Algebraic Method‑Based Point‑to‑Point Trajectory Planning of an Under‑Constrained Cable‑Suspended Parallel Robot with Variable Angle and Height Cable Mast

To avoid impacts and vibrations during the processes of acceleration and deceleration while possessing flexible working ways for cable-suspended parallel robots(CSPRs),point-to-point trajectory planning demands an under-constrained cable-suspended parallel robot(UCPR)with variable angle and height cable mast as described in this paper.The end-effector of the UCPR with three cables can achieve three translational degrees of freedom(DOFs).The inverse kinematic and dynamic modeling of the UCPR considering the angle and height of cable mast are completed.The motion trajectory of the end-effector comprising six segments is given.The connection points of the trajectory segments(except for point P3 in the X direction)are devised to have zero instantaneous velocities,which ensure that the acceleration has continuity and the planned acceleration curve achieves smooth transition.The trajectory is respectively planned using three algebraic methods,including fifth degree polynomial,cycloid trajectory,and double-S velocity curve.The results indicate that the trajectory planned by fifth degree polynomial method is much closer to the given trajectory of the end-effector.Numerical simulation and experiments are accomplished for the given trajectory based on fifth degree polynomial planning.At the points where the velocity suddenly changes,the length and tension variation curves of the planned and unplanned three cables are compared and analyzed.The OptiTrack motion capture system is adopted to track the end-effector of the UCPR during the experiment.The effectiveness and feasibility of fifth degree polynomial planning are validated.

Automatic measurement of three-phase contact angles in pore throats based on digital images

With the help of digital image processing technology, an automatic measurement method for the three-phase contact angles in the pore throats of the microfluidic model was established using the microfluidic water flooding experiment videos as the data source. The results of the new method were verified through comparing with the manual measurement data.On this basis, the dynamic changes of the three-phase contact angles under flow conditions were clarified by the contact angles probability density curve and mean value change curve. The results show that, for water-wetting rocks, the mean value of the contact angles is acute angle during the early stage of the water flooding process, and it increases with the displacement time and becomes obtuse angle in the middle-late stage of displacement as the dominant force of oil phase gradually changes from viscous force to capillary force. The droplet flow in the remaining oil occurs in the central part of the pore throats, without three-phase contact angle. The contact angles for the porous flow and the columnar flow change slightly during the displacement and present as obtuse angles in view of mean values, which makes the remaining oil poorly movable and thus hard to be recovered. The mean value of the contact angle for the cluster flow tends to increase in the flooding process, which makes the remaining oil more difficult to be recovered. The contact angles for the membrane flow are mainly obtuse angles and reach the highest mean value in the late stage of displacement, which makes the remaining oil most difficult to be recovered. After displacement, the remaining oils under different flow regimes are just subjected to capillary force, with obtuse contact angles, and the wettability of the pore throat walls in the microfluidic model tends to be oil-wet under the action of crude oil.

Effect of the yaw angle on turbulent flow structures around the submarine model

The objective of this paper is to investigate the turbulent flow structures around the submarine model and evaluate the effect of the yaw angle on the turbulent flow characteristics.The large eddy simulation based on the boundary data immersion method is used to investigate.The computational domain consists of 1.2×10^(8)uniformly distributed Cartesian orthogonal grid nodes to capture the basic flow characteristics around the model.The pressure coefficient,friction coefficient and wake velocity distribution are in good agreement with the experimental data.Three different types of vortex structures were mainly captured around the model,including horseshoe vortex,sail tip vortex and crossflow separation vortex.With the increase of the yaw angle,the asymmetry of the horseshoe vortex and the tip vortex gradually increases,and the vortex strength of the vortex leg on the windward of the horseshoe vortex and the vortex strength of the tip vortex also increase gradually.For the crossflow separation vortex,the flow separation zone gradually expands and migrates downstream with the increase of the yaw angle.

