Capture Performance of A Multi-Freedom Wave Energy Converter with Different Power Take-off Systems

Among the wave energy converters (WECs), oscillating buoy is a promising type for wave energy development in offshore area. Conventional single-freedom oscillating buoy WECs with linear power take-off (PTO) system are less efficient under off-resonance conditions and have a narrow power capture bandwidth. Thus, a multi-freedom WEC with a nonlinear PTO system is proposed. This study examines a multi-freedom WEC with 3 degrees of freedom: surge, heave and pitch. Three different PTO systems (velocity-square, snap through, and constant PTO systems) and a traditional linear PTO system are applied to the WEC. A time-domain model is established using linear potential theory and Cummins equation. The kinematic equation is numerically calculated with the fourth-order Runge–Kutta method. The optimal average output power of the PTO systems in all degrees of freedom are obtained and compared. Other parameters of snap through PTO are also discussed in detail. Results show that according to the power capture performance, the order of the PTO systems from the best to worst is snap through PTO, constant PTO, linear PTO and velocity-square PTO. The resonant frequency of the WEC can be adjusted to the incident wave frequency by choosing specific parameters of the snap through PTO. Adding more DOFs can make the WEC get a better power performance in more wave frequencies. Both the above two methods can raise the WEC’s power capture performance significantly.

结构动力学应用中若干基本概念的研究

结构动力特性被广泛应用于结构振动控制、结构可靠性设计和健康监测,由此涉及到一些动力学基本概念的理解问题尚待深入探讨。采用一简支梁横向振动算例以及分别通过模态位移法和模态加速度法对多自由度系统的响应振幅进行分析计算,探讨结构位移响应与第一阶固有频率的关系、结构各阶位移模态的贡献与模态应变能的关系。基于模态正交性,通过分析多自由度振动系统的位移响应,论述了系统共振的必要条件,即在保证系统振动频率(某阶固有频率)等于激励频率的同时,其位移响应还应呈现出相应模态的形态;实现多自由度系统纯模态共振,可用于精确识别结构的模态参数。

波长可调的量子点纠缠光源(特邀)

可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时,需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术,成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案,总结了不同方案的调节方法和研究现状,并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后,对该领域的未来发展进行展望。

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率.本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布.结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险.对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响.三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性.

基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输

针对多自由度电机无线电能传输中传输效率较低的问题,提出基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输方法。该方法根据共振原理构建磁耦合谐振式无线电能传输模型,通过反射系数描述阻抗匹配状态,获取最佳负载阻抗;采用混沌优化算法优化电机线圈损耗率,实现多自由度电机无线电能传输优化。实验结果表明,应用该方法后,多自由度电机的电能输出功率达到了893 W,传输效率提升了0.10以上,提高了电能输出功率和传输效率,方法有效,具备可行性。

社区尺度斜入射波场下场地-建筑群耦合作用模拟方法

场地-城市相互作用(site-city interaction,SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element,SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedom,MDOF)模型计算量小且可同时模拟大量建筑的优势,同时,结合频率波数域(frequency wave number analysis,FK)方法,以等效地震荷载的方式施加地震波场,建立了FK-SE-MDOF耦合方法,实现了SE-MDOF耦合模型中多种波型(P波、SV波和SH波)的斜入射输入,解决了当前三维SCI效应研究方法中未能同时考虑建筑非线性、频谱特性、地震波波型及入射角度影响的问题。首先对方法原理进行了介绍;然后,通过与振动台试验的对比,验证了方法的正确性;进而,采用该方法建立理想场地-城市建筑群相互作用耦合模型,主要探讨了入射角度和地震波波型对SCI效应的影响,得到了一些有益结论。该方法较为真实地反映SCI效应影响的同时,可反映建筑基础轮廓对地震波场的影响,适用于需考虑建筑轮廓信息的社区尺度SCI效应研究,可为城市规划、抗震设计、风险评估以及震后救援等工作提供定量指导。

多自由度机械臂关节角度自动控制方法设计研究

为解决目前机械臂运动轨迹控制与精度补偿中的问题,提出了一种多自由度机械臂关节角度自动控制方案.在对多自由度机械臂的连杆和关节部位的运动过程进行动力学分析的基础上,结合梯度下降法和人工神经系统,提出了能够实现对机械手臂连接部分和控制部分自动控制的策略,建立了针对多自由度的机械臂关节的角度控制模型.实验证明,所提出的控制策略能够很好地控制机械臂关节角度,并且能够很好地跟踪机械臂运动轨迹,有效提高了机械臂抓取精度,抓取精度达到了96%.

