船用起重机四索吊装系统动力学分析与控制策略研究

由于恶劣的海浪、洋流、海风等所产生的不同扰动且持续的影响,船用起重机难以实现精准快速吊装作业。因此,该研究提出了船用起重机四索吊装系统(four anti-swing cable system,FASCS),设计了张力控制方法通过设置四根柔性减摇索的张力约束条件来抑制吊重摆动。同时,为了实现减摇索间的协同运动,设计了改进趋近律的自适应滑模控制器(adaptive synovial controller with improved reaching law,ASC-IRL)控制减摇索绳长和绳速变化,防止发生过载甚至断裂。利用MATLAB/Simulink软件对控制效果进行仿真分析。结果表明,有张力控制时吊重摆角抑制效果平均达80.1%,吊重摆动区域面积减少约61.0%。此外,减摇索绳长误差和绳速误差均在8 s内趋近于0,ASC-IRL控制下减摇索最大误差相比于模糊比例-积分-微分减小75.0%以上,减摇索抖振现象相比于传统的滑模控制明显削弱,验证了ASC-IRL控制减摇索协同运动的强鲁棒性,研究结果对进一步探究FASCS的吊重减摇机理和减摇索协同控制具有重要意义。

往复摆动加载测试过程中的运动学分析

以工业机器人用减速器的摆动疲劳试验为例,利用Lagrange方法从理论上分析了单侧配重和对称配重两种加载单元在相同加减速运动规律下的运动学特性,并利用Adams仿真和摆动加载试验进行了评估。结果表明,基于Lagrange方法对加载单元产生的有效摆动加载扭矩的计算结果与仿真和试验结果基本一致。单侧配重在单位重量下可以产生更高的有效加载扭矩,从而在相同的有效加载扭矩下产生更小的倾覆载荷力。同时也表明在摆动疲劳可靠性试验中应用单侧配重加载单元更加科学合理。

基于全耦合模型的海上吊装作业动力响应特征研究

针对现有海上吊装模拟方法不能有效考虑浮吊船舶—系泊系统—吊物系统之间的动态耦合,难以实现基座回转、吊臂变幅连续模拟问题,基于Matlab/Simulink、ADAMS联合仿真平台建立了海上吊装作业全耦合动力分析模型,探究了中长周期波作用下波浪周期、吊缆收放、基座回转、吊臂变幅等参数变化对吊装作业系统动力响应的影响规律。结果表明,波浪周期接近吊物系统固有周期时会引发共振,导致吊物摇摆幅值显著增加。基座回转、吊臂变幅等因改变了吊物的空间位置从而引发了浮吊船舶倾覆力矩的变化,进而对浮吊船舶运动响应产生显著影响。当基座回转90°后,浮吊船舶的横倾角增加约2.74°。

三维运动模式下的桥式吊车神经网络滑模控制

三维运动模式下的桥式吊车具有更高的生产效率,但其定位与防摆控制也更具挑战性.针对该问题,本文提出一种基于最小参数学习的神经网络滑模控制方法.首先,建立了包含机械摩擦力和空气阻力的全驱动动力学模型,解决了系统由于欠驱动特性导致控制器难以设计的问题;随后,设计了基于指数趋近律的滑模控制器,引入径向基函数(radial basis functions,RBF)神经网络的最小参数学习法对系统的不确定性模型进行逼近;并对控制器的稳定性进行了严格的数学证明.仿真与实验结果表明,本文所提控制方法在有/无外界干扰的情况下,都能实现吊车的精确定位与负载摆动的有效抑制.

基于改进核相关滤波的桥吊负载摆角实时检测方法

在基于视觉的桥吊负载摆角检测过程中,负载快速运动使相机采集的图像产生运动模糊,进而导致摆角检测精度降低。为了准确、实时获取负载摆角信息,提出一种基于改进核相关滤波的摆角检测方法。将轨迹预测引入负载跟踪中,避免负载由于快速运动而逃离搜索窗口;设计尺度自适应策略,进一步提高跟踪性能;结合负载运动速度和响应峰值梯度更新自适应学习率,及时适应目标的特征变化。对兴趣区内的图像进行灰度增强处理,降低运动模糊对检测精度的影响,根据三角形外接圆定理获取标识物的圆心及半径,并结合起重机工作空间建立负载摆角测量模型。实验结果表明,所提出方法在检测准确性和实时性上均优于其他方法,检测误差不高于3像素,处理速度不低于35帧/s。

