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。

基于壳聚糖/聚乙烯醇/二氧化钛修饰的硝酸纤维素复合膜研究

通过负压抽滤的方法将壳聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)与二氧化钛(TiO_(2))的修饰液涂覆到纯硝酸纤维素膜的表面,制备硝酸纤维素复合膜,研究膜在微观结构、元素分布与组成、浸润性等方面的性能。结果表明,制备的新型膜具有超亲水/水下超疏油特性,过滤柴油乳液通量为5867.3 L/(m^(2)·h),除油率为99.4%,在强酸碱性、高盐度环境下的油水分离实验时,过滤通量无明显衰减,除油率可保持98.9%以上,具有优良的稳定性和耐腐蚀性。

基于数值模拟的静态混合器混合性能对比

构建长度、直径相同的SK、SX型静态混合器,利用Polyflow软件模拟低密度聚乙烯(LDPE)熔体在静态混合器内的流动情况,得到2种静态混合器的示踪粒子分布图、压降、分离尺度等参数,分析了流量对压力和分离尺度的影响,以及分离尺度下降一半,2种静态混合器所需的压降和流程长度。结果表明,随流程长度的增大,SX型静态混合器的粒子分布更加均匀,分离尺度更小,在出口处分离尺度约为SK型的1/3;当流量增至初始值的10倍时,SK和SX型的压降分别增至原来的7.4和4.7倍,两者出口处的分离尺度分别变化了8.3%和60%;随着混合过程的进行,分离尺度每下降1/2,所需压降及流程长度逐渐增大。

低温等离子体对精酿啤酒杀菌效果的研究

采用低温等离子体反应器对精酿啤酒进行连续杀菌,探究其杀菌效果和对品质的影响。以菌落总数、酵母菌和大肠杆菌为微生物指标,研究等离子体杀菌和巴氏杀菌对精酿啤酒杀菌的对比效果,同时评估了其对啤酒色度、泡持度和pH值的影响,并利用响应面得出最优杀菌工艺。结果表明:与巴氏杀菌相比,等离子体处理后杀菌率几乎相同,但是色度、亮度和泡持度更优,更接近原浆啤酒。当等离子体处理电压40 kV、时间10 s、气体流速60 mL/min时,能够将活菌落和大肠杆菌几乎全部杀灭,酵母菌数量减少了97.5%。利用Design Expert软件对其进行分析在电压40 kV,时间10 s,气体流速60 mL/min时杀菌效果和亮度最好,其预测值与实测值相符,各因素影响大小为电压>时间>气体流速。

基于Polyflow与STAR-CCM+对SX静态混合器的数值模拟

构建长度和直径均相同的空管与静态混合单元为X型(SX)静态混合器,利用Polyflow与STAR-CCM+软件模拟剪切稀化、剪切稠化、牛顿流体在空管与SX静态混合器内的流动情况,重点分析了幂率指数、松弛时间、入口流量等参数对压降放大倍数及模拟结果相对误差的影响。结果表明,牛顿流体压降放大倍数与入口流量放大倍数成等比关系,剪切稀化流体压降放大倍数随松弛时间的增大而减小,随幂率指数的增大而增大,剪切稠化流体压降放大倍数随松弛时间、幂率指数的增大而增大;入口流量、松弛时间、幂率指数对压降相对误差影响较小,而对出口处最大/最小黏度相对误差影响较大。

磁驱动微纳机器人研究进展及关键技术

微纳机器人体积尺度相对较小,可在复杂环境中经磁场控制精准抵达目标位置,对于生物医疗领域的应用具有重要意义。围绕磁驱动微纳机器人,对其结构形式、制备方式及磁导航系统等关键技术进行了分析。总结出结构形式与制备方式会直接影响微纳机器人在不同生物医疗环境的应用。合适的磁驱动系统是保证微纳机器人精准到达目标靶向位置的关键,鉴于此分析了磁驱动机理,主要包括磁梯度推进及旋转推进。归纳总结了微纳机器人的外磁场驱动装置,主要包括线圈驱动、永磁体驱动及电磁铁驱动。最后,分析展望了微纳机器人在结构形式及制备方式等方面的潜在创新,为微纳机器人在不同医疗环境的应用提供更多可行指导。

