿控制

压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该模型基于经典PI迟滞模型,叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子获得,基于最小二乘法的迟滞模型辨识结果表明,改进PI迟滞模型对MFC致动器的迟滞建模误差从PI迟滞模型误差的16.06%降到5.58%。另外,建立系统的离散传递函数模型来描述系统的线性动态特性,并与改进PI迟滞模型串联得到组合模型,解决纯迟滞模型仅能描述低频、准静态情况下的迟滞特性问题。在前馈补偿下,对MFC致动的柔性臂进行正弦波轨迹跟踪试验,测得补偿后实测位移与期望跟踪位移基本吻合,跟踪精度达到93.62%以上。试验结果证明,所提出的改进PI迟滞模型、离散传递函数模型及补偿方法的有效性。