基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性,因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景.通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计,可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能.利用仿真模拟数据,基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化.以面心立方(face center cubic,FCC)结构梯度点阵材料为研究对象,通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计.通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应,包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线.基于随机森林模型,以各层胞元的相对密度为输入,实现对点阵材料端面峰值应力的预测,并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层.将网格搜索算法与训练好的随机森林对接,分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标,获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值.模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内.数值模拟验证结果表明,优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.

基于OBE的机械类专业计算方法课程持续改进探索与实践

成果导向(OBE)理念是工程教育专业认证的基本理念,强调以学生为中心、成果导向和持续改进三个核心理念。以机械类专业基础课计算方法为例,阐述了计算方法课程目标及其达成情况评价依据与结果,并根据达成情况对课程的教学内容、教学资源、教学方法、考核方式与评价标准、实践环节等进行持续改进,使学生在机器人研发及工程应用等方面的综合能力得到提升,促进课程目标的达成,对完成专业培养目标和毕业要求具有重要意义。

液压驱动仿生捕蝇草柔性抓手的设计与实验研究

随着科技的发展和生活的需要,柔性抓手因其安全性和柔顺性逐渐成为了研究热点。捕蝇草作为一种能够实现包络抓取的植物,其运动特点对于柔性抓手的抓取运动具有较好的参考性。文中根据软体网格结构和捕蝇草的变形机理,提出了一种由双仿生叶片组成的液压驱动仿生捕蝇草柔性抓手结构。首先基于本构模型提出了完全嵌入式单列网格弯曲角度和压力关系的数学模型,然后基于仿真模型分析了多列网格弯曲角度和压力的关系,确定了柔性抓手0.040 MPa的工作压力。通过分析仿真结果,得出了边缘不完整网格的弯曲角度变化和受力均大于完整网格的结论,证明了不完整网格处是柔性抓手强度的薄弱点。进行了液压驱动和气压驱动仿生叶片的弯曲实验和闭合力实验,证实了在工作压力下液压驱动的性能优于气压驱动,确定了柔性抓手0.010 MPa的准备压力。最后通过适应性实验证明了所设计的柔性抓手能抓取不同形状的物体,证实了最大负载能力达304.3 g。文中设计的液压驱动仿生捕蝇草柔性抓手可以为活体昆虫捕捉和无损采摘提供有效的解决方案,也可为仿生植物机器人的研发提供理论和技术基础。

SHPB模块化高低温测试系统设计

为了高效可靠地获得材料在高低温下的力学性能,基于典型的霍普金森压杆,建立了一套可移植性较强的模块化高低温测试系统。该系统由加载杆自动组装系统、非接触式高温加热系统及高效率低温环境箱组成,可实现试样的自动化加载,减少了手动作业带来的温差影响。相对于传统高低温测试方案,高温系统采用非接触式加热,减少了加载杆温度场对实验结果的影响;低温环境箱可实现多样品同时制冷,在不打开环境箱的条件下实现测试样品的更换与回收,大大提高了测试效率。基于高低温测试系统,完成了不同材料在不同应变率及温度条件下的动态压缩强度测试,测试结果真实稳定。

SMA驱动手指康复机器人模糊自适应控制方法研究

针对形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)丝驱动手指康复机器人弯曲角度难以精确控制的情况,提出一种模糊自适应PID控制算法,该方法基于手指康复机器人的运动学模型和合金丝驱动模型,利用电阻映射的弯曲角度反馈,采用模糊自适应参数实现位置控制。搭建手指康复机器人实验测试平台,分别采用传统PID和模糊自适应PID控制方法对食指进行位置控制实验,并分析稳定后食指各关节位置的控制效果。研究结果表明与传统PID控制算法相比,模糊自适应控制算法相比于PID控制达到角度稳态时间提高2~3 s,调节时间更短,位置误差2°,在外界扰动条件下能在3 s内完成自适应调节,具有较强的鲁棒性,能够更好地补偿SMA相变过程中的迟滞问题,证明了方法的有效性。

