船舶起重机主辅臂分级补偿的虚拟约束控制策略研究

在海上起重机作业过程中,转运载荷因恶劣海况的移动会对附近工作人员造成危险,或者可能会对载荷本身或周围环境造成损害。起重机的欠驱动、非线性系统、有效载荷的稳定控制是一项具有挑战性的任务,现有货物转运升沉补偿装备存在结构复杂、补偿范围有限、造价昂贵等局限性。针对这种状况,提出了一种3自由度悬臂补偿机构,结合主辅臂补偿算法实现货物的转运补偿。对恶劣海况下起重机系统转运影响进行仿真分析,并搭建基于3自由度悬臂补偿机构的船舶起重机运动学及动力学模型,通过分级补偿控制,实现摆动补偿。仿真结果表明:提出的新型补偿机构能够显著提升恶劣海况下船舶起重机吊物平稳性,补偿率可达75%,扩大了船舶起重机可作业环境区间。

三自由度绳驱动波浪补偿装置的动力学建模与振动特性分析

受波浪运动的影响,在使用起重机进行海上补给作业的过程中,吊具容易产生不良运动,严重影响了补给作业的效率和安全性。为实现船用起重机在横摇、纵摇和升沉方向上的波浪补偿功能,提出了一种三自由度绳驱动波浪补偿装置;首先,考虑到不均匀装载工况,基于Newton-Euler法建立了补偿装置的动力学模型,并通过Adams虚拟样机仿真验证了数学模型的正确性;其次,对不均匀装载工况下的绳索张力分布情况进行分析,得到了吊具重心位置的危险分布区域;再次,采用特征值法求解补偿装置的一阶固有频率,得到了载荷质量、绳索刚度以及吊具位姿对补偿装置一阶固有频率的影响规律;最后,在理论分析的基础上,通过试验验证了补偿方案的可行性,并证明了数学模型的正确性。

水压人工肌肉驱动的串联式三自由度关节系统设计与试验

为满足当前水下作业任务的需求,促进水下作业技术装备的发展,基于水压人工肌肉的拮抗驱动原理,通过对模块化人工肌肉关节的结构优化设计和组合,模仿肩肱关节搭建了一种串联式三自由度机械关节系统。首先介绍了该系统的整体设计及工作原理;其次分析了模块化人工肌肉关节驱动特性并建立了模块化人工肌肉关节的AMESim仿真模型;最后搭建了系统试验平台,并基于LabVIEW测控平台,采集了关节各自由度在人工肌肉±2 MPa的充水压差下对应的转角范围。

管道机器人取能模块建模与几何参数仿真分析

管道机器人在工作过程中,受到线缆长度或蓄电池容量的影响,工作时间会受到限制。为了使机器人在管道内能够持续地工作,设计了一款能在管道内部将流体动能转化为电能的取能模块。叶轮在取能模块中起到将流体动能转化为机械能的作用,是整个模块的核心部分。针对不同参数的叶轮进行建模,并对叶轮进行CFD仿真分析。进而能分析叶轮在管道内部的受力情况以及叶轮形状等参数对于管道内部流场的影响。根据受力情况可校核叶轮的强度,并根据管道内部流场的变化进行叶轮的选型。

基于边界层理论的船舶液压管路污染等级评估研究

随着液压系统的功能、规模、复杂程度逐步提高,液压系统故障比率也随之增加。为提高液压系统的可靠性与安全性,对系统液压油产生颗粒污染时锚机液压泵出口管路的内部流场进行研究;设计不同颗粒污染等级的管路流动方案,采用Fluent对模型内部的流场进行模拟;基于边界层理论,对液压管路污染等级进行评估。为从整体上提高船舶液压设备的状态检测和船舶智能化水平提供了条件。