三七种植土壤离散元仿真模型参数标定

[目的]获取三七Panax notoginseng种植土壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数。[方法]基于Hertz-Mindlin with JKR接触模型建立三七种植土壤离散元模型并进行参数标定。首先,以土壤颗粒间及土壤-65Mn钢板间的JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数为试验因素,以土壤堆积角、土壤在65Mn板上的滚动距离为评价指标。其次,采用基于Box-Behnken的响应面优化方法建立土壤堆积角、滚动距离回归模型。[结果]对回归模型进行寻优,得到仿真标定的土壤颗粒间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为14.88 J/m2、0.53、0.46和0.150,标定的土壤-65Mn板间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为7.02 J/m2、0.59、0.57和0.058。通过三七挖掘铲仿真试验与土槽试验对比分析得到,挖掘铲受X、Y轴方向平均阻力仿真值与实测值相对误差分别为9.91%、8.78%。[结论]标定的离散元土壤模型参数准确度高,研究可为三七收获机触土部件及装备优化提供理论参考。

麦-玉耕作秸秆混土还田模式下离散元参数标定

麦-玉一年两熟的江淮、黄淮地区秸秆混土还田保护性耕作模式,麦秸秆-土壤混合的种床缺乏准确的物料相互接触参数,阻碍了机械化玉米精密播种过程中关键部件、种粒、肥料与混合种床相互作用研究,进而制约了机具优化与改进。采用物理与EDEM离散元方法结合研究非连续体麦秸秆-土壤混合物之间相互作用,选用Bonding V2黏结模型搭建柔性麦秸秆段“元颗粒”,选取Hertz-Mindlin with JKR模型对一定湿度的土壤进行参数标定。首先,以圆桶提升麦秸秆和土壤种床混合物堆积角为响应值,采用Plackett-Burman筛选试验和最陡爬坡试验分别对显著影响因素从大到小排序和缩近最佳取值范围。利用Box-Behnken试验构建了显著影响因素与堆积角二阶回归模型,对显著因素交互项进行响应曲面分析,利用Design-Expert软件优化模型并以实测堆积角39.94°为目标响应值,计算得土壤JKR表面能0.500、土壤-秸秆动摩擦系数0.065 8、土壤-秸秆JKR表面能0.262及土壤-土壤动摩擦系数0.155,仿真验证误差1.08%,表明标定的接触模型参数可靠。该研究可为麦-玉保护性耕作模型下混合种床与机具精密播种相互作用研究提供参考和理论依据。

基于PSD的六自由度位移测量解耦方法研究

基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)的六自由度(6 Degree of Freedom,6DOF)位移测量对紧凑空间内精密位移台初始位置和姿态的精密测量具有重要作用。精密位移台位移与PSD上光斑位移之间非线性关系的解耦是实现精密位移台亚微米及微弧度位移测量精度的关键。根据PSD与6DOF精密位移台上角锥棱镜之间的位置关系,构建了6DOF位移测量方案,建立了6DOF位移台位移与PSD上光斑位移之间的精确对应关系模型,采用数值计算法对该模型进行解耦求解,并与小角度近似法进行了对比分析。结果表明,当6DOF位移台单自由度位移范围为±10 mm和±10 mrad时,数值计算法引入的解算误差最大值为10^(-17)mm和10^(-15)~10^(-16)mrad量级,而小角度近似法引入的解算误差最大值为5.39μm和35.5μrad;在此基础上,采用蒙特卡洛法以随机均匀分布方式产生10000组六自由度位移进行分析,表明数值计算法引入的解算误差平均值为10^(-17)mm和10^(-17)mrad量级,而小角度近似法引入的解算误差平均值为10^(-3)~10^(-6)mm和10^(-5)mrad量级,其中z方向解算误差达到4.4μm,R_(x)和R_(y)方向解算误差达到28μrad,故小角度近似法无法满足上述位移测量精度要求。所提出的基于数值计算法的解耦方法对实现6DOF位移台的高精度位移测量具有重要意义。