补体、炎症因子与2型糖尿病视网膜病变关系的研究

目的研究糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)的严重程度与血浆炎症因子、补体的水平关系,为糖尿病视网膜病变的发病机制提供理论依据。方法选取2型糖尿病无DR患者30例,2型糖尿病有DR患者68例(轻度NPDR组23例、中度NPDR组15例,重度NPDR15组例,增生期PDR15组例)。检测血浆白介素6(interleukin-6,IL-6)、白介素8(interleukin-8,IL-8)、补体C3、C4、C1q、血沉(erythrocyte sedimentation rate,ESR)、空腹血糖(fasting plasma glucose,FPG)、餐后2小时血糖(postprandial blood glucose,PBG)、糖化血红蛋白(glycosylated hemoglobin,HbA1c)等指标。结果IL-8在中度NPDR(22.92±12.16 pg/mL)、重度NPDR(25.28±11.31 pg/mL)均高于DM无DR组(19.06±9.48 pg/mL)、轻度NPDR组(16.76±10.32 pg/mL)、PDR组(14.51±3.94 pg/mL)(P<0.05)。补体C1q在重度NPDR组(195.12±33.58 mg/L)显著高于DM无DR组(166.8±28.37 mg/L)、轻度NPDR组(163.4±31.36 mg/L)、中度NPDR(166.5±28.10 mg/L)、PDR组(160.7±36.39 mg/L)(P<0.05)。5组之间补体C3、ESR、FPG、PBG、HbA1c差异具有统计学意义(P<0.05)。结论糖尿病视网膜病变患者的补体激活、炎症反应程度在NPDR期重于PDR期,且与非增殖期视网膜严重程度成正比。积极干预糖尿病患者早期补体激活及阻断炎症反应可能有助于预防糖尿病视网膜病变的发展。

丧亲者悲伤评估工具研究进展

本文对国内外丧亲者悲伤评估工具的发展过程、测量内容、信度、效度,使用方法及应用现状等内容进行综述,旨在为国内学者测评丧亲者悲伤程度选择合适工具和研发符合我国人群特征的丧亲者悲伤测评工具提供参考。

动态血糖监测对2型糖尿病病人糖脂代谢及自我管理能力的影响

目的:探讨动态血糖监测对2型糖尿病病人糖脂代谢及自我管理能力的影响。方法:采用便利抽样法,选取2020年3月—2020年5月在陕西省人民医院内分泌科住院的127例2型糖尿病病人,采用随机数字表法分为观察组60例和对照组67例。观察组病人使用动态血糖监测,针对病人血糖波动图谱及饮食、运动等生活大事件进行有针对性的个体化糖尿病教育,对照组病人常规血糖监测,责任护士进行规范的糖尿病教育。出院6个月后观察两组病人空腹血糖(FBG)、餐后2 h血糖(2 hPBG)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)及糖化血红蛋白(HbA1c)及自我管理能力。结果:出院6个月后,观察组病人FBG、2 hPBG、LDL-C、HbA1c、自我管理能力各维度得分均优于对照组(P<0.05)。结论:使用动态血糖监测可根据病人血糖波动图谱及生活大事件及时调整治疗方案,进行个体化糖尿病教育,有助于改善病人的血糖、血脂管理情况和自我管理能力。

面向草莓抓取的气动四叶片软体抓手研制

农林业中果蔬的自动化采摘需求日趋强烈,末端抓手是实现无损采摘的关键。传统的末端抓手以刚性结构居多,现有的各种柔性抓手也存在抓取力不足、包覆性不佳等缺点。本文以草莓的无损采摘为研究对象,提出将草莓外部轮廓曲线作为设计曲线,设计了一种新型气动四叶片软体抓手。首先,对软体抓手的结构做仿真优化,提出一种安全地附着在目标物表面的设想。然后,在进行草莓表面的最小破坏应力试验的基础上,测试了软体抓手的末端力,验证了其实现无损抓取的可行性。再次,利用动态捕捉技术,研究了软体抓手叶面的弯曲变形规律。最后,选择使用弧线型气体通道的软体抓手进行了草莓抓取测试,结果证明了气动四叶片软体抓手可以实现草莓的无损抓取,抓取成功率达90%,破损率为2%,表明所研制的四叶片软体抓手用于草莓抓取时具有良好的稳定性和实用性,可用于草莓采摘的末端执行器。本研究也可为其他易损果蔬的采摘技术提供理论基础和技术支撑。

