基于回归分析法的矩形槽圆管吸能特性研究

为了研究矩形槽圆管吸能特性规律,提出了一种基于回归分析法的结构参数与吸能特性关系的拟合方法。针对轴向冲击下的圆管动态响应,首先,建立了6005A-T6材料的Cowper-Symonds本构模型,并验证了仿真模型的准确性;其次,设计了正交试验,建立了吸能特性与结构参数之间的计算模型;然后,利用多元线性与非线性回归分析方法对计算模型参数求解,并对比了两种拟合结果,得到了峰值力和吸能量的经验公式;接着,对比经验公式与有限元数值计算值表明,经验公式在研究范围内具有较高准确性,误差在8%以内;最后,引入吸能性能指标并使用遗传算法对圆管进行了结构优化,优化结果表明,在研究范围内当直径和槽端距最小、壁厚和槽宽最大、槽深最浅时,矩形槽圆管的吸能性能最优。

基于μ综合的平面单臂柔性梁鲁棒振动控制研究

针对平面单臂柔性梁轨迹跟踪及末端弹性振动问题,提出了基于μ综合的控制方法对其进行抑振控制。首先,采用假设模态法描述弹性变形,并基于Lagrange方程建立动力学模型;其次,考虑载荷质量和结构阻尼的参数不确定性及建模摄动,运用线性分式变换,选用加权函数建立混合不确定模型。通过引入理想模型改进μ综合的标准控制结构,提高了系统收敛性并改善了闭环系统性能。基于μ综合控制方法,设计了系统鲁棒控制器。仿真结果表明,控制器的结构奇异值上下界均小于1,表示系统具有良好的鲁棒稳定性及鲁棒性能。通过与PD控制器对比分析,表明在存在不确定性和干扰的情况下,所提出的控制策略能更高精度地进行轨迹跟踪,更有效地衰减末端振动,验证了该控制策略的有效性。

基于分形理论的变齿厚齿轮接触应力分析

为了更准确地反应变齿厚齿轮齿面真实接触应力,构建了变齿厚齿轮的齿面接触系数,并对其合理性进行了验证。基于分形接触理论和Hertz接触理论建立了综合考虑齿轮齿面粗糙形貌、接触点弹性变形、材料特性等参数的变齿厚齿轮接触模型,计算变齿厚齿轮的接触强度,并与有限元计算结果进行比较,验证了方法的有效性。通过分形理论得出齿轮啮合时载荷与面积的关系,并对4个基本参数进行仿真,分析分形接触模型的效果。结果表明,通过数值模拟和分析实际接触面积与载荷的关系图,验证了分形接触模型的准确性。基于有限元理论、Hertz接触理论和分形理论,对变齿厚齿轮的齿面接触强度进行了比较和分析,验证了分形接触模型计算变齿厚齿轮接触应力的正确性,该模型的建立为变齿厚齿轮的设计与强度校核提供了一定的理论依据。

空气锤钎头的结构优化及疲劳寿命研究

空气锤钎头在钻井过程中表现的低疲劳寿命,大大降低钻井效率,提高了钻井成本。为此,研究空气锤钎头的疲劳寿命并对其结构优化,以提高空气锤钎头的服役寿命。在12.25 in(1 in=2.54 cm)空气锤钎头的基础上,考虑防掉结构,对空气锤钎头整体结构进行设计。提出微型钎头概念并完成了微型钎头样品疲劳寿命实验,使用Ansys/Ls-Dyna和nCode DesignLife软件对微型钎头进行动力学与疲劳寿命分析并与实验结果相验证,对钎头基本结构和材料进行确定。将仿真过程运用到钎头本体,考虑钎头本体尺寸和活塞冲击速度等问题对钎头疲劳寿命的影响,对钎头本体进行结构优化。研究表明,采用40CrMnSiMoV的钎头疲劳寿命最佳;钎头本体基本尺寸中,直径对钎头疲劳寿命影响最大;当冲击功变化时,钎头疲劳寿命随末速度的增加而减小;冲击功恒定情况下,当钎头末速度的平方与钎头质量接近时,钎头疲劳寿命最佳。

微织构曲面的结合面的接触阻尼特性研究

研究微织构曲面结合面上的表面形貌参数对曲面结合面接触阻尼的影响。分析结合面阻尼来源,建立了结合面单个微凸体阻尼的数学模型。进一步的,以平面微凸体的分布密度函数为理论依据计算曲面接触微凸体的数量,并研究曲面结合面上织构密度、材料特性参数,以及施加的动态载荷的频率和幅值对接触阻尼的影响。经过研究及实例分析结果表明:织构密度越高,曲面结合面间的接触阻尼越小;随着材料特性参数的增大,法向接触阻尼越来越大;伴随振动频率加大,相同的载荷下接触阻尼逐渐减小;动态变形幅值越大,接触阻尼越大。