新型双体波浪能转换装置多自由度耦合水动力特性研究

提出一种新型双体波浪能转换装置,其主体由浮标和可调节质心的摆体构成。利用AQWA进行频域仿真,获取装置的水动力参数,建立含黏性项的多自由度耦合的时域模型,并将水动力参数代入模型,分别开展规则波、不规则波的仿真,研究质心位置、PTO(power take-off)阻尼对装置性能的影响,最终根据真实海况划分若干不规则波并分别开展仿真,研究装置在真实海况下的发电性能。结果表明,装置可通过调节配重位置在不同周期的波浪中高效发电,且装置在小波高情况下也可以有效利用波浪能量,具有持续的发电能力。

直线旋转开关磁阻电机的轴向速度控制与快速轴向定位

目前直线旋转开关磁阻电机(Linear-rotary switched reluctance motor,LRSRM)只可实现轴向定位控制,两自由度运动方式较为单一。为提高LRSRM轴向控制性能,本文提出了一种轴向速度控制方法,通过线性位置/速度观测器协调控制转子的轴向位移和轴向速度,由转矩与轴向力的数学模型解算出转矩及轴向力绕组的给定电流,再将其分配到对应的绕组导通区间,分别进行电流滞环控制。该方法可以有效调节转子在旋转过程中的轴向定位速度。仿真和实验验证了所提方法的控制效果。

空间引力波探测望远镜多自由度形变测量方法解耦研究与噪声分析

空间引力波探测望远镜是引力波探测卫星的核心载荷之一,它同时对传输光束进行扩束和缩束。光程稳定性是望远镜的核心指标之一,其与望远镜结构稳定性密切相关。为了满足引力波探测任务对望远镜提出的超高光程稳定性和结构稳定性要求,必须对望远镜结构形变测量进行研究。本文开展了对空间引力波探测望远镜多自由度形变测量的研究,重点解决多自由度测量的耦合问题,并对误差来源进行详细分析。在空间引力波探测望远镜的研制阶段,该测量方法的研究有望满足望远镜多自由度形变测量的需求,为望远镜设计提供多自由度形变的数据反馈,为望远镜光程稳定性研究提供指导。

基于冲击振动时延特性的异响源识别研究

异响影响汽车的整车NVH性能,汽车异响主要为冲击异响,识别冲击异响源对解决整车NVH性能问题有着重要意义。这里首先介绍了一种求解带阻尼多自由系统的强迫振动响应计算方法。然后利用带阻尼的五自由度质量弹簧系统介绍了冲击振动时延特性的定义,研究了质量、刚度以及阻尼对时延特性的影响。接着分析已知冲击振动源的实验数据,验证了其时延特性。最后,应用冲击振动时延特性,成功找到了某型号新下线车辆的坏路冲击异响源。因此,利用冲击振动的时延特性能寻找冲击异响源是一个行之有效的方法。

柔性齿轮运动特性及其振动抑制性能的实验研究

在三缸发动机平衡轴齿轮传动系统的传动过程中,存在着较大的振动和噪声问题,为此,提出了一种附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合模型,对柔性齿轮结构的运动特性及其振动抑制性能进行了实验研究。首先,采用集中质量法,建立了考虑齿轮间隙和时变啮合刚度的附加阻尼环6自由度齿轮传动系统的弯曲-扭转模型,利用石川公式计算出了柔性齿轮的时变啮合刚度,对比了有无阻尼环的齿轮系统的振动响应;然后,搭建了专门的齿轮传动系统测试设备,测试了不同转速下钢齿轮和柔性齿轮的加速度和噪声峰值;最后,设计了激光位移试验台,对比分析了不同转速下齿轮的微抖动,对柔性齿轮的减振效果进行了测试,并验证了理论模型的正确性。研究结果表明:当转速为1000 r/min时,钢齿轮和柔性齿轮的最大加速度信号分别为35.58 m/s^(2)和20.37 m/s^(2);当齿轮转速为4000 r/min时,柔性齿轮的阻尼效果最佳,加速度峰值降低了45.23%,噪声峰值降低了39.06%;钢齿轮的微抖动幅值明显高于柔性齿轮,两者的变化趋势相似。柔性齿轮能有效抑制轮齿微抖动振幅曲线的不平滑、毛刺现象,从而增强了三缸发动机平衡轴系的稳定性。

多自由度机器人型理疗假肢设计

新时代境况下,伴随着机械制造行业的迅速发展,人们生活水平不断提高。但是上肢缺失的残疾者在生活中仍有很多不便,特别是肩离断患者,简单的生活自理都很困难。以往的肩离断型假肢往往都以装饰性假肢为主,难以符合人文护理的要求。由于多自由度假肢只能进行串行作业,不能不同关节同时动作,所以操作非常不方便。因此,设计了一款为肩断离患者穿戴的多自由度机器人型理疗假肢,该假肢具有穿戴轻便、位移准确和应用智能等优点,可为肩断离患者提供康复自理的外部条件。

多自由度气动软体手部康复驱动器

针对软体手部康复驱动器自由度单一的问题,提出一种适应人手运动特点的多自由度软体手部康复驱动器。通过在3个关节处配置锯齿结构半波纹管气腔,并在掌指关节位置增加双向方形气腔,分别实现手指的屈伸、收展运动。根据分段常曲率假设模型建立驱动器气腔的弯曲角度与输入气压之间的非线性关系,并通过有限元分析探究气腔壁厚、长度、间距及数目与气腔弯曲性能的关系。采用硅胶灌注成型制作软体手部康复驱动器并搭建实验平台,对其进行弯曲性能测试。特性测试结果表明,当气压为60 kPa时,驱动器收展角度为21.8°;当气压为25 kPa时,驱动器屈曲角度为254.8°,符合人体手指运动范围。

