“新工科”背景下轻工特色高校机械实验室建设探索与实践

“新工科”发展建设背景下,为更好的培养创新意识和实践能力的复合型人才,对接企业需求,文章分析了轻工特色高校机械实验室现状及存在的问题,提出了实验室建设与管理新举措,即引入先进设备和技术建立数字化实验室、建立实验室管理与服务体系、健全实验室安全体系,实现“机–人–环境”三位一体实验室建设新模式。以机械工程学院实验室建设为例,新模式应用推广后效果显著,促进了特色高校人才培养和科研创新的发展。

“新工科”轻工类机械专业实验教学改革与建设

在新工科发展背景下,需要培养学生创新能力和工程意识,从而更好地适应社会需求,对接企业需要。本文分析了传统机械类实验教学存在的问题,探索并提出了新工科建设背景下轻工特色高校机械类实验教学管理与建设改革方案,从实验室分类管理模式、师资队伍、实验室信息化建设、实验教学体系、教学质量体系监督等方面进行创新改革,为新工科背景下高素质、创新型机械人才的培养奠定坚实基础。

聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。

多工位硅胶圈缺陷在线视觉检测系统研究

硅胶圈检测由于缺陷具有种类多、易变形、复杂性高等特点,通过提出多工位、多角度、不同打光方式结合的基于视觉的机电检测系统来解决这类产品的检测问题。整个检测系统的图像处理使用了基于OpenCV库按照实际项目需求进行改进,使用滤波算子、阈值分割和形态学方法。使用VGG16卷积神经网络训练模型在小样本条件对三种缺陷分类和传统视觉检测方法得到的准确率进行对照实验。在小样本下传统机器视觉的检测准确率>98%,优于深度学习的方法。通过Qt完成UI界面的设计。该软件系统使用多线程设计模式编写,并提出了一种多工位循环剔除新方法,具备在线检测计数和剔除功能。就一种特定的硅胶圈产品检测进行实际实验和测试,验证了本系统的可靠性和实用性。

基于混合方法的眼动实验AOI划分及设计评价

为进一步提升工业产品评价类眼动实验的合理性,解决实验中AOI划分缺乏系统方法的问题,提出了基于混合方法的眼动实验AOI划分方法.通过分析混合研究方法的类型和程序,构建基于顺序探究设计的AOI划分方法模型.以评价现调机设计方案的眼动实验AOI划分为例,验证该方法模型的可靠性.在质化研究部分应用扎根理论和质化分析软件,在量化研究部分开展眼动预实验,最终应用因子分析获得现调机的灯箱、接水盘两个AOI,为进一步开展正式眼动实验提供了保障.该研究提供一套易于操作的用于设计评价类眼动实验的AOI划分方法,有助于提升AOI划分合理性,提高眼动实验效率,筛选有价值的研究对象,更好地推动设计评价和产品设计的开展.

研究式课程设计模式探索--以人因工程为例

对人因工程等新兴边缘学科课程设计进行研究式改革探索,以培养大学本科学生"知晓—判断—改进—设计"的工程知识应用逻辑。文章主要从注重开放式设计题目类型,课程设计任务布置时间前移,重视学生发现问题并尝试改善研究习惯养成,课程设计说明书强调逻辑性、多样性和可视化,成绩评定更加重视探索研究精神的价值判断等方面进行研究。实践证明,该课程设计模式可以显著提高学生应用理论知识解决实际问题的兴趣、能力和自觉性,较好地实现了课程设计目的。

可变刚度缓冲鞋垫结构设计及优化

目的设计X型结构变刚度缓冲鞋垫,探究其对糖尿病截趾患者足底表面压力和内部应力的影响。方法基于CT影像建立糖尿病截趾患者足部-小腿有限元模型,根据足底压力分布特征进行鞋垫区域划分。设计X型结构3D打印缓冲鞋垫,通过改变结构面板厚度改变结构的模量,对划分区域填充不同模量的X型结构方案进行仿真分析。结果糖尿病截趾患者足底峰值压力在跟骨区,足趾区选用面板厚度1.2 mm结构、跖骨区选用面板厚度1.4 mm、足弓区选用面板厚度2.0 mm和足跟区选用面板厚度1.6 mm组合后的鞋垫减压效果最好。与赤足相比,此方案鞋垫分别降低足跟区峰值压力、趾骨区峰值压力和足底软组织内部应力40.18%、31.7%和50.45%。结论变刚度下3D打印鞋垫可有效降低足底表面压力、内部应力,减小二次截趾概率。