三维浮体的二阶波浪力计算研究

基于一阶势的二阶力计算方法,给出了定常力、二阶力传递函数的相关计算公式推导;借鉴AQWA软件的方法,引入二阶入射和绕射差频力的近似计算方法,并编制相关计算程序;基于算例FPSO给出了与AQWA软件的定常力、二阶力平方传递函数计算结果对比;并且对扩展边界积分法对定常力结果的影响,湿表面变化、速度势梯度平方等定常力分量对合成结果的贡献,以及二阶差频力平方传递函数随水深的变化等进行了分析,并总结了研究中应注意的相关问题。

基于遗传算法优化BP神经网络的液压系统故障诊断

液压系统作为控制和动力传输设备的核心部件,在现代工业生产机械中被广泛应用,准确诊断其故障具有提高生产效率和保障工作安全性等重要的工程意义。液压系统一旦发生故障往往是多故障同时出现,传统BP神经网络故障诊断算法往往不能满足多故障诊断准确率,提出一种基于遗传算法改进BP神经网络(GA-BP)的液压系统故障诊断方法,针对不同采样频率下多传感器信息融合的液压系统3种典型的故障模式进行对比分析。结果表明:GA-BP故障诊断算法相对于传统的BP神经网络具有更好的诊断性能。

基于多通道卷积神经网络的液压系统多故障诊断

针对现有研究液压系统单一故障较多而复杂多故障较少的情况,结合液压系统实际采集的数据往往具有多采样率的特点,提出一种多通道卷积神经网络模型,将不同采样频率下的传感器数据分别作为一个通道输入,利用卷积神经网络自动进行提取特征,全连接层将提取的多传感器特征信息进行融合,实现液压系统的混合多故障诊断。利用多级评价指标将提出的多通道卷积神经网络模型与传统的单通道卷积神经网络算法对比,结果表明,相较于单通道卷积神经网络不能很好地识别液压系统多故障发生时的液压泵和蓄能器故障,提出的算法模型诊断准确率达到了99%,并且具有很好的鲁棒性。

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。

深海绞车系统收放缆过程及动力行为

基于仿真软件Orca Flex,对科考船全海深(最大水深11000 m)地质绞车在水深4500 m和6000 m工况下的收放缆过程及动力行为进行分析,研究不同波浪角、材料、下放速度和海况对绞车缆绳最大张力和最大偏移量的影响。研究发现:在整个收放缆过程中,波浪角越接近90°,缆绳张力的浮动越杂乱,持续时间越久;缆绳的轴向刚度对其最大偏移量的影响可忽略不计,但高模量合成纤维缆在触底时,其张力变化较为明显,张力波动回复平稳周期短;随着下放速度的增大,缆绳的最大张力持续增大,最小张力减少,取样器最大偏移量整体上呈减少的趋势;随着水深的增加,缆绳的最大张力呈递减趋势,且变化趋势逐渐变缓,最后趋于平稳,最大偏移量呈递增趋势,且其变化趋势与张力一致;5级海况对缆绳的最大张力的影响不明显。

锚链和锚链轮刚柔耦合动力学建模及啮合过程力学分析

针对锚链-锚链轮啮合过程,进行“进入-啮合-离开”动态受力分析,建立锚链-锚链轮刚柔耦合动力学模型,得到理想状态下锚链环和锚链轮接触点压力与时间的函数关系,利用仿真软件验证锚链-锚链轮刚柔耦合力学模型的正确性。理论计算和数值仿真结果表明,锚链和锚链轮在啮合过程中,锚链轮轮齿碰撞锚链侧比锚链碰撞锚链轮侧的应力和应变更大。

锚泊定位系统锚链轮及其机架强度有限元分析

锚泊定位系统是海洋平台定位系统中十分重要的设备,通过锚链轮对锚链的动力收放实现张力控制进而完成海洋平台定位。针对某一瞬时锚链和锚链轮啮合传动,建立锚链轮及其机架的有限元模型,进行受力分析,验证锚链轮及其机架设计强度的正确性,为锚泊定位系统锚链轮及其机架的设计与优化提供一定的参考。