一种基于多自由度鱼尾的仿生机器鱼设计

针对传统的水下机器人运动效率低、水下作业时产生的噪声污染会影响鱼群生活环境、隐蔽性差容易被雷达探测识别,而大多数仿生鱼尾部摆动模式不够灵活、环境适应性差的问题,提出了一种基于多自由度鱼尾的仿生机器鱼的结构方案。该鱼尾能够产生横向和纵向两个方向的运动矢量,尾部能够进行更加灵活的摆动。对机器鱼尾部结构进行了实验,实验结果表明:在横向上驱动线变化量为50 mm时达到最大摆角116°,纵向上驱动线变化量在46 mm时达到纵向最大摆角61°。

Spar平台多自由度耦合的涡激运动数值模拟研究

为研究Spar平台在均匀流作用下多自由度耦合的涡激运动特性,本文基于STAR-CCM+求解器建立了考虑流固耦合的Spar平台涡激运动数值模型,探讨了纵荡、横荡、垂荡、纵摇和横摇五个自由度的耦合效应。结果表明:Spar平台在横荡、垂荡与横摇三个自由度发生明显“涡激共振”现象,并且垂荡与横摇自由度“涡激共振”现象发生的速度区间基本一致;横荡与横摇自由度保持着较高的耦合性,横荡共振时横荡与横摇的运动主频保持1:1的关系,横摇共振时横荡运动频谱的次峰频率等于横摇运动主频;纵荡、垂荡与纵摇三个自由度存在复杂的非线性耦合运动关系,不仅纵荡、垂荡的运动主频始终存在于纵摇频谱中,而且纵摇与纵荡、纵摇与垂荡的耦合程度在不同的折合速度范围内存在差异。

球形关节关键技术研究进展

球形关节是一种结构简单紧凑、响应快、精确度高的单一球转子多自由度电机,在航天航空、先进医疗设备、智能机器人等众多领域有着广阔的应用前景。针对球形关节的部分关键技术进行了分析总结,首先对当前一些主流球形关节的驱动原理和结构进行了分类整理,介绍了各类球形关节的驱动方法和技术特征;其次针对位姿检测研究主要技术路线进行了总结归纳。最后,基于上述讨论分析了球形关节研究的关键技术发展趋势,为后续球形关节研究提供了参考。

织针直驱直线电机技术研究进展与挑战

织针直驱直线电机技术能够以数量级水平提升传统针织工艺的生产效率,具备实现三维织物自由编织的潜力。由于技术难度和经济成本的双重挑战,长期以来织针直驱直线电机技术的研究需求不明,关键技术不清,发展极为缓慢。本文从针织机械基础性关键指标出发,明确织针直驱直线电机技术的研究需求,归纳总结超薄直线电机设计、超薄电机阵列的多物理场耦合、多自由度电机阵列三项关键技术,综述了国内外相关研究概况,着重阐明电织针方案的研究进展,指出当前多物理场耦合结构失效机理和控制策略研究面临的挑战及相应对策,正面回应了传统纺织产业发展面临的时代命题。

多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法

针对当前多自由度柔性机械臂控制过程中,机械臂定位控制系数选择合理性较低,导致多自由度柔性机械臂控制时延较长且运动轨迹与预设轨迹存在较大差异的问题,提出多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法。将拉格朗日算子作为计算基础,以能量的方式构建多自由度柔性机械臂动力学模型。考虑到机械臂的负载状态,计算机械臂的重力矩,识别机械臂非线性连续时变反馈控制参数。设定非线性连续时变反馈控制规则,构建机械臂非线性控制器,实现机械臂定位控制。构建实验环节,实验结果表明:该方法可有效提升机械臂运动轨迹与预设轨迹的一致性,缩短机械臂定位控制时延,进一步提升机械臂应用效果。

基于谐振改进型单自由度自抗扰控制器的PMSM转速波动抑制策略

高性能系统期望电机输出平滑且稳定的转速。然而,永磁同步电机驱动系统的转速环遭受多源扰动影响,导致电机输出转速呈现非周期和周期波动。为了抑制转速环中多源扰动,该文提出一种谐振改进型单自由度自抗扰控制器(active disturbance rejection controller,ADRC)。单自由度ADRC保留了传统ADRC对非周期扰动的抑制能力。在此基础上,该文采用准谐振控制器拓展单自由度ADRC观测器在特定频率处的带宽,以进一步提高单自由度ADRC对周期扰动的抑制能力。因此,所提方法可以同时抑制转速的非周期和周期波动进而提高转速的控制性能。此外,该文利用Nyquist稳定判据分析所提方法的稳定性。最后,通过实验验证所提方法的有效性。