基于糖尿病患者步态周期足底压力的变刚度鞋垫设计

目的分析步态周期内糖尿病患者足底压力特征,探究变刚度减压鞋垫的优化设计。方法开展足底压力实验,建立包含157例受试者的数据库。分析糖尿病有神经病变、无神经病变患者和健康人的足底压力分布差异,划分鞋垫压力区域,并按照压力梯度在不同鞋垫区域填充多孔单元。构建糖尿病足-小腿-鞋垫有限元模型,分析足跟着地、动态中立和前掌推离3个姿态下足底压力和内部应力的分布特点,探究最合理的鞋垫刚度设计。结果与健康组相比,糖尿病神经病变患者左、右足足跟区峰值压力和高压百分比均有下降趋势,其中左足足跟区峰值压力减少11%(P=0.026),高压百分比减少9.8%(P=0.02)。鞋垫跖骨高压区、足跟高压区分别采用2.5 MPa和1.9 MPa的多孔单元时,能够使前掌推离、动态中立和足跟着地姿态的足底峰值压力分别降低42.4%、27.4%和26.4%,软组织峰值应力分别降低49.8%、43.6%和25.1%。结论糖尿病患者跖骨区比足跟区溃疡风险更高;基于多姿态下足底压力和内部应力优化的变刚度鞋垫,能有效降低行走时足底峰值压力和软组织峰值应力,为变刚度鞋垫设计提供参考。

表面微织构的组合设计及其对油封性能的影响

对油封表面微织构的形状进行组合设计,应用Abaqus仿真分析不同组合微织构油封的静态接触压力和变形影响矩阵;基于二维平均雷诺方程,建立考虑表面粗糙度以及唇口油膜空化现象影响的流体润滑模型,分析不同形状微织构对旋转油封密封性能的影响规律。结果表明:在相同工况下,相较于无织构油封,微织构对油封泵吸率以及油膜厚度提升较为显著,且组合型织构的提升效果优于单一三角形织构;三角形与半圆形组合织构对油封泵吸率的提升效果最佳,半圆形与方形组合织构对油封油膜厚度的提升为最佳。

钢坯快速标示设备的设计与动力学仿真

为了满足钢厂对钢坯标示快速、清晰且内容量大的要求,将广泛应用于轻工行业的激光标示技术应用到钢坯标示中,设计了一种新型钢坯快速标示设备,该设备中上箱体及其标示机构能够在短时内实现测距、喷底漆、标示、扫码四种功能。使用SolidWorks建立了钢坯快速标示设备的三维仿真模型。由于上箱体要在往复高变速运动下完成动作,上箱体内的标示机构将承受很大的动载荷,上箱体运动到标示位置对钢坯进行标示时标示机构的瞬态响应会影响标示的清晰,采用ANSYS Workbench对上箱体进行了动力学分析,包括预应力模态分析和瞬态动力学分析。预应力模态分析上箱体框架结构得出了前6阶模态固有频率和振型,为机构避免共振提供依据。瞬态动力学分析探究了移动上箱体及其标示机构在运动到标示位置时的应力和Z向变形。结果显示,设备在往复高变速工作过程中强度和刚度能够满足设计要求,标示机构的变形在标示精度容许的误差内,保证了标示精度,完成了设备的设计制造及现场调试,获得了用户的肯定。

生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置设计与试验

为解决气力式超薄自粘膜横封装置结构复杂、稳定性差等问题,以现有生鲜食品包装机为平台,设计了一套生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置。该装置由立式输送带、前后平行布置的两个上风盒、下折膜机构、切断机构和无动力托辊等组成,其中下折膜机构包括下风盒、滚轮、气缸等,利用气力和机械结构的复合运动,可较好地完成超薄自粘膜横封作业。构建了横封作业过程中包装物料与横封部件的力学模型,利用Fluent软件对其关键部件下风盒进行结构优化分析,得到最优参数为:下风盒进风口位置和水平方向出风口位置对称布置,风腔高度14 mm、水平出风口直径3 mm、水平出风口个数10个。以后上风盒出风口压强、下风盒水平出风口压强、下折膜机构与包装盒底部折膜间距为试验因素,以托盘后部横封率为试验指标进行了正交组合试验。经试验和结果分析,得到最佳参数组合为:后上风盒出风口压强113.3 Pa、下风盒水平出风口压强85 Pa、下折膜机构与包装盒底部折膜间距-3 mm。经试验验证,最佳参数组合下横封率为99%,横封平整、美观,满足包装机横封作业要求。