基于ANSYS的Y形密封圈密封性能研究

利用有限元分析软件ANSYS研究Y形密封圈的密封性能,分析不同工作压力下密封偶合面间的压力分布与变形,得到密封偶合面间的接触应力分布规律及接触应力与工作介质压力之间的关系。模拟不同工况时Y形圈与相对运动表面间的摩擦力大小及Y形圈的挤出状况,给出不同间隙和不同工作压力下的挤入临界曲线。结果表明:Y形密封圈接触压力的最大值发生在密封圈与缸体接触的唇部区域;摩擦力最大值发生在Y形圈与活塞及缸体接触的2个唇形区域;Y形密封圈上下唇的最大接触压力随着工作压力的增加而增大,且总是大于工作压力,并且外行程时受到的摩擦力总是大于内行程时受到的摩擦力,因而具有良好的耐压性和密封性能。

基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证

研究人体颈部在挥鞭样损伤中的生物力学特性及损伤机制,建立一个基于人体解剖学结构的颈部三维有限元模型。该模型是通过人体颈部的螺旋CT扫描图像,利用三维重建和网格划分技术,得到六面体有限元模型,并对模型进行后碰撞验证分析。得出颈椎在挥鞭运动过程中的变化规律,以及C7-T1的最大过伸角度20°和椎间盘所受最大应力值16MPa。该模型的建立,可作为今后颈椎生物力学损伤研究以及其他相关领域研究的理论研究依据。

基于任务需求的仿生手臂在线协调控制技术

针对仿生手臂在目标任务需求改变后对规划平稳动态过程的需求,提出了实时检测动态参数并将其反馈至前向控制环节进行在线协调控制的算法。该算法以基于Kane方程的仿生手臂动力学模型为基础,能够实现动力学参数值快速在线调控,判断仿生手臂目标检测点的动态参数偏差,并据此调节仿生手臂各部分姿态参数,使其能按离线动作规划平稳准确地完成目标任务。采用Matlab的Simulink控制工具箱进行仿真,测评了仿生手臂基于不同目标任务运动过程的生物效能性。实验数据表明,该算法改善了仿生手臂的生物效能性。

某钢板标示设备写字机构的运动学及动力学分析

写字机构作为钢板热处理前标示设备的主要部件之一,其动态特性决定着标示效果的好坏。首先,应用Pro/Engneer软件建立了写字机构的三维模型,以标示典型字符"N"的运动情况为例,对写字机构进行了运动学分析,得到标示字符时速度、加速度随时间变化的规律;在此基础上,基于Ansys Workbench根据实际工况条件构建了写字机构的有限元模型,对写字机构进行了瞬态动力学分析~[1],求解出最大应力和变形随时间变化的曲线,结果表明,写字机构在工作过程中强度和刚度较好地满足要求,为其结构设计及优化提供了理论基础。