海洋环境作用下深海海底钻机收放系统建模与运动响应分析

深海海底钻机收放系统在风、浪等海洋环境的扰动下会引起海底钻机摆动,通过建立收放系统的动力学模型,分析收放系统在规则波浪下不同波高、浪向角和风速对海底钻机摆角以及相对位移的影响.研究结果表明:在波高、浪向角以及风速的影响下,深海海底钻机入水前后的摆动角度与相对位移变化均存在明显差异;随着波高与风速的增大,钻机的面内摆角变化幅度较小;随着浪向角的增大,钻机的摆动角度和相对位移逐渐增大.得到的结论可用于海底钻机收放系统摆动的预测和控制,为技术工作人员提供参考.

掘进机横摆作业截割头运动参数的优化设计

掘进机是煤矿开采中重要的设备,在掘进过程中,截割头受到煤岩的冲击等作用,受到较大的阻力.横摆作业工况下,截割头的转速及横摆速度对掘进机截割的效率及能耗等具有直接的影响作用.基于此,采用序列二次规划算法对截割头的运动参数进行优化计算.结果表明,对截割头的转速及横摆速度进行优化后,其截割阻力及推进阻力具有明显的降低,可以提高掘进截割的效率,可以为掘进机的设计使用提供参考指导.

一种窄波束测控装备车船摇隔离方法

针对车载/船载状态下的窄波束测控装备的“动中测”测控需求,提出一种“位置环+车船摇前馈补偿+陀螺稳定环”的车船摇隔离方法,并对该方法的船摇隔离度和车摇隔离度分别进行仿真分析,仿真结果表明,采用该方法时,船摇隔离度能达到50 dB以上,车摇隔离度能达到20 dB以上;利用该方法对船摇条件下的高速运动目标跟踪性能进行仿真,仿真结果表明,跟踪误差满足窄波束测控装备的跟踪要求。

面向车门锁电动吸合开启优先功能的凸轮摆杆柔顺连杆组合机构

针对高端汽车门锁电动吸合及开启优先功能需求,提出了凸轮摆杆柔顺连杆组合机构,构造了双凸轮单摆杆和含弹簧构件四杆机构的组合机构,结合限位块、接触状态、凸轮间歇运动、型面突变等构件特征,可实现柔顺自适应滚滑、刚性拨动、避让释放3种运动模式及各模式间切换;嵌入锁内棘轮棘爪锁紧机构,将组合机构转化为电动吸合与开启支链;对应汽车门锁电动吸合、手/电动开启及复位、吸合复位3种工况,以相应驱动方式和运动边界条件,研究分析了吸合运动与锁内现有支链的运动兼容功能、开启优先功能、吸合卡止情况半锁开启功能。将机构及驱动嵌入车门锁进行仿真,研究了全工况开启凸轮与摆杆、摆杆与棘轮、棘轮与棘爪的接触力;机构仿真实现各功能动作的时间与车门锁设计要求匹配,其由半锁到全锁的吸合过程时间为420.97 ms,复位时间为29.03 ms,手动开启时间为622 ms。

波浪作用下平台吊放遥控水下机器人系统共振响应研究

针对平台吊放遥控水下机器人(Remotely operated underwater vehicle, ROV)过程中产生的复杂的共振现象会激发ROV剧烈的摆动和纵荡响应,从而影响下放安全的问题,本文基于Orcaflex软件建立了平台-吊缆-ROV耦合运动系统的数值仿真模型,采用时域分析方法,研究波浪作用下平台吊放ROV过程的空中下放阶段和水中下放阶段的共振响应特性。结果表明:空中下放阶段,单摆共振周期公式可以估算吊缆-ROV系统摆动周期,系统共振周期随缆长增加而不断增大;由于吊缆-ROV系统会同平台发生纵摇的谐振,下放过程中出现共振摆动和纵荡响应尤为剧烈的阶段。水中下放阶段,本文对单摆公式进行了修正,系统摆动周期估算误差低于4%;海水阻尼使系统共振摆角随缆长增加而减小,共振摆动得到明显抑制;流荷载导致吊缆-ROV系统共振周期的增大,且流速越大,共振周期增加越明显。在常见海况下放ROV时,下放过程存在共振区,可通过选择合适的下放速度以减小下放过程中的共振效应。

