基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

超声冲击处理对S355钢表层组织及力学性能的影响

通过超声冲击处理技术对S355钢表面进行处理,分析不同处理时间对材料显微组织、表层残余应力及拉伸性能的影响规律。结果表明,超声冲击处理能够有效地消减S355钢的残余拉应力,引入残余压应力,且引入的残余压应力随着超声冲击时间的增加而增加,在冲击时间达到10 min时,x轴、y轴的残余应力消除值分别为194.81、200.46 MPa。此外,超声冲击处理能够提升材料的抗拉强度和屈服强度,在冲击时间为10 min时,抗拉强度和屈服强度分别增加了16、13 MPa。经超声冲击处理后,试样表层晶粒得到了细化,且观察到明显的加工硬化层。超声冲击处理后材料内部位错密度增加、晶粒细化是导致残余拉应力转变为残余压应力和拉伸性能提升的本质原因。

适用于形性一体化的工业备件增材制造工艺研究

针对贸易摩擦和新冠疫情双重影响下企业备品备件管理面临的新挑战,包括备件采购周期的不确定性、备品备件供应链管理面临的中断风险、进口备件成本压力增大等问题,进一步分析了备件国产化替代的必要性及可行路径。基于备件增材制造应用研究的国内外现状和发展趋势,分析了增材制造用于工业备件国产化替代的可行性及存在的问题,探讨了适用于增材制造的工业备件的技术特性、形性影响因素及保障措施,提出了基于逆向工程理念的形性一体化增材制造工艺研究框架及国产化替代实验技术方案,研究了增材制造用于备件国产化替代的经济效益与技术应用评估方法。以线缆接头为例进行了增材制造的形性一体化试验研究,包括备件性能标准制定、几何模型重构、工艺及材料选择、成本及效益分析等内容,备件试验件具有了原件的形性功能要求,已应用于工业现场,满足了“应急性替代”,技术及经济效益明显。

高频振动能量放大装置的优化设计与实验研究

为了提高高频振动时效消除残余应力的效果,优化设计一种高频振动能量放大装置。采用正交实验法结合ANSYS有限元软件,以振幅放大倍数和振幅均匀性评价因子为目标函数,结构尺寸参数为设计变量,对高频振动能量放大装置进行优化设计。通过实验研究高频振动能量放大装置的应用对高频振动时效消除AISI 1045钢淬火试样残余应力的影响;结果表明:高频振动能量放大装置的振幅放大倍数可以达到7.30、振幅均匀性评价因子可以低至0.68;高频振动能量放大装置能够显著的放大电磁式激振器的输出振幅,同时能够输出相对均匀的振幅;高频振动能量放大装置的应用显著的提高了高频振动时效消除残余应力的效果;基于正交实验法结合ANSYS有限元软件进行高频振动能量放大装置的优化设计,可以减少设计方案的数目,提高设计的效率,具有工程应用价值。

高频冲击振动对焊接残余应力的影响研究

焊接工艺广泛运用在高速列车中,然而焊接工艺在应用中会在构件表面产生较大的拉伸残余应力,直接关系到安全运营。由于焊接构件存在较大拉伸残余应力,采用高频冲击振动的方法消除构件的焊接残余应力。首先采用Nd:YAG脉冲式激光设备对AISI 1045钢进行表面处理,制备具有初始拉伸残余应力的实验试样,用以模拟实际的焊接残余应力;然后采用电磁式激振器系统对试样局部区域进行高频冲击振动处理,并采用小孔法测试高频冲击振动前后试样的表面残余应力。结果表明:高频冲击振动处理后构件x、y轴向的平均残余应力的释放量分别为145.7、136.0MPa;高频冲击振动在消除构件焊接残余应力方面具有较好的效果。高频冲击振动处理方法能够被用来消除高速列车焊接构件的残余应力,具有一定的工程应用价值。

基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法与实验研究

为了获得较为理想的振动时效效果,提出基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法。采用ANSYS有限元软件,对构件进行数值模态分析,通过分析应变振型和残余应力的分布规律,确定了基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法和步骤,并在此基础上进行了振动时效的实验研究,验证该方法的提出对振动时效效果改善的有效性。结果表明:对于激振频率的选择应以构件表面的残余应力分布为依据,共振应变函数ψr为准则;通过该方法合理选择振动时效的激振频率,能够获得较为理想的振动时效效果。基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法的提出,为振动时效激振频率的确定提供了技术思路,改善了振动时效的效果,具有一定的工程应用价值。

基于多元函数逼近的高频振动时效工艺参数研究

为揭示工艺参数独立作用和交互作用对高频振动时效效果的影响规律,提出基于多元函数逼近的高频振动时效工艺参数研究方法。基于多元函数逼近法建立高频振动时效效果与工艺参数之间的定量化函数模型,给出定量化函数模型的实验构建方法,并基于实验数据构建定量化函数模型,在此基础上研究独立工艺参数和工艺参数的交互作用对高频振动时效效果的影响。结果表明:单个工艺参数独立作用时,高频振动时效效果受到激振频率的影响最大,其次是激振振幅;工艺参数交互作用时,高频振动时效效果受激振频率和激振振幅的交互作用的影响最大,其次是激振频率和激振时间的交互作用。基于多元函数逼近的高频振动时效工艺参数研究方法的提出,为揭示工艺参数独立作用和交互作用对高频振动时效效果的影响提供了技术思路,同时为高频振动时效工艺参数的制定提供了参考,具有一定的工程应用价值。