自走式蓝莓采摘机行走液压系统的设计与仿真

为满足自走式蓝莓采摘机的工作性能要求,设计一种自走式蓝莓采摘机的行走液压系统。简要介绍该机的主要参数、结构、工作原理及工作流程,完成对行走系统主要元件的选型。利用AMESim软件对行走液压系统进行建模与仿真,仿真了左前轮打滑和左侧双轮打滑的两种工况。仿真结果表明:在左前轮打滑工况下,可以实现前侧流量强制分流,从而帮助采摘机脱离打滑状态;在左侧双轮打滑工况下,可以实现整机流量强制分流,从而帮助采摘机脱离打滑状态,符合设计要求,仿真结果为自走式蓝莓采摘机以及其他自走式采摘机械的行走液压系统的防打滑工况设计提供了参考。

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。

利拉鲁肽对糖尿病肾病大鼠肾脏功能和足细胞损伤的改善作用及其机制

目的:观察利拉鲁肽对糖尿病肾病(DN)大鼠肾脏功能和足细胞相关蛋白表达及病理形态表现的影响,并探讨其作用机制。方法:48只雄性SD大鼠随机选取12只作为正常对照组,其余36只大鼠采用腹腔注射链脲佐菌素(STZ)的方法制备糖尿病模型,随机分为模型组(n=12)、利拉鲁肽组(n=12)和利拉鲁肽+LY294002组(n=12)。利拉鲁肽组大鼠腹腔注射利拉鲁肽,利拉鲁肽+LY294002组大鼠提前给予LY294002腹腔注射,30 min后再给予利拉鲁肽腹腔注射。正常对照组和模型组大鼠腹腔注射等量生理盐水,各组每天注射1次。于用药8周后,测定各组大鼠体质量,检测各组大鼠尿白蛋白与肌酐比值(UACR)及空腹血糖(FBG)、血肌酐(Scr)和血尿素氮(BUN)水平;采用HE染色观察各组大鼠肾脏组织病理形态表现,免疫组织化学法检测各组大鼠肾脏足细胞中Synaptopodin蛋白表达水平,电镜观察各组大鼠肾脏组织足细胞形态表现,Western blotting法检测各组大鼠肾脏组织足细胞中Synaptopodin和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路相关蛋白表达水平。结果:与正常对照组比较,模型组大鼠体质量明显降低(P<0.05),UACR、FBG、血清中Scr和BUN水平明显升高(P<0.05);与模型组比较,利拉鲁肽组大鼠UACR、FBG、血清中Scr和BUN水平明显降低(P<0.05)。HE染色,模型组大鼠肾小球体积肿大,系膜细胞和基质增多,而利拉鲁肽组大鼠肾脏组织病理形态变化较模型组明显缓解;免疫组织化学染色,与正常对照组比较,模型组大鼠肾脏组织足细胞中Synaptopodin蛋白表达水平明显降低(P<0.05);与模型组比较,利拉鲁肽组大鼠肾脏组织足细胞中Synaptopodin蛋白表达水平明显升高(P<0.05)。电镜下观察,正常对照组大鼠肾脏组织中足突覆盖于肾小球基底膜外表面,形态正常,分布均匀;模型组大鼠肾脏组织中足突增宽、肿胀、广泛融合,部分可见足突消失,溶酶体坏死,肾间质水肿;利拉鲁肽组大鼠肾脏组织中足突肿胀、融合好转,与正常对照组足突结构相似。Western blotting法检测,与正常对照组比较,模型组大鼠肾脏组织中Synaptopodin、PI3K和p-Akt蛋白表达水平明显降低(P<0.05);与模型组比较,利拉鲁肽组大鼠肾脏组织中Synaptopodin、PI3K和p-Akt蛋白表达水平明显升高(P<0.05);与利拉鲁肽组比较,利拉鲁肽+LY294002组大鼠肾脏组织中Synaptopodin、PI3K和p-Akt蛋白表达水平明显降低(P<0.05)。结论:利拉鲁肽能通过激活PI3K/Akt信号通路改善大鼠肾脏功能,减轻DN大鼠足细胞损伤。