人体步态滑跌过程中的下肢表面肌电特性研究

通过分析在意外滑移恢复和跌倒两种情况下人体髋、膝、踝3个关节不同肌肉群肌电信号的反应差异,研究髋、膝和踝3个关节运动对滑后恢复平衡的作用。试验招募10名年轻的健康受试者,要求其沿着指定的直线步道行走,并使其在行走过程中发生意外滑移。通过分析所测得的肌电信号,得出不同肌肉群的肌肉激活延迟时间、肌电信号峰值、到达峰值时间、协同收缩率等参数。研究结果显示,恢复平衡和跌倒之间肌肉激活延迟时间并没有显著性差异(P>0.05),而股内侧肌的肌电峰值分别为70.2±9.8和89.0±12.7,有显著性差异(P<0.05),胫骨前肌和半腱肌的距峰时间有显著性差异,P值分别为0.038、0.030(P<0.05),股二头肌距峰时间无显著性差异(P=0.062>0.05)。上述结果表明,在人体发生意外滑移后,对重新恢复人体平衡起作用的下肢关节肌肉激活时刻差别不大,但针对不同的关节运动,其肌肉伸缩程度以及肌肉做功不尽相同。根据肌肉所属关节及实验数据可知:增大踝关节背屈运动、膝关节屈曲运动和髋关节的伸展运动,对滑移后的平衡恢复作用显著。研究结果可以更好地揭示人体步态滑跌行为的内在机理,为各工作场所建立防滑策略提供有效的准则。

实验教学法改革研究

本文揭示了传统实验教学模式之弊端，探索了采用开放实验室、启发学生独立思考、注重学生实践操作的实验教学法，使之在培养学生掌握基本知识，训练动手技能，开发创新思维、创新能力诸方面取得明显效果。

枸杞真空远红外干燥特性及品质

针对新鲜枸杞的长期贮存问题,采用真空远红外干燥箱对枸杞进行干燥实验,研究预处理方式、操作温度、操作压力对干燥特性的影响,测定不同干燥条件下干制品的枸杞多糖含量、色泽和复水率.结果表明:预处理方式对枸杞的干燥特性、干制品的色泽和复水率无明显影响,清水预处理干制品的枸杞多糖含量高于碱液(Na2CO3溶液)预处理的干制品;操作温度越高,操作压力对干燥速率的影响越不明显;随操作温度升高,干制品的枸杞多糖含量和色差增大,复水率无明显变化;随操作压力降低,干制品的枸杞多糖含量升高,色差和复水率无明显变化.真空远红外干燥枸杞的最佳条件为操作温度60,℃,操作压力5 k Pa,干燥时间10.7,h.

基于感性工学的机床外防护造型设计研究

为使得机床外防护造型能满足使用者的感性需求,通过均值分析法对机床的典型感性词进行提取,通过判断矩阵对各造型因素的权重进行比较,通过语义差分法和正交试验法对典型感性词与造型因素关系进行确定,获得典型感性词、典型感性词与造型因素关系表;并使用这些研究的成果指导YK5115型数控插齿机的外防护造型设计,从而提升数控机床的外防护造型设计水平.采用层次分析评价法对方案进行评价,确定了最终设计方案,并进行实际生产,由此验证了方案的可行性.

基于Fresnel透镜的激光车灯的设计与加工

激光车灯对比于LED车灯,具有能耗小、体积小、亮度高等优点,是汽车车灯发展的新方向。提出了一种激光车灯的完整的设计思路。光源采用激光二极管激发荧光片得到白光。通过搭建光学检测平台研究激光驱动白光光源的光学特性,通过机器视觉的方法研究荧光片前后光斑的形状和尺寸的变化,从而精确地建立光源的仿真模型,为后续的光学设计提供理论依据。通过非成像光学设计方法,设计了Fresnel透镜实现了对激光的整形,并利用超精密车削实现透镜的加工。完成了车灯的设计和组装,并通过光学仿真和光学实验验证了设计的正确性。

楼梯行走足底压力与表面肌电参数研究

目的探究上下楼梯时的足底压力和表面肌电参数,为动力式助行器足部结构设计、动力元件选型和安装位置分布提供理论支撑。方法招募10名健康男性青年进行楼梯行走,利用运动捕捉系统、足底压力系统和表面肌电系统采集足底压力的峰值压强、压力中心轨迹（COP轨迹）和各块下肢肌肉的肌电参数。结果与平地行走相比,楼梯行走时站立相时间占整个步态周期的百分比增大;上楼时前足部分峰值压强增大,下楼时足趾区域的峰值压强减小;楼梯行走时,股直肌、股二头肌、内外侧腓肠肌对人体稳定性起主要作用。结论在设计动力式助行器足部结构时应充分考虑足底压力的分布情况,选择动力式助行器动力元件的安装位置和型号时应考虑主要肌肉的作用。