基于动态啮合刚度的直齿圆柱齿轮动态特性研究

齿轮系统转速直接影响齿轮系统的动态特性,然而在啮合刚度的计算中该因素却被许多学者们忽略。为了研究转速对啮合刚度的影响,基于有限元框架使用平均加速度法提出了一种计算与转速相关的动态啮合刚度的算法,同时对不同转速下的动态啮合刚度进行仿真计算与分析,最后进一步探究了受动态啮合刚度影响后的齿轮系统所具有的相关动态特性。分析表明,动态啮合刚度始终围绕着静态啮合刚度上下波动;随着转速的增加,其波动幅度增加,振荡次数减少;随着转速的变化,动态啮合刚度计算的动态传动误差振幅相对于静态啮合刚度而言大小关系不一致,且计算的齿轮系统共振转速区间或超前或滞后于静态啮合刚度模型;动态啮合刚度影响特定转速区间的齿轮系统的振动周期。对与转速相关的动态啮合刚度的研究可为直齿圆柱齿轮传动性能的改善及减振降噪提供参考。

功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

双摆线针齿传动齿廓特性与啮合特性分析

将双摆线齿廓运用到NN型少齿差行星齿轮传动领域,通过分析内外摆线轮齿廓的凹凸性、曲率和曲率半径,获得了内、外摆线齿廓的特性;通过图解法推导双摆线针齿传动中内、外摆线轮的压力角计算公式,获得了啮合过程压力角变化规律,以及双摆线针齿主要参数对于内、外摆线轮压力角的影响;通过对等距修形和移距修形进行研究,表明齿廓修形对齿形有明显影响。

基于MPGW分布的压力蒸汽灭菌器可靠性分析

浴缸形状的失效率函数因其能够捕捉某些实际情境中的故障率特征,在机械结构可靠性分析中至关重要。引入一种修正广义幂威布尔(Modified Power Generalized Weibull,MPGW)分布,能够建模表征浴缸形状的失效率变化规律。为评估该模型的有效性,本研究使用了压力蒸汽灭菌器故障数据集进行实证研究,并将其性能与5种经典分布模型进行了比较,发现该模型在灵活性上具有较大优势。

焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响

点焊接头因高度应力集中,极易于熔核边缘萌生疲劳裂纹,点焊产生的残余应力会影响其扩展。为探究点焊残余应力对疲劳裂纹扩展的影响规律,建立DP600高强钢点焊接头三维裂纹有限元仿真模型。基于热-弹塑性理论求解点焊残余应力场,在此基础上计算有无残余应力时折线裂纹的局部应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)解,通过分析两种条件下裂纹最深点局部SIF随裂纹深度比变化的曲线,研究点焊残余应力对折线裂纹扩展的影响规律;基于断裂力学理论,采用改进的双参数模型预测有无残余应力时的疲劳寿命。结果表明,点焊残余应力使局部SIF显著提高,且随着裂纹深度比的增加,残余应力对其的影响程度也增加;考虑残余应力后裂纹整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,疲劳寿命由35616次下降至12564次。

非线性曲面梁形态优化及恒压支撑装置设计

基于超前支护设备顶梁支撑结构研究一种恒压支撑装置的设计方法,恒压支撑装置由正刚度线性弹簧、负刚度非线性平面曲梁及承压气囊组合而成。通过对巷道顶板应力场分析,得到支撑结构的边界条件;利用B样条曲线简述负刚度非线性平面曲梁的特点;基于遗传算法与非线性有限元法对负刚度非线性平面曲梁进行形态优化设计;依据恒压支撑装置的工作原理,对线性螺旋弹簧刚度/强度特性进行分析与设计;对恒压支撑装置的零部组件进行设计,实现支撑装置输出压强大小恒定及自我保护功能。恒压支撑装置设计方法为综掘巷道超前支护研制提供了有力技术支撑。

二维多孔结构剪切变形及破坏特性研究

基于理论建模、有限元仿真和实验测试研究了二维多孔结构剪切变形及破坏特性,分析几何参数改变对整体抗剪性能的影响。通过有限元仿真获取剪切变形规律,采用框架剪切夹具进行剪切实验,与有限元仿真结果进行对比分析。结果表明:剪切变形破坏主要为靠近结点处单元胞壁的拉伸破坏与剪切破坏,损伤从结构边缘向内部渐进扩展。单元胞尺寸、壁厚对结构的剪切性能有明显影响,厚度与排列角度对剪切性能影响较小;在正六边形、内凹型和半凹型多孔结构中,正六边形的二维多孔结构的抗剪性能最好。

杨桃启发的仿生星形薄壁结构耐撞性研究

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层级设计与加强筋配置对星形薄壁结构耐撞性的优化效果。结果表明,星形薄壁结构具有规则的渐进折叠变形机制,其比吸能、压溃力效率等耐撞性能大幅优于常见截面的薄壁结构,具有良好的工程应用潜力。