三关节机械鱼的动力学及运动研究

针对仿生机械鱼水下运动控制问题,通过对鱼体外形和运动模式的研究,建立了仿生机械鱼的结构模型,将其简化为3根相连的连杆组成的连杆机构,进行了动力学分析,并对第3根连杆的水动力学运动规律进行了初步分析,发现机械鱼的游动阻力与鱼在水中的面积、摆动频率、连杆长度等因素有关,适当地选择3根连杆的质量和长度可以提高机械鱼的游动速度和加速度。根据"大摆幅细长体"理论获得舵机摆动角度,采用Matlab对鱼体游动和舵机摆动进行了仿真,并进行了实验研究。仿真结果和实验结果都表明:摆动频率越快,驱动动力就越大,但会使鱼体摆幅增大,进而影响游动速度以及运动的平稳性,存在一个合理的摆动频率范围使得游动速度达到最大。

自润滑向心关节轴承磨损寿命模型

以摩擦副为钢/PTFE编织物的自润滑向心关节轴承为研究对象,从磨损机理出发,基于组合磨损理论和稳定磨损中线磨损率保持不变的特征,通过对复合摆动条件下向心关节轴承的运动分析、接触和速度分析、受力分析、磨损量分析,进而推导出新的解析式寿命模型,可分别计算旋转摆动、倾斜摆动以及复合摆动三种摆动方式下的自润滑向心关节轴承磨损寿命,并提出其计算方法。通过算例计算,得出不同工况三种摆动方式下自润滑向心关节轴承磨损寿命比,与已有理论计算结果和试验结果相近,尤其在复合摆动工况下与已有理论计算值相差更小,相对误差小于6%。新建模型为向心关节轴承提供了一种新的寿命计算方法,可以弥补现有寿命计算公式大多仅考虑旋转摆动工况的不足。

运动病中某些激素和无机盐的变化

在平行秋千前庭刺激和大视野４５°／ｓ的垂直视动刺激下，观察了１０名男性健康人诱发的运动病症状和刺激前后尿中７种激素：抗利尿激素（ＡＶＰ）、皮质醇（ＣＯＲＴ）、醛固酮（ＡＬＤＯ）、血管活性肠肽（ＶＩＰ）、甲状腺素Ｔ４、去甲肾上腺素（ＮＥ）、肾上腺素（Ｅ），五种无机盐：钾（Ｋ）、钠（Ｎａ）、钙（Ｃａ）、镁（Ｍｇ）、磷（Ｐ）的含量的变化。结果表明：秋千和垂直视动刺激的两种不同刺激方式，在诱发运动病的敏感性程度上有不同的影响。平行秋千诱发的运动病症状严重程度高于垂直视动刺激；在秋千刺激下，８名被试者出现严重程度的（ＭⅠⅠⅠ）运动病症状；而视动刺激下，７名被试者只有轻度（Ｍ１）运动病症状。秋千实验后尿中ＡＶＰ、ＣＯＲＴ有显著性增加（Ｐ＜０．０５）。秋千刺激下，尿中ＡＶＰ含量增加与运动病症状之间有相关性。在视动刺激下，尿中ＡＬＤＯ、ＶＩＰ有显著性增加。甲状腺素Ｔ４、Ｅ、ＮＥ和五种无机盐（Ｋ，Ｎａ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｐ）在秋千或视动刺激下未见显著性改变。结果提示。

卫星刚性载荷体在轨对称摆扫特性分析

为实现卫星摆扫成像,降低载荷体摆动过程中对卫星姿态的影响,提出两个相同载荷体对称摆动的方案,并规划给定角度范围内的摆动规律,使载荷体在滚动轴和俯仰轴分别具有0.6(°)/s、6(°)/s的角速度,通过对两载荷体摆动特性及动力学、运动学特性的分析,提出以反作用飞轮对卫星偏航轴剩余力矩进行补偿控制的方法。以某卫星示例进行仿真分析,结果表明:两载荷体对称摆动过程中滚动轴和俯仰轴的合成力矩和角动量对卫星姿态无影响,而偏航轴存在周期性变化的力矩,采用0.2 Nm的飞轮进行动量补偿后得到卫星姿态指向精度和姿态稳定度可以控制在0.032°、0.006(°)/s以内,能够实现较高精度的对地面区域摆扫成像。说明以两载荷体对称摆动的方案实现卫星摆扫成像并满足成像需求,在设计理念上是可行的。