改进暗通道先验的低光照缝隙图像增强算法

针对工业环境中缝隙图像由于低光照而产生的模糊不清和对比度低等问题,提出一种基于改进暗通道的缝隙图像增强算法.首先将输入图像进行滤波并反转;然后采用改进的暗通道估算大气光值和初始透射率,利用引导滤波和中值滤波优化初始透射率,达到平滑图像和保持边缘的目的;最后将增强后的反转图像反转,实现低光照缝隙图像增强.实验结果表明,该算法能够有效地改善低光照缝隙图像的感知质量.

玄武岩纤维复合材料静、动态力学性能和抗弹性能研究进展

以玄武岩纤维为增强体、树脂为基体制得的玄武岩纤维复合材料具有优异的力学性能、良好的环境适应性和低廉的价格,其在车辆、船舶、航空航天等高新科技领域拥有替代现有玻璃纤维复合材料的潜力。近20年来,玄武岩纤维复合材料的力学性能受到了研究人员的大量关注。玄武岩纤维增强树脂基复合材料中,环氧树脂基复合材料力学性能较为突出,相关研究最受关注。在准静态力学性能研究中,与玻璃纤维复合材料对比发现,玄武岩纤维复合材料在拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗低速冲击性能、疲劳性能、耐磨性等方面都更为优异,与碳纤维混杂组成复合材料时也表现出更强的性能,并且通过纤维化学改性和基体纳米颗粒改性可进一步提升玄武岩纤维复合材料的力学性能。国内玄武岩纤维复合材料动态力学性能的研究集中于水泥、沥青、混凝土等材料与玄武岩纤维组成的复合材料,对高性能树脂基复合材料的关注较少。国外研究人员对玄武岩纤维增强树脂基复合材料动态拉伸性能进行了全面研究,发现玄武岩纤维复合材料的动态拉伸模量、强度、应变等都随应变率增加而增大,增大幅度在20%~60%;与玻璃纤维复合材料相比,玄武岩纤维复合材料在动态拉伸条件下显示出更高的弹性模量、更大的拉伸强度和更高的拉伸应变。现阶段玄武岩纤维复合材料动态拉伸性能研究的应变率主要集中在100/s左右的较低范围,对动态压缩性能的研究也极为缺失,这难以支撑玄武岩纤维复合材料在涉及高速冲击服役环境中的应用。玄武岩纤维复合材料抗弹性能与S-玻璃纤维复合材料相当,因为玄武岩纤维复合材料具有较为全面的力学性能与环境适应性,所以与其他纤维混杂组成复合材料时可以弥补其他纤维的固有缺点。玄武岩纤维复合材料抗弹性能的变化受基体、纤维等因素的影响,并反映在不同的失效机制上,但在高速动态冲击过程中难以捕获材料本身微观结构的变化,其失效机制只能通过断口形貌进行推测,因此在抗弹性能研究中,仿真模拟技术对玄武岩纤维复合材料冲击变形过程和失效机制的解析研究亟需得到关注。本文归纳了玄武岩纤维增强树脂基复合材料的准静态、动态力学性能及抗弹性能研究现状,分析了现阶段玄武岩纤维复合材料力学性能研究中的不足并提出了建议,以期为高性能、绿色玄武岩纤维复合材料的研究发展提供参考。

SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型;以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能;试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能;试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。

三种生物质填料对生物质/CO-PA选择性激光烧结件性能的影响

为探究不同生物质填料对生物质/共聚酰胺(CO-PA热熔胶)复合材料选择性激光烧结件性能的影响。采用机械共混的方式制备了稻壳/CO-PA(RHPA)、秸秆/CO-PA(CSPA)和纤维素/CO-PA(MCPA)三种生物质复合材料,通过选择性激光烧结(SLS)技术打印生物质复合材料烧结件。使用扫描电镜(SEM)表征材料颗粒形貌和烧结件断面形貌,探讨了三种不同生物质填料对生物质复合材料烧结件力学性能、尺寸精度和表面粗糙度的影响。结果表明,RHPA烧结件力学性能最优,MCPA烧结件的表面质量最高,三种生物质材料烧结件尺寸公差等级均为IT13。