基于数字高程模型的民航甚高频地空通信信号覆盖仿真

为解决起伏地形下民航甚高频(very high frequency,VHF)地空通信信号覆盖范围计算精度低、冗余度大、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据获取缺乏自动性及信号覆盖图可视性差等问题,采用最大遮蔽角截止法等进行仿真研究。首先,考虑计算覆盖范围存在误差,提出利用反距离加权(inverse distance weight,IDW)插值法提高地形辨识度并在计算覆盖范围时考虑大气损耗;其次,为解决DEM数据获取缺乏自动性,利用MATLAB编码自动提取;再次,考虑遮蔽角计算存在冗余,采用“最大遮蔽角截止法”降低计算量;最后,为使覆盖范围直观可视,绘制二维及三维的覆盖显示图。结果表明,这些方法使遮蔽角计算量相较改进前降低了约64.60%,信号覆盖精度相较改进前提高了约3.315%。改进的覆盖仿真程序可以为VHF地面通信台站选址及飞行航线规划提供有效支撑。

耐张塔输电线路等值覆冰厚度的简化预测方法

输电线路覆冰会引发断线倒塔事故,严重影响电网的安全运行,准确监测线路覆冰情况具有重要的工程意义和应用价值。在输电线路综合荷载的静力学模型基础上,提出了两种简化的等值覆冰厚度预测方法。第一种简化方法不需要水平档距和高度差参数,减少了输入参数;第二种简化方法不需要角度传感器,避免角度传感器误差造成的预测性能下降,且减小了系统的硬件成本。结果表明:在大水平档距情况下,第一种简化方法与现有方法的预测性能基本一致;在覆冰前后悬垂角变化不大的情况下,第二种简化方法的预测误差在工程允许范围以内。

Regional landslide forecasting model using interferometric SAR images

Method of obtaining landslide evaluating information by using Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) technique was discussed. More precision landslide surface deformation data extracted from InSAR image need take suitable SAR interferometric data selecting, path tracking, phase unwrapping processes. Then, the DEM model of scope and surface shape of the landslide was built. Combining with geological property of landslide and sliding displacements obtained from InSAR/D-InSAR images, a new landslide forecasting model called equal central angle slice method for those not obviously deformed landslides was put forward. This model breaks the limits of traditional research methods of geology. In this model, the landslide safety factor was calculated by equal central angle slice method, then considering the persistence ratio of the sliding surface based on plastic theory, the minimum safety factor was the phase when plastic area were complete persistence. This new model makes the application of InSAR/D-InSAR technology become more practical in geology hazard research.

考虑车辆侧偏刚度变化的MPC稳定性控制方法

针对侧向行驶车辆易发生转向失稳,构建了一种考虑轮胎侧偏刚度变化的车辆稳定性控制方法,以避免轮胎侧向力饱和,提高行车安全性.采用前、后轴轮胎侧偏角分段拟合方法建立轮胎侧偏刚度拟合模型,将拟合过的侧偏刚度引入到车辆动力学模型中,准确描述车辆当前的动态性能.为了避免轮胎侧向力饱和引起的转向失稳,本文提出一种基于模型预测控制(model predictive control,MPC)算法的前后轴约束的轮胎侧偏角的车辆稳定性控制方法,以优化车辆的转向性能.仿真结果表明,车辆稳定性控制方法能够将前后轴的轮胎侧偏角抑制在一定范围内,根据侧偏刚度的变化,避免车辆侧滑现象的发生,提高了车辆的稳定性.

有限转角力矩电机及其研究发展综述

有限转角力矩电机(LATM)具有结构简单、控制方便、可靠性高、力矩密度大等优点,因而其作为一种在有限转角内直驱工作的电动作动器已广泛应用于国民经济的诸多领域。该文首先介绍了LATM的理论基础,包括LATM的工作原理、矩角特性、主要拓扑结构及其演变思路,并补充了一些特殊的拓扑结构。其次,归纳了LATM的设计方法,并分析了如何抑制LATM工作区间内的力矩波动、提升区间内的输出力矩以及拓宽工作区间。然后,讨论了LATM在是否考虑非线性时的数学模型与控制方法。最后,对LATM的应用领域进行了归纳和介绍,总结展望了LATM及其相关技术研究的主要发展方向。