基于模糊决策的锚泊定位系统张力分配优化

锚泊系统张力场分布的优化往往忽视单根锚链受力。为减小锚链的受力强度,同时维护张力场分布均匀程度,提出一种基于遗传算法随机性的决策集合生成方法,并结合广义q-ROF-TODIM决策法形成模糊决策策略。通过分析锚链顶端水平张力均值和张力场分布均匀程度均值随决策指标权重的变化确定指标权重,以基于改进降维遗传算法的张力分配策略为对象,对比分析优化前后锚链顶端水平张力和受力均匀程度时程。结果表明,经模糊决策方法优化的张力分配策略在合理偏好权重下能有效降低单根锚链的顶端受力强度,同时维护锚链张力场分布的平衡性,进而确保锚泊定位系统的安全可靠。研究结论可为锚泊定位控制系统优化设计提供参考。

锚链提升器水平液压管内气泡流型及其对边界层速度梯度影响分析

为有效提取气泡对管路边界层的扰动参数,达到提前预测和判断空气对液压管路污染的目的,基于管路流动边界层理论和气液两相流动理论,通过Fluent仿真平台建立气液管路模型,计算得到气泡流型及其对边界层速度梯度的影响规律。通过实验验证了仿真模型中气泡流型变化的一致性,并提出了一种液压系统空气污染诊断的新方法。计算结果表明,该方法能通过提取边界层微观变化规律来监测液压系统宏观空气污染故障;但是,当气泡直径小于0.01 mm时,则面临监测不到边界层速度梯度变化的情况。

基于刚柔耦合的深海科考船绞车系统应力分析

为深入研究深海绞车系统在地质取样、海底生物拖网取样和吊放仪器等作业中的应力状态变化规律,保证其安全性,根据不同转速下深海绞车开展海底取样作业时的工作状态,建立储缆绞车和牵引绞车的物理模型和数值仿真模型,进行刚柔耦合动力学分析。对储缆绞车和牵引绞车的Mises等效应力随转速和时间的变化规律进行系统分析,并验证所设计模型的正确性,为深海绞车系统的机械设计和优化提供参考。

激光表面织构微坑形貌及面积占有率对氮化气缸套摩擦学性能的影响

针对氮化气缸套由于自身存在表面应力高、易变形等使其难以满足高强化内燃机气缸套要求的问题,以氮化气缸套-PVD活塞环为研究对象,采用Nd-YAG脉冲激光器在氮化气缸套表面进行织构化处理,研究脉冲激光参数对气缸套表面微织构微坑形貌及面积占有率对摩擦副摩擦磨损性能的影响,并分析其影响机制。发现织构微坑直径随激光能量密度、脉冲次数、离焦量增加而增大,而微坑深度随能量密度、脉冲个数、离焦量的增加呈先增大后减小的趋势。不同面积占有率织构对气缸套-活塞环摩擦副均具有减摩耐磨作用,与无织构缸套摩擦副相比,微织构气缸套的摩擦因数降低10.07%~1.58%;磨损量降低26.71%~46.19%;微织构气缸套对应的活塞环试样磨损量降低10.12%~50.19%;微织构气缸套的拉缸时间提高了2.1~2.8倍。最低摩擦因数和磨损量及最佳抗拉缸性能均在面积占有率为10%的织构摩擦副获得。微织构改善气缸套摩擦副摩擦磨损性能的机制为贮存润滑油,减少摩擦副接触面积以及捕捉磨屑,减小磨粒磨损。获得了高强化条件下氮化气缸套织构化对其摩擦学性能的影响规律,可为开发高强度内燃机提供试验支持。