旋转轴唇形密封的可持续设计研究

调研和确定旋转轴唇形密封的可持续标准,根据旋转轴唇形密封的具体结构和生产工艺,基于全生命周期评估(LCA)方法,通过定量和定性相结合的方法,计算和分析旋转轴唇形密封生命周期各阶段的能耗、碳排放、单位生产时间、成本等环境、社会和经济可持续指标,确定旋转轴唇形密封可持续改进策略:环境可持续侧重于使用阶段的能耗降低,社会可持续关注生产工艺创新,经济可持续聚焦于延寿设计。从延长使用寿命和优化运行时的摩擦状态2个方面,实施旋转轴唇形密封的可持续改进设计,分析宏观截面形状和尺寸、唇部的微观相貌、唇部材料对旋转轴唇形密封可持续性能的影响。结果表明:薄唇、微观织构和耐磨材料对降低旋转轴唇形密封的能耗和碳排放都具有积极作用,研究结果对提高旋转轴唇形密封的可持续性具有重要意义。

一种欠驱动3D打印机械手的结构设计

本研究目的是为UR5机器人设计一种结构简单易于控制的欠驱动3D打印机械手.欠驱动结构是指驱动器数目少于本身自由度数目的机构.根据此设计原理设计出通过一个伺服电机驱动4根手指,每个手指由两个指骨构成的欠驱动3D打印机械手.机械手电机通过滑轮系统与手指连接,每个手指都可独立移动,使得机械手可抓取各种不规则物体.通过抓握类型分析、机械手机构设计、手指滑轮系统的优化,确定设计参数设计出机械手.采用3D打印技术能廉价、快速地制造机械手零件.机械手能很好地保持抓取时的稳定性、对抓取对象的适应性和降低机械手结构的复杂性.

糖尿病患者步态周期不同时刻的足底压力及中底结构设计

背景:足底压力过高是导致糖尿病足溃疡的因素之一,研究糖尿病患者步态周期内不同时刻的足底压力有助于设计防护鞋具。目的:分析糖尿病患者足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力,设计中底结构,优化减压效果。方法:开展足底压力试验,分析糖尿病神经病变患者、无神经病变的糖尿病患者与健康人在足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力差异。构建足部有限元模型,设计乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底和不同模量的热塑性聚氨酯菱形晶格中底,分析神经病变患者使用不同中底时足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力及软组织应力变化,优化糖尿病防护鞋结构尺寸。结果与结论:①神经病变组前掌推离时刻的足底压力峰值比健康对照组高22.2%,差异有显著性意义(P<0.05);②乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底使神经病变患者足跟撞击和前掌推离时刻的足底压力峰值分别降低13.0%和12.9%,使软组织应力峰值分别降低18.2%和11.1%;③优化的菱形晶格结构将患者2个时刻的足底压力峰值分别降低41.6%和48.4%,将软组织应力峰值分别降低41.4%和49.8%;④提示开发糖尿病防护鞋具应重视对前掌推离时刻的减压,菱形晶格结构能实现比传统乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中底更好的效果。

退火对冷冻干燥固态果蔬食品模拟体系冰晶结构和质构的影响

为探究冷冻过程中退火条件对真空冷冻干燥固体果蔬食品模拟体系冰晶结构、干燥特性、微观结构和质构的影响,该试验通过建立真空冷冻干燥果胶-蔗糖凝胶体系模拟果蔬天然网络结构,考察了不同退火条件对冷冻模拟体系的冰晶结构、冷冻干燥模拟体系的微观结构和质构等品质的影响。结果表明,退火温度范围和退火次数是影响冰晶结构、干燥过程和产品质构的重要因素。研究发现,冷冻模拟体系冰晶的直径均值、冰晶比例随退火温度范围增加和退火次数增加而降低;模拟体系的冷冻干燥速率随退火温度范围和退火次数增加而加快;冻干模拟体系的硬度和脆度随退火温度范围和退火次数增加而降低。采用0℃退火3次条件下,干燥时间最短约为14.0 h,此时模拟体系冰晶分形维数为1.616,冰晶直径极差为0.98 mm,直径切尾均值为0.16 mm,冰晶比例为75.00%,在脆度阈值为0.784 N时脆度保留效果最好,峰个数为4.33。相关性分析结果表明,模拟体系的干燥时间与冰晶直径分布的离散程度、直径均值呈正相关,与分形维数呈负相关,与冰晶的直径均值和退火到达温度呈正相关。该研究明确了退火条件对模拟体系冰晶形态和冻干后多孔结构的影响,可为真空冷冻干燥食品预冻过程中控制冰晶形成提供理论依据。