高强铝合金角形短柱轴压局部屈曲行为研究

为研究高强铝合金角形轴压短柱的局部屈曲行为,对9个由701-T6和703-T6两种高强铝合金材料制作的角形短柱试件开展了轴压试验,试验结果表明:试件的局部屈曲均发生在材料屈服之前,呈一阶特征值屈曲模态。对所有试件进行了有限元建模计算,将有限元模拟结果与试验结果进行了对比验证,并采用验证后的模型进行了参数分析,研究了板件宽厚比对局部稳定性能的影响,板件宽厚比越大,局部屈曲发生越早。将试验与有限元模拟结果与我国现行标准的计算结果进行了对比,发现现行标准中的局部稳定设计公式计算得到的承载力偏低,用于工程设计中尽管能保证安全性,但无法发挥高强铝合金本身的性能优势。因此,在现行标准设计公式的基础上进行了修正,修正后的设计方法能更准确地计算构件承载力,在保证可靠性的前提下更充分地利用材料强度。

粘钢法加固RC梁受扭承载力的计算方法与数值分析

粘钢法是一种常用的加固方法,规范中明确规定了粘钢法加固钢筋混凝土梁(RC梁)的受弯与受剪承载力公式,但对受扭承载力公式并未涉及。为了研究粘钢加固RC梁受扭承载力的计算方法,首先借助剪力流理论与变角度空间桁架模型(VASTM),分别推导出RC梁与粘钢法加固RC梁受扭承载力的计算公式。然后探讨了加固前后RC梁配筋强度比ζ与ζ′的变化情况,在此基础上进一步提供了加固工程算例。最后借助ANSYS软件建立了两种不同方案的粘钢法加固模型,研究了其在扭矩作用下的动力响应与破坏形态。研究结果表明,粘钢法加固受扭RC梁加固前后配筋强度比ζ与ζ′变化很小,钢板厚度为1 mm时其受扭承载力提高约89%;扭矩较小时可采用在RC梁两端粘贴钢板进行加固;扭矩较大时出现梁柱节点先于构件破坏的情况,应将钢板粘贴区域扩大至梁柱节点,但此时不再符合VASTM。

混凝土损伤塑性模型参数选取及应用

针对ABAQUS(有限元分析软件)的CDP模型(混凝土损伤塑性模型)的参数选取问题,结合袁迎曙的试验结果,对CDP模型的黏性系数、剪胀角以及计算方法的选取展开探讨。结果表明:1)黏性系数取0.001时具有良好的计算精度和收敛性;2)剪胀角取36°左右时,计算结果与试验结果最为吻合;3)对于CDP模型的钢筋混凝土,不适合采用Risk法(弧长法)进行计算,而应采用“Static,General”法(一般静力学法)。参数建议值的计算结果较好地反应出钢筋混凝土梁损伤开裂破坏的过程,可为港口码头等工程钢筋混凝土构件力学性能的研究提供参考。

叶片型线改型对渣浆泵水力性能及磨损特性的影响

渣浆泵工作过程中,浆液中的硬质固体颗粒会对泵壁面造成强烈的冲蚀磨损,导致渣浆泵效率降低,使用寿命缩短。为了解决渣浆泵效率较低、磨损速度过快等问题,采用变角螺旋线法(VASM),对渣浆泵叶轮叶片型线进行了改型设计,研究了不同颗粒粒径、浓度、密度等对不同型线渣浆泵性能的影响。首先,介绍了变角螺旋线方法和离散相模型,对数值计算模型进行了验证;然后,在叶轮前、后盖板和叶片型线不变的前提下,采用变角螺旋线法对LC100/350型渣浆泵叶片进行了改型设计;采用雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型和SIMPLE耦合算法和离散相模型(DPM)对渣浆泵内部固液两相流动进行了模拟,以额定工况下泵的扬程、效率、磨损强度为改进性能指标,评估了改进效果;最后,通过CFD数值模拟方法,分析和对比了改型后各种叶型的渣浆泵扬程、效率和叶轮磨损强度。研究结果表明:相对于渣浆泵叶轮的原叶型,采用变角螺旋线法设计的渣浆泵叶轮叶片能够明显地提高渣浆泵的效率,降低叶轮的磨损强度,且对渣浆泵的扬程影响较小。虽然颗粒粒径和浓度的增大会使效率降低,磨损强度增大,颗粒粒径和颗粒浓度的变化不影响最优叶型的选择;综合考虑渣浆泵的水力性能和磨损强度,140°包角的变角螺旋线叶型为最优。