机器人工具和相机位姿标定的新方法

传统机器人手眼(机器人手腕法兰和相机)标定精度受限于机器人运动链的准确性,而且往往很难标定工具与机器人手腕法兰之间位姿关系。提出一种基于三坐标测量仪的高精度手眼标定新方法,利用三坐标测量仪将机器人末端工具、法兰盘、相机构建成闭环系统,避开了机器人的运动链,能够同时标定相机及工具-法兰三者之间的位姿关系,具有很强的实用性。实验表明,本标定方法的位置精度可达0.3 mm以内,角度精度可达0.062°。

响应曲面法优化封隔器胶筒密封性能参数的研究

利用有限元分析软件建立某压缩式封隔器胶筒的二维模型,分析53.85 MPa轴向载荷作用下,胶筒的端面倾斜角、胶筒子厚度、筒高和摩擦因数对胶筒与套管之间最大接触应力的影响。结果表明:最大接触应力随端面角的增加呈W形分布,随子厚度的增加先增大后减小最后趋于稳定,随胶筒筒高的的增大而减小,随摩擦因数的增大先缓慢减小后急剧增大;端面角为45°,胶筒子厚度取9 mm,筒高介于80～120 mm,摩擦因数在0.1～0.3范围内时,研究的封隔器的胶筒与套管之间最大接触应力较高,胶筒的密封性能较好。基于有限元分析结果,设计响应曲面法实验,研究多因子不同水平下胶筒最大接触压力响应的变化情况。结果表明:对最大接触应力影响最大的因子是摩擦因数,最小的是筒高,交互项端面倾斜角和筒高、端面倾斜角和摩擦因数、胶筒子厚度和擦因数、筒高和摩擦因数对响应具有显著性影响;胶筒密封性能最佳的因子组合方案为端面倾斜角为48.2°、子厚度为9 mm、筒高为90 mm、摩擦因数为0.1。

变应变率下骨骼肌连续介质本构模型

目的针对不同结构耦合肌肉主被动行为无法考虑肌肉组织连续介质力学特性的问题,提出运用被动与主动耦合在同一个本构方程的方法,构建骨骼肌连续介质超弹性主被动本构模型。方法为标定被动本构模型参数,给出单轴拉伸实验方法及条件,并通过理论推导,介绍利用试验数据求解被动模型参数的具体方法。为验证主动模型的有效性,以实例对模型进行验证。结果模型预测曲线与实验输出应力拉伸比曲线具有较好的一致性,在相同应变下的情况下,被动应力和总应力最大误差仅为20、40 kPa。结论该连续介质超弹性本构模型能较好模拟骨骼肌的主被动行为,从而有利于下一步人体肌肉的建模与仿真。

不同排列角度SX型静态混合器的数值模拟

利用Solidworks软件构建了3种不同排列角度的SX型静态混合器,利用Polyflow软件模拟了熔体在静态混合器内部的流动情况,通过示踪粒子法分析了静态混合器的混合效果,并采用后处理软件Polysat重点分析了不同排列角度静态混合器的压降、停留时间及混合效果。结果表明,在一定范围内,随着相邻混合元件排列角度的增加,当熔体流经混合元件时,横向速度增大;当混合元件排列角度增加时,使熔体分割与合流的次数发生了改变,随着分割次数的增加,示踪粒子在管道中的停留时间延长,其中,Ⅲ型的粒子停留时间与Ⅰ型相比延长0.5 s;通过计算示踪粒子在出口界面处粒子的分布情况,Ⅲ型示踪粒子的方差值约为Ⅰ型的0.16,具有更好的分散与混合效果。