矩形横截面导体内衰减振荡电流脉冲的趋肤效应

为了优化设计导通电流脉冲的工件以及制定电流脉冲处理材料的工艺方案,研究电流脉冲通过时电流密度、电磁场等物理量在导体内部的分布情况.根据Maxwell方程组,推导出振荡衰减电流脉冲通过矩形截面金属导体时,电场强度、电流密度、磁感应强度、电磁能密度和Maxwell应力张量在横截面分布的解析解.以电容放电通过碳钢板状试样为例,计算相关物理量的分布情况.结果表明,电流、电磁场的分布存在明显的趋肤效应,表面处的数值远远大于心部,主要分布在距离表面深度不大于趋肤深度的表层区域.电场强度、电流密度、磁感应强度、电磁能密度和Maxwell应力张量都呈现出振荡衰减的变化趋势.通过电流脉冲对45碳钢横截面碳原子作用的不均匀现象验证了趋肤效应的存在.

高能量密度脉冲电流消减淬火Cr12MoV钢残余应力研究

针对淬火工艺导致材料表面引入较大残余压应力的问题,采用高能量密度脉冲电流的方法消减淬火Cr12MoV钢残余应力。采用不同密度的脉冲电流对试样进行处理,并采用小孔法和硬度测试法分析脉冲电流处理前后材料的残余应力和表面硬度,在此基础上建立电致塑性模型框架阐述脉冲电流对残余应力和表面硬度的作用机理。结果表明:高能量密度脉冲电流能够有效地消减Cr12MoV钢淬火残余应力,且在一定范围内提高脉冲电流的密度可以提高残余应力的消减效果;淬火Cr12MoV钢表面硬度从HRC 61~HRC 64降低到HRC 56~HRC 59;位错密度的减小是残余应力释放和表面硬度降低的本质原因。高能量密度脉冲电流能够被用来消减淬火工艺引起的残余应力,提高零件的使用寿命,具有一定的工程应用价值。

转动C形腿与沙土作用建模及力学参数辨识

机器人足端与沙土相互作用力学模型的建立和参数辨识,是沙土表面步行移动机器人多模态感知和决策的重要约束条件和物理信息。C形腿构型在沙土表面具有高通过性和适应性,基于地面动力学中的抵抗力学理论,充分考虑C形腿在摆动步态条件下位姿和速度矢量对足地相互作用动态力学的影响,进而建立C形腿与沙土的相互作用力学模型。然后,通过三组宽度条件的C形腿与沙土表面的转动接触力学试验,提取数据并分析水平和竖直接触力随姿态角度的变化规律。然后,通过积分模型的解析推导获得线性表达形式,基于递归最小二乘算法对未知参数矩阵进行逐项推导。最后,基于逐项迭代输入输出矩阵函数,获得参数在已有数据样本容量空间内的辨识结果。与试验结果相比,辨识后的预测竖直力和水平力误差分别为4.05%和4.22%,验证参数辨识的准确性和有效性。辨识的参数能够反映沙土地面的部分物理特征,基准值则反映腿部几何构型对力学模型的影响。

基于位错密度演化的高频振动时效微观机理

为了揭示高频振动时效消除残余应力的微观机理,探讨了高频振动载荷作用下的位错密度演化特性对残余应力松弛的影响规律。分别采用Williamson-Hall(WH)法和小孔法分析高频振动前后Cr12MoV钢淬火试样的位错密度和残余应力。在实验研究的基础上,采用微观动力学理论,建立晶粒多自由度系统,分析高频振动激活位错运动的机制,进一步采用晶体塑性理论,建立高频振动作用下的位错密度演化控制方程,分析高频振动时效消除残余应力的微观机理。结果表明:材料内的位错在高频振动的作用下激活运动,产生位错累积和位错湮灭2个演化过程,其中材料内的位错湮灭过程占据主导地位,从而降低了材料内的位错密度;位错密度的降低减小了材料内的晶格畸变程度,从而松弛了材料内的残余应力。

电流脉冲对45碳钢试样位错密度和残余应力的影响

研究了电流脉冲对淬火45碳钢试样位错密度和表面残余应力的影响。根据XRD图谱,采用Modified Williamson-Hall(MWH)方法计算位错密度,进一步结合微观组织结构,分析了位错密度和残余应力的关系。结果表明,电流脉冲处理前后,位错密度由1.21×1015m-2变为0.80×1015m-2,表面残余应力σx由-250 MPa降低到-142 MPa,σy由-363 MPa降低到-172 MPa。与热处理相比,电流脉冲处理的试样位错密度和残余应力的降低率都比较大,表明电流脉冲除了产生热作用外,还产生了非热作用。位错密度和残余应力存在一定关系,符合Kocks-Mecking模型。电流脉冲处理过程中,位错激活运动,导致位错湮灭,位错密度降低,是残余应力降低的主要因素。