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明:层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。

旋转水槽颗粒流试验的流体形态

为研究旋转水槽颗粒流试验的流体形态变化规律,结合旋转水槽试验沟底倾角不断变化等特点,对深度平均法中的Savage-Hunter(SH)模型提出修正,其中包括以观测结果为依据对土压力系数计算方法的修正。修正后的土压力系数与界面摩擦角无关,且没有主动土压系数和被动土压系数的区别。以修正后的SH模型为基础,提出了相应的数值计算方法,证实了修正模型和数值计算方法的有效性:视摩擦角的数值计算结果比实测值仅低2°,流体直线长度的计算值比实测值大10%。通过理论模型、数值计算和试验研究表明,深度平均法及其数值计算方法在旋转水槽颗粒流试验流体形态研究中的有效性,同时也为旋转水槽试验在泥石流试验研究领域的进一步发展提供理论依据。

基于数字图像处理的孔喉内三相接触角自动测量方法

借助数字图像处理技术,以微流控水驱油实验视频为数据源,建立了微流控模型孔喉内三相接触角的自动批量测量计算方法;采用人工测量数据验证了新方法测量结果的可靠性,在此基础上,利用接触角概率密度曲线、均值变化曲线揭示了三相接触角在流动条件下的动态变化规律。研究表明:对于水湿岩石,水驱油过程中,驱替前期接触角均值以锐角为主,随驱替时间的延长,油相受力逐渐由黏滞力为主导向毛细管力为主导过渡,接触角均值不断增大,至驱替中后期以钝角为主。剩余油中的滴状流赋存于孔喉通道中央,不存在三相接触角;多孔流和柱状流在整个驱替过程中接触角变化幅度较小且均值皆为钝角,该类剩余油形成后流动性差,动用难度较大;簇状流在驱替过程中三相接触角均值整体呈上升趋势,剩余油动用难度逐渐升高;膜状流整体呈钝角,水驱后期接触角均值最大,动用难度最大。驱替结束后,不同流态剩余油仅受毛细管力作用的影响,接触角均为钝角,在原油作用下模型孔喉壁润湿性呈油湿特征。

大型船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法

针对大型舰船用无刷直流电机在运行过程中会出现转矩脉动的问题,设计基于开通角的大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制方法,提高大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制能力。构建舰船用无刷直流电机数学模型,在该模型基础上分析舰船用无刷直流电机的换相过程中电流变化情况,针对换相产生的转矩脉动,采用开通角控制开通相的开通时间,实现大型舰船用无刷直流电机转矩脉动抑制。实验结果表明:在电机低速和高速运行时,分别采用推迟开通相开通时间、提前开通相开通时间等方式,抑制大型舰船用无刷直流电机转矩脉动,该方法可有效抑制电机转矩脉动,满足不同工况下电机运行的需求,保障大型舰船用无刷直流电机安全运行。

稻谷颗粒物料堆积角模拟预测方法

为了准确预测颗粒物料的堆积角,研究采用数值仿真方法对堆积状态的颗粒物料进行模拟预测。以稻谷颗粒物料为例,应用离散元法和MATLAB图形图像处理技术,模拟了稻谷在无底圆筒中落料堆积现象,并对堆积图像轮廓采取线性拟合,在非试验条件下预测出稻谷堆积角,预测堆积角为22.66°±0.49°,与实际堆积试验比较,试验堆积角为22.62°±0.33°,误差为0.18%。结果表明:数值模拟结合图像特征提取的方法对稻谷颗粒物料堆积角的测量有较好的适用性,能实现对已知物理及力学参数的椭球形颗粒物料堆积角的预测,研究的结果可为农业散体非规则形籽粒堆积角的数值测量提供参考。