卓越工程师班机械设计课程教学质量提升研究与实践——以长安大学工程机械学院为例

为了提高卓越工程师班机械设计课程的教学效果,提出了课程的教学改革方案,从课程教学内容、教学方法、实践教学、考核标准等方面进行改革。实践证明,机械设计课程培养改革方案实施后,卓越工程师班的教学质量有了明显的提升。

水泥混凝土路面循环再生技术及装备

截止2005年底，中国已建成公路总里程192×10^6km，水泥和沥青2种高级路面逾4．50×10^6km，其中水泥混凝土路面超过240×10^5km，约占总里程的53％，加上城市道路水泥混凝土路面9．00×10^5km，公路和城市水泥混凝土路面总里程约340×10^5km，且仍以每年约2．00×10^4km左右的速度增长。

高机动性装备半物理仿真系统关键技术研究

为了解决目前国内高机动性装备缺少具有自主知识产权的半物理仿真系统的现状,提出一种具有完全自主知识产权的高机动性装备控制器开发半物理仿真系统架构。以某型号坦克的火控控制器自主知识产权开发与测试环境为研究对象,重点研究高机动性装备动力学模型的嵌入,通过数据驱动的方式解决控制器与设备动力学系统联动过程的后处理虚拟现实演示2个关键问题,设计开发一个原型半物理仿真系统,并进行测试验证。测试结果表明:该架构能实现火控控制器的开发与应用,大幅提高开发效率。

面向复杂加工装备的功能聚合与作业手势交互设计

目的为了解决当前复杂加工装备人机交互过程中存在手势和功能映射模糊、缺少规范等问题,研究将人机交互技术赋能复杂加工装备的智能化升级。方法首先,采用谱系聚类法进行复杂加工装备的人机交互功能聚合,为手势映射提供基础;其次,基于手势交互定义原则对作业手势进行规范性定义,完成手势库的设计;最后,根据作业场景进行调整并完成人机交互功能与作业手势的映射。结果通过聚类将40个子功能元聚合为16个二级功能和4个一级功能,依据手势定义规则设计出一套动、静态结合的混合手势库,实现了人机交互功能映射。结论该研究为交互服务识别与计算提供基础的理论支持,可方便、自然地对复杂加工装备进行远程操作与监控。

"人机料法环"五位一体的工程机械性能实验教材建设方案

文章针对目前工程机械实验教材较少考虑人机交互、施工工法、作业对象以及环境工况,以致课程与实际不符的问题,提出"人—机—料—法—环"五位一体的创新实验教材建设方案.首先以工程机械为对象,按照动力源—传动系统—牵引与作业机构的功率流开展完整传动链的性能实验;进而结合作业对象的基本特性、工艺参数、环境工况等因素,开展工程机械地面力学性能实验,形成从人到设备再到作业对象完整的闭环教材反馈体系.此教材建设方案与新工科背景下卓越人才的培养目标相匹配,为解决传统工程机械实验教学效果不佳的问题提供了借鉴.

基于相似理论的实验室用双卧轴搅拌机参数确定

为了解决实验室中单轴或立轴水泥混凝土搅拌机的拌和工艺难以有效指导现场混凝土的工艺问题,基于JS500型搅拌机,运用相似理论,从结构参数和运动参数两方面进行相似设计,确定了结构尺寸、搅拌速度和电机功率等参数,制成模型试验机;根据模拟现场混凝土搅拌实验确定了电机功率,并通过模型试验机和现场设备对比实验,验证了搅拌机参数的合理性。

基于熨平装置振动特性的摊铺密实度识别技术研究

为了检测摊铺层密实度,根据主副振捣器与铺层材料的接触情况,将熨平装置分为四种振动状态,建立了二自由度的振动模型;通过Newmark-β法对模型进行求解,分析了熨平装置质心位移幅值、加速度幅值与熨平板振动器频率、振捣频率、铺层材料特性之间的关系,得出了熨平板加速度频谱图,并进行了相应的试验研究。研究结果表明:基于冲击接触模型得到的熨平装置加速度频谱图,包含了振动器频率、振捣频率及其谐波分量;在熨平装置加速度频谱中,振捣主频与熨平板振动器主频的幅值比随铺层密实度的增加而变大,通过振捣主频与熨平板振动器主频幅值比可实现摊铺密度的在线识别。研究结论可为检测摊铺密实度,提升路面施工质量提供参考。