CKS活塞环表面微织构几何形貌及排布方式对摩擦学性能的影响

以CKS(铬基陶瓷复合镀)活塞环-硼磷合金铸铁气缸套摩擦副为对象,采用Nd-YAG激光器在CKS活塞环上进行微织构化处理,在对置往复式摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验,研究激光微织构几何形貌及排布方式对摩擦副减摩耐磨的作用。采用激光共聚焦扫描显微镜利用台阶法测量磨损量,采用扫描电子显微镜观察样品表面磨损形貌。发现当织构深度30μm、直径130μm、排布角度0°、面积占有率5%时,摩擦副获得最佳的摩擦磨损性能,摩擦因数最低可达0.086,与未织构化的摩擦配副相比,摩擦因数降低约0.013,降低约13%;活塞环磨损率下降约41%,气缸套磨损率下降约46%。活塞环表面微织构可改善摩擦磨损性能的作用机制为,微织构具有储存润滑油、收集磨屑以及减小摩擦副接触面积的作用。

绳驱动船舱清洗机器人动力学建模及鲁棒控制

由于船体表面形状不规则及海浪激励引起船舶运动,因此船舶清洗作业成为难点。为实现船舶高效、自动化清洗作业,该文提出一种变结构空间绳驱动清洗机器人。首先,采用Newton-Euler法建立包含船舶运动及多种外部扰动的动力学模型。通过流体仿真试验验证了水射流可喷射至作业面,并得到水枪反作用力。其次,考虑到海风对清洗作业的影响,采用风压投影法计算得到风扰力,并将风扰力与水枪反作用力共同作为扰动输入。再次,在动力学模型的基础上,为实现动基座激励下的高精度轨迹跟踪控制,提出了一种模糊自适应比例-积分(proportional-integral, PI)滑模控制器(fuzzy adaptive PI sliding mode controller, FAPI-SMC)。最后,采用Lyapunov理论证明了控制系统稳定,并通过仿真试验验证了FAPI-SMC有效。结果表明:在不同形式的波浪激励和作业场景下,FAPI-SMC的位置稳态误差为±0.02 m,角度稳态误差为±0.02°。与传统的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器相比,FAPI-SMC的最大误差减少6%,响应速度提升57%,稳态性能提升3%。该研究成果可为绳驱动机构的实船应用提供理论依据。

倾斜布置柔性管的涡激振动特性实验研究

该文采用高速摄像非介入测试方法,在循环实验水槽中开展了倾斜布置柔性管的涡激振动响应与IP(独立性)准则的适用性研究,通过分析振动频率、位移、斯特劳哈数及振动模态过渡特征,综合判断IP准则的适用范围。实验结果表明:倾角的增加引入了多频参与振动,且高频的权重不断增加,存在时间上的频率切换和空间上的频率竞争现象,流向模态过渡在较低的约化速度时出现;倾角的存在造成了平衡位置、振幅、频率及斯特劳哈数的变化,偏离了IP准则,因而对于柔性管而言,不能简单运用IP准则来预测其振动响应。

不同(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比的原位合成MoB/NiCr涂层的组织结构与性能

采用超音速火焰喷涂技术沉积含3种不同(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比(1:1,2:1和3:1)的Mo-B-Ni-Cr球磨复合粉末以原位反应制备获得MoB/NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了MoB/NiCr涂层的组织结构和物相。同时讨论了不同(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比对涂层的组织结构、硬度、结合强度和耐腐蚀性能的影响。研究结果表明,(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比为1:1的MoB/NiCr涂层孔隙率最低及涂层厚度最大。在3种涂层中均原位反应生成了Mo_(2)NiB_(2)三元硼化物,且随着(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比的增加,涂层中三元硼化物含量随之增加,涂层的硬度值增加,结合强度反而随之降低;由于涂层中三元硼化物的原位生成,MoB/NiCr涂层的硬度值均高于316L不锈钢基体。通过能谱和XRD分析发现,经过360 h熔融锌腐蚀试验后,涂层表层中没有发现锌元素及其金属间化合物,然而随着(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比的增加,涂层的孔隙率增加及厚度降低。最后,综合分析可得,相比其他涂层,(Mo+B)/(Ni+Cr)质量比为1:1的MoB/NiCr涂层具有更好的耐熔融锌腐蚀能力。