基于自适应特征选择k子凸包的滚动轴承故障诊断

滚动轴承故障诊断中往往将特征选择和分类器的设计分别进行研究,从而难以获得满意的分类精度。将特征选择和分类器寻优结合起来,提出了一种自适应特征选择k子凸包(Adaptive Feature Selection K-sub Convex Hull, AFSKCH)的分类模型,从而实现了故障特征自适应选择和分类的一体化。首先,利用凸包距离函数保持数据流形上的局部邻域结构,通过交替构造k子凸包得到特征权值矩阵;其次,采用线性规划接近度方法求解k子凸包距离,利用乘子交替方向法得到自适应特征空间;最后,根据测试点到k子凸包的最小重构距离进行分类。滚动轴承故障振动信号分析结果表明,该方法特征选择性能优于其他特征选择方法,且具有较高的分类精度。

塑性冲击振动系统的非光滑分岔

考虑塑性碰撞工况下的单自由度冲击振动系统,推导了擦边分岔和余维一滑动分岔的条件。结合二维参数和单参数分岔分析,研究了单冲击周期运动的分岔特征,揭示了冲击振动系统的穿越滑动分岔、切换滑动分岔和余维二滑动分岔等非光滑分岔以及擦边分岔和混沌激变等不连续分岔行为。非黏滞型周期运动与黏滞型周期运动经穿越滑动分岔相互转迁。在二维参数平面的低频小间隙区域,(1,1,1)周期运动与(1,2,1)周期运动交替出现。两类周期运动的临界线为切换滑动分岔线。混沌边界激变导致混沌吸引子及其吸引域突然消失。

基于Morlet小波与CART决策树的滚动轴承故障诊断方法

针对滚动轴承故障诊断过程中样本处理、故障识别等技术问题,提出一种基于Morlet小波和分类回归树(Classification and Regression Tree,CART)的滚动轴承故障诊断方法。首先,利用Morlet小波分析方法和移动窗方法对轴承振动信号进行样本处理。其次,对提取的短样本进行变分模态分解与特征提取,完成训练集和测试集的构建。然后,使用训练集训练CART决策树分类模型,同时引入随机搜索和K折交叉验证用于模型关键参数优化,以获取理想的轴承故障分类模型。测试集验证结果表明,该方法不但能实现多种轴承故障的有效诊断、在含噪测试集中表现良好,而且单个样本的数据长度和采样时长的缩短效果明显。

基于Abaqus二次开发的复杂结构寿命计算平台

临界距离理论适用于计算复杂结构的蠕变疲劳寿命,但在工程实践中该方法的计算效率很低。为解决这一问题,使用Python语言对Abaqus软件进行二次开发。所开发软件可以使用临界距离法计算结构的蠕变疲劳寿命,并提供多种功能以提高分析效率,包括模型信息提取、材料参数导入和计算结果输出等。通过对某型高压涡轮叶片进行分析计算验证了软件适用性。结果表明该软件可以有效简化临界距离法的步骤,实现对复杂结构蠕变疲劳寿命的高效计算,具有一定工程价值。

仿虾螯式抗冲击微加速度传感器设计

针对外弹道信息测量过程中,低量程微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)加速度传感器在上万g_n过载环境下的损坏问题,提出了一种仿虾螯式抗冲击微加速度传感器,可以实现抗过载30000g_n、量程50g_n的指标要求。有限元仿真结果表明,在50g_n载荷作用下,加速度计敏感单元位移为0.99μm,灵敏度为0.124 pF/g_n;引入仿虾螯式抗冲击缓冲结构的加速度传感器在30000g_n过载作用下承受的等效应力的最大值从1022.5 MPa降低至84.326 MPa,有效地提高了该传感器件的可靠性。

变曲率曲面构型前刀面车刀的减阻性能研究

为了降低切削过程中的阻力,通过对河狸牙齿前刀面的构型分析,设计出了具有变曲率准线曲面构型前刀面的车刀。在0.15~0.5 mm背吃刀量下,选取4种前刀面构型进行仿真切削对比分析。仿真结果表明,余弦函数准线构型前刀面刀具的切削力相对于其他构型前刀面刀具的降低了3.5%~11.96%,并通过直角切削实验对仿真结果进行了验证。随后通过仿真实验对余弦准线函数进行参数优化,得出了切削力随周期和幅值改变的变化规律。优化结果表明:当背吃刀量与前刀面余弦函数准线一个周期的比值为40%左右时,减阻效果最为显著。所设计的变曲率构型前刀面车刀不仅有效降低了切削力,还为金属切削刀具的构型设计提供了新思路,具有较强的应用价值。

剪式座椅悬架系统动态性能分析

基于达朗贝尔原理,在建立座椅悬架系统的虚平衡状态的基础上,推导出了系统的运动微分方程,得到了系统的传递函数。采用试验测定手段,得到了座椅悬架主要元件的力学性能及座椅传递特性,并通过试验结果验证理论模型的准确性。在此基础上,讨论各参数对悬架系统共振频率及幅值的影响,针对其结构参数对悬架系统进行了部分改进,可为座椅结构设计提供思路和解决方法。