基于透视失真矫正的道路航拍图像拼接方法

针对无人机巡检过程中相机光轴与路面倾斜造成道路航拍图像存在透视失真、拼接后的图像不能反映路面真实状况问题,提出了一种基于透视失真矫正的道路图像拼接方法。首先利用提取的车道线信息计算逆透视变换矩阵,根据变换矩阵对道路图像进行透视失真矫正;然后采用ORB算法对掩膜的道路图像进行特征点检测,以最近邻距离与次近邻距离的比值及RANSAC算法完成同名点匹配;最后利用最佳缝合线算法对道路图像进行拼接融合。试验结果表明,该方法能有效解决相机光轴与路面倾斜造成的道路图像失真问题,拼接后的图像能有效还原道路的实际形状,比现有方法具有更好的拼接效果。

DD9镍基单晶高温合金磨削表面质量实验研究

涡轮叶片榫齿常采用磨削加工,磨削工艺参数决定了其加工表面的质量和疲劳性能。基于正交试验研究磨削参数对第三代镍基单晶高温合金DD9磨削表面粗糙度及硬度的影响规律和机理。结果表明:磨削表面粗糙度受砂轮线速度vs的影响最大,工件进给速度vw对其的影响次之,而受磨削深度ap的影响最小;磨削表面出现加工硬化,加工硬化程度在1.9%~13.8%之间,亚表面硬化层深度在60~120μm之间;为获得粗糙度小、纹理均匀、硬化程度小的DD9高温合金磨削表面,精加工推荐的磨削参数为v_(s)∈[20 m/s,25 m/s],v_(w)∈[12 m/min,16 m/mim],a_(p)∈[10μm,15μm]。

面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略

针对工程机械在复杂工况下能源利用率不高的问题,提出了一种液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略。首先,在装载机功率与力学平衡的基础上,构造了基于牵引性能理论的装载机动力传动系统仿真平台,并通过装载机循环工况采集到的实验数据验证了其有效性和可靠性;其次,基于发动机与液力变矩器台架实验,研究了ZL50型装载机的牵引特性,对比了其在起步、举升、铲掘、匀速4种不同牵引阶段的动力性能,分析了液力变矩器的闭锁点对装载机动力性、平顺性和经济性的影响;最后,提出了面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略,并对优化前后的装载机效能进行了对比分析。研究结果表明:在相同的V型循环工况下,采用所提出的控制策略,装载机等油耗输出能量从372.69 kW·h·mL^(-1)提高到420.51 kW·h·mL^(-1),整机效能提高了约12.8%。所提策略可为大型工程机械传动效率低、燃料消耗大、污染排放严重等问题提供解决方案。

基于DPBBO算法的智慧云仓UAV盘库作业优化

针对智慧云仓货物信息量大、易出现账物不符等库存管理问题,迫切需要将无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)和工业物联网(industrial Internet of things, IIoT)集成起来,为仓储精细化管理提供解决方案。首先,分析盘库作业数据采集与信息交互运行机制,以危险避障和数据采集为约束函数,考虑了UAV在加速、减速、匀速、转角等飞行条件下的能耗差异,并以能耗最低和时间最短为目标函数构造UAV盘库作业数学模型;然后,设计了差分迁移-分段变异生物地理学优化(differential migration-piecewise mutation-biogeography-based optimization, DPBBO)算法对上述模型进行优化解算;最后,进行了仿真实验验证。结果表明:DPBBO算法对解决该盘库作业问题的效果较优,可以提升库存抽检任务的时效性和库存管理的准确性。