SMA驱动柔性机械臂BP神经网络PID控制方法研究

针对形状记忆合金(SMA)丝驱动软体仿生柔性臂弯曲角度难以精确控制的问题,文中提出一种BP神经网络PID控制算法。该方法基于仿生柔性臂的运动学模型和驱动模型,利用电阻映射的弯曲角度反馈,采用BP神经网络优化PID参数实现位置控制。然后,搭建仿生柔性臂实验测试平台,利用不同驱动电压条件下弯曲实验测试数据确立初始PID参数,分别采用传统PID方法、模糊PID控制方法和BP神经网络PID控制算法对仿生柔性机械臂进行位置控制实验。结果表明,与其他两种方法相比,BP神经网络PID控制方法能在5 s内达到期望角度,调节时间更短,位置误差仅为2°,并且在外界扰动条件下2 s内可完成自适应调节,具有较强的鲁棒性,能够更好地补偿SMA相变过程中的迟滞问题,证明了所提方法的有效性。

弹靶作用过程中陶瓷基复合材料的表面驻留行为

为提高陶瓷基复合材料在轻质装甲结构设计中应用的可行性,研究陶瓷基复合材料在抵抗弹体撞击时的表面驻留性能,进而探索其抗弹性能,旨在丰富和完善陶瓷基复合装甲材料的抗弹机理。采用数模模拟方法对弹体撞击SiC-Al陶瓷基复合材料表面驻留过程开展了深入研究,探索了复合材料的表面驻留行为,对比分析了复合材料和陶瓷材料表面驻留过程中应力水平和损伤演化过程。结果表明:复合材料表面驻留耗能为845J,比B_4C、SiC、AD99Al_2O_3陶瓷材料分别提高约46.0%、30.2%、35.7%;完全损伤的复合材料仍具有较一般陶瓷材料更高的承载能力,延长其驻留持续时间;复合材料损伤演化形式与陶瓷材料差异较大,导致损伤耗能占总驻留耗能的比例达到23.9%,比陶瓷材料提高了2倍多。

基于混合遗传算法的手指肌肉力优化求解方法研究

目的为解决手指肌肉、肌腱组织结构复杂导致肌肉力真实值很难获取的问题,采用混合遗传算法求解手指肌肉力。方法在分析手指解剖结构的基础上,基于生物力学原理,建立了手指肌肉、肌腱力和接触力的力学平衡方程,以最小化肌肉应力平方和为优化目标函数,利用遗传算法和增广拉格朗日乘子法相融合的混合遗传算法,采用典型对象的手指接触力测量数据为输入参数,优化计算求解手指的肌肉力。结果有效求出了手指的各个肌肉力,优化计算结果与其它研究的结果较为吻合;随着手指关节角减小,FDP和FDS的数值增大,而LE、LU、UI、RI的数值随之减小,FDP、FDS、LE和RI+UI+LU在数值上约为外界接触力的0.7~3.7倍。结论基于遗传算法和增广拉格朗日乘子法的混合优化算法,初始优化不依赖初值的选取,避免了经验取值,提高了算法的适用性。

工程教育专业认证背景下计算方法课程专业化教学研究——以机械电子工程专业为例

工程教育专业认证对工科专业基础平台课程提出新的要求,以计算方法课程为例,针对不同专业学生,需要有相应的专业化教学方法。目前完全按照数学课讲授方式,学生的学习兴趣不高,无法理解计算方法与后续专业课程之间的关联性。针对上述问题,以机械电子工程专业为例,通过采取新型教学方法、搭建理论与实验教学平台、研究与专业其他相关课程的一体化教学方法、持续改进教学方案等改革措施,强化计算方法在机器人研发及工程应用能力培养过程中的关键作用,为其他工科专业计算方法课程教学提供借鉴和参考依据。