仿生耕糟刀的设计与仿真实验

为了缩短麦芽汁在过滤槽内的过滤周期,提高麦芽汁的品质,设计了一种适合过滤槽耕糟作业的仿生耕糟刀。通过重构蝼蛄挖掘足爪趾的生物体模型,并模拟爪趾楔入土壤的动力学过程,发现爪趾T4的功能特性与耕糟刀的设计目标相似性最高。提取爪趾T4的生物模型的主要轮廓曲线,并拟合曲线方程,生成拟合曲线,将拟合曲线应用于仿生耕糟刀的耕犁轮廓线和刀板水平截面轮廓线的设计。对方案进行耕糟模拟验证。研究结果表明,与原型产品相比仿生耕糟刀作用于麦糟后,耕糟刀表面产生的最大剪切应力降低18.90%;过滤槽内壁面产生的最大剪切应力降低19.01%;最大流体速度降低11.46%。

颗粒级配对直写成型氧化锆陶瓷机械性能的影响研究

利用颗粒级配理论将平均粒径分别为50 nm和300 nm的ZrO_(2)粉体以不同级配比例制备出了适用于直写成型的固含量为58 vol.%的低黏度陶瓷浆料,分析了颗粒级配对ZrO_(2)陶瓷浆料流变特性的影响,研究了不同级配比例对直写成型ZrO_(2)陶瓷的致密度、微观结构和力学特性的影响。结果表明:在不改变陶瓷浆料固含量的情况下,通过对不同粒径ZrO_(2)粉体的颗粒级配,相较级配前单一粒径陶瓷浆料流变性能更好;颗粒级配的引入产生了钉扎作用,有效抑制了晶粒的异常生长。当亚微米和纳米ZrO_(2)粉末的级配比例为95∶5时,ZrO_(2)陶瓷具有最佳的机械性能,相对密度、抗弯强度、断裂韧性分别为99.1%、(691±12)MPa、(9.65±0.30)MPa·m^(1/2),分别提高0.40%、2.50%、50.78%。

果蔬粉含水率在线检测系统设计

目的:为满足低含水率果蔬粉在线检测需求。方法:基于微波透射原理,设计了一套果蔬粉含水率在线检测系统。系统分为进料模块、检测模块、卸料模块和控制显示模块,并进行相应硬件和软件设计。以胡萝卜粉为试验物料,由第三方检测机构进行含水率微波透射和国标法检测比较,以评价装置检测性能。结果:该装置检测每份样品的含水率耗时约7.33 s,准确度为98.2%,重复性为0.15%。结论:基于系统设计的装置能够实现低含水率果蔬粉的在线、连续检测。

基于绿色建筑设计方法的轻工产品设计研究

目的分析绿色建筑案例,汲取绿色建筑的设计方法,通过学科交叉构建具有可控性的啤酒发酵罐设计方法,改变发酵罐耗能高的现状。方法近年来,中国建筑的运行能耗占全国总能耗的比例较大,一直维持在20%~25%。与此同时,一些西方国家对绿色建筑设计方法的研究已取得突破性成果。建筑设计与产品设计的本质上都是为人服务,是功能、技术与艺术的统一体,具有相互借鉴的可行性。通过分析绿色建筑设计的相关理论及著名零能耗建筑案例,对轻工产品设计进行可控性指导,这是十分必要的。以啤酒发酵罐为例,从产品全生命周期角度出发,充分考虑设备结构参数、零部件种类及特性,优化设计流程,提出设计方法。结论提出了啤酒酿造设备的绿色设计方法,为企业真正实现节能、减排、降耗提供参考。

用于聚光光伏系统二级聚光镜的设计及实验研究

设计了一种非球面二级聚光镜,改善了光漏斗式的二级聚光镜的电池表面的光照均匀性。利用Kohler照明的原理实现了用于偏心式的Fresnel透镜的自由曲面二级聚光镜的设计。并利用超精密车削技术实现了非球面二级聚光镜的加工,通过光学实验验证了设计的合理性和正确性。