振动压路机的能量传递模型与作业参数优化研究

为提高振动压路机作业过程的压实质量,研究了振动压路机的能量传递模型与作业参数优化。首先基于U-K方程建立“碾轮-被压实材料”的系统振动动力学模型,结合能量守恒提出振动压路机能量传递模型;然后以振动频率和压实速度作为寻优工作参数,构建路面压实质量的优化模型;最后通过案例验证证明了所提方法的可行性与有效性。结果表明:工作频率与被压实材料的固有频率比值保持在√2~2范围内,可避免共振带来的影响;初始阶段低速碾压,材料性能稳定后提高碾压速度可保证高效压实,得出振动频率在21.8~27 Hz、压实速度在2.36~2.91 km/s范围内,可达到最优的压实效果。所提的能量传递模型、作业参数优化模型为保障振动压路机压实质量奠定了基础,为提高振动压路机压实质量和效率提供了参考。

基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

针对探地雷达(GPR)数据解译依赖于人工经验,存在费时费力和主观偏差的问题,提出了基于极限梯度提升(XGBoost)和GPR时频特征的水泥路面脱空识别方法。采用正演模拟、室内试验和现场试验获得了脱空病害数据源,建立含有标签的脱空GPR数据集;通过重采样方法统一GPR数据采样频率,并对预处理后的GPR数据进行时频域特征提取,建立了包含18个时域和12个频域特征的数据集。以时频域特征为输入,是否存在脱空病害为输出,采用XGBoost算法构建脱空识别模型,并与随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)算法进行对比。结果表明,模型的识别准确率排序为XGBoost(98.10%)>ANN(95.10%)>RF(93.17%),XGBoost模型识别精度最高,并能在实际路面上准确定位脱空区域。

手过头静态作业的上肢肌肉疲劳特性研究

为探究手过头不同高度下静态作业的上肢肌肉疲劳特性,通过实验设计采集了被试的表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)及基于Borg CR-10量表的主观疲劳状态,研究了sEMG的时域与频域特征处理方法,并利用多分类支持向量机(support vector machine,SVM)识别肌肉疲劳状态。通过对肌肉贡献率、主客观肌肉疲劳特征的相关性、不同高度下的肌肉疲劳累积排序及肌肉疲劳分类识别进行分析,结果表明:肌肉平均贡献率超过10%的肌肉为肱二头肌、三角肌与斜方肌,且其累积贡献率超过70%;对疲劳累积程度在3个高度下排序,肱二头肌和斜方肌为H_(3)>H_(2)>H_(1),三角肌为H_(2)>H_(3)>H_(1);随着手过头静态作业时间增加,上肢肌肉疲劳逐渐积累,时域特征值增加、频域特征值减小且其变化具有一致性;多分类SVM对手过头静态作业中的上肢肌肉疲劳识别准确率大于90%。

基于在机测量的曲面共形电路3D打印误差补偿方法

基于3D打印技术制备曲面共形电路具有广阔的应用前景,然而,由于曲面基材加工误差和导电线路定位误差的影响,导致曲面电路3D打印头高度难以精确控制,进而影响打印精度。为此,本文以气动式直写打印为研究对象,提出了一种“在机测量+线路模型重构”的打印头高度误差补偿方法。设计了一种曲率自适应测量点选取方法,利用NURBS曲线反算法对测量数据进行重构,还原真实线路模型。通过生成真实线路的打印轨迹,替换原始理论打印轨迹,补偿了打印头高度误差。自主搭建了一套集成了在机测量系统的曲面共形电路3D打印平台,设计了直线、圆弧与NURBS自由曲线3种形状的线路,进行补偿前后电路打印的对比实验。结果表明,未进行补偿前,在线路曲率较大的地方,线路在基板上的波峰处会产生拉丝现象,波谷处会产生堆叠现象,而补偿后的导线线宽比较均匀;进一步对每条导线的电阻进行测量,发现各条线路补偿前的电阻值波动较大,补偿后的电路的电阻值均匀,且相较补偿前平均降低65.99%,最大电阻降幅达85.75%。