一种空间摆动机构的运动分析

用传统的理论计算的方法求解了一种五杆全转动副空间摆动机构中输出件的运动规律,以此揭示了该机构的运动特性,并通过SolidWorks集成SolidWorks Motion仿真软件建模分析对比,验证了理论计算结果的正确性。

竹材去隔机刀具摆动机构的分析研究

针对竹材去隔机刀具摆动机构,阐述了刀具摆动机构的组成及工作原理,根据矢量方程构造了刀具摆动机构摆角与时间的数学模型,对去隔过程进行仿真分析。设定刀具摆动机构曲柄的转速为π/4 rad/s,对去隔机刀具摆动机构进行仿真,仿真结果表明:刀具中心摆动角度的变化范围为0°~90°,可对圆心角为90°的竹材进行去隔操作。采用Adams对竹材去隔机刀具摆动机构建立虚拟样机,同样以π/4 rad/s的曲柄转速对竹材去隔机去隔过程进行仿真。结果表明:刀具中心摆动范围与计算值相同,验证了数学模型的准确性,同时对连杆两端受力进行计算,得到连杆两端受力随时间变化的曲线,连杆受力发生周期性突变,最大受力约为190N。将受力情况以表格的形式导入Ansys APDL对连杆进行瞬态动力学分析,仿真结果表明:连杆内应力约为1.3MPa,远远小于材料的屈服极限,保证了去隔机工作的安全性,验证了设计的合理性。同时,结果表明:在对竹材去隔的过程中应力会发生突变,可能产生振动,去隔机应避免在其固有频率下工作。

诱发运动病期间面部微循环变化评价方法的比较

为提高运动病评定标准的科学性，采用红外热象仪及激光多普勒微循环血流仪，分别测试了６０名健康男性青年，在电动秋千摆动刺激前、秋千实验后即刻、休息２０ｍｉｎ后，三次的面部皮肤温度及微循环血流量，将测试数据与肉眼观察判断的面色苍白程度进行对照分析。结果表明：实验后随着苍白症状的出现，面部皮肤温度下降，微循环血流量减少，肉眼观察的苍白程度与这两项指标变化不完全一致。表明肉眼观察面色苍白分度虽然简单，但有一定的局限性；用面部皮肤温度或微循环血流量的变化来判断苍白程度，可以排除主观因素和外部影响，提高评价的准确性。

鱼体尾频运动模型研究

鱼体运动特征能直观地反映水体环境质量状况,在生物水质监测中具有十分重要的意义。在分析鱼体运动模式的基础上,提出了基于鱼体骨架中心线的尾频活性模型,利用该模型获取鱼体尾频、速度、加速度等运动参数,表征鱼体游动在被监测水质中的运动活性程度。实验数据表明,模型较好地表征了鱼体当前的运动状态,为后期鱼体运动在生物水质监测中的应用提供了理论基础。

航天员前庭功能的选拔

目的检查、评价航天员候选人的前庭功能 ,选拔出前庭功能良好的航天员。方法对 5 9名候选人—歼击机飞行员进行冷热刺激检查 ,其中 38名飞行员进行了平行秋千、科氏加速度刺激检查。植物神经反应症状、胃电图、眼震电图、心电图、血压、姿态平衡作为评价指标。结果冷热刺激检查表明 ,所有飞行员双侧半规管功能对称 ,视 -眼动反射和前庭 -眼动反射功能正常。平行秋千、科氏加速度测试表明 ,38名飞行员的前庭功能存在明显的个体差异 ,Ⅰ级 (稳定型 )占 5 2 .6% ;Ⅱ级 (较稳定型 )占42 .1 % ;Ⅲ级 (较敏感型 )占 5 .3%。结论本检查能够全面客观地评价候选人的前庭功能 ,评定结果是Ⅰ级和Ⅱ级者 ,其前庭功能为合格 ,可被选拔为航天员。

具有两种阻尼作用的大摆动单摆阻尼参数的确定

目的提出一种有效新方法来确定单摆大摆动情况下的两种阻尼参数,以获得系统的精确分析.方法基于非线性单摆系统的摆动过程数值分析方法,结合摆动实验测试数据,建立以黏性阻尼和库仑阻尼为设计变量,以实验测定停止时间点摆的转角与速度平方和为目标函数的非线性阻尼参数的优化计算方法.结果建立了具有黏性和库仑摩擦阻尼同时存在时非线性单摆系统的阻尼因数的计算方法,获得阻尼参数分析.结论为精确系统模型关键参数计算提供新思想,为复杂系统过程控制提供条件.