融合自注意力与残差神经网络的3D打印激光在机测量误差修正方法

激光测量能够实现高效地非接触实时测量,被广泛应用于3D打印领域,但激光测量容易受测量条件、外部环境等多种因素的干扰,这些因素错综复杂,难以量化分析。为此,结合直射式激光三角测量原理,在分析测量精度影响因素的基础上,提出了一种基于融合自注意力和残差神经网络的3D打印在机测量误差修正方法。首先,将影响测量精度的因素作为输入变量,采集激光测量值,得到样本数据集;然后利用残差网络提取出样本数据的深层次特征,并引入自注意力机制建立影响因素之间的联系,得到带权重的提取特征;再通过全连接网络对带权重特征进行学习,得到测量误差的预测值,基于该预测值完成对测量误差的修正。自主搭建了一套激光在机测量系统,采用红、绿、紫3种同材质彩色卡纸进行实验验证。结果表明,所提的方法与卷积神经网络和自注意力神经网络相比,均方误差、均方根误差和平均绝对误差均最小,稳定性最好,修正结果最接近真实值;对激光测量结果进行校正后,使其误差由原来的±28μm减小到±9μm以下,显著提高了3D打印激光在机测量的精度和稳定性。

双立轴振动搅拌机激振器动力学仿真研究

基于多体系统动力学理论,分析了双立轴振动搅拌机中激振器的动平衡设计的合理性。在ADAMS软件中建立了激振器的动力学模型,对其进行了动力学仿真,揭示了激振器的运动规律和工作原理,并分析了激振器的振幅、频率及振动强度之间的关系,以及振动能量的分布形式。将仿真结果和实际测量结果相结合,证明了激振器满足设计要求,也证明了采用动平衡设计的合理性,同时也证实了仿真分析的振动能量分布形式的合理性。研究结果为激振器动平衡设计提供了参考和依据,也为立轴振动搅拌技术奠定理论基础。

基于改进遗传模糊算法的混合动力推土机能量管理策略

以提高整车燃油性为控制目标进行了混合动力推土机的遗传模糊能量管理策略的研究。首先考虑当前状态下超级电容的荷电状态值设计了模糊控制器,以整车需求功率和超级电容荷电状态值作为模糊控制器的输入量,以发动机目标输出功率、发电机输出功率以及超级电容需求功率作为输出,设计了25条控制规则,然后采用改进遗传算法优化隶属度函数,最后利用200 s典型推土机工况在整车平台验证策略的有效性和可行性。研究结果表明:基于改进遗传模糊算法的混合动力推土机与原机型相比节油达19.04%,整机燃油经济性得到明显提高。

EH4连续电导率仪在云南临清线小寨山隧道中的应用

近年来深埋隧道施工屡有发生突水、涌泥、坍塌,甚至发生人身安全事故,查明深埋隧道中存在的隐伏岩溶、断层、暗河等复杂工程地质问题尤为重要。文章以云南临清线小寨山隧道为例,介绍了EH4连续电导率仪在深埋隧道的工作原理及方法,并通过对左右幅探测结果与施工阶段开挖资料对比,得出EH4连续电导率仪探测结果与隧道开挖揭露地质情况十分吻合。EH4连续电导率仪的应用,不仅查清了该段隧道岩溶、断裂等发育情况,还查清了隧道的隐伏构造,为隧道的安全施工提供了技术支持。

基于搅拌功率测试的振动搅拌阻力的反推求解及仿真分析

混凝土振动搅拌技术相对于普通强制搅拌不仅能有效提高混凝土的力学性能,缩短搅拌时间,还能降低搅拌阻力和能耗,提高制备效率。本文主要通过测量双立轴60L振动搅拌试验样机在制备C30混凝土时的功率曲线,进而反推得到搅拌叶片所受阻力。同时,也对试验样机在卡料工况下的阻力进行分析,并根据带传动的极限有效拉力进行求解,得到在此特殊工况下的搅拌阻力。利用有限元分析软件ANSYS Workbench 2020R1计算了搅拌机构的变形和应力情况,确定了安全系数。结果表明,各种工况下,应力最大值都位于搅拌臂与连接块的连接处,最大变形处都位于搅拌叶片的底端;正常工况下,搅拌机构所受应力以及变形相比于卡料工况下都较小。通过计算得到安全系数,在各种工况下,搅拌机构的强度和刚度均能满足使用要求。