关键词： 南水北调   单网式清藻设备   静力学分析   动力学仿真  

摘要： 南水北调工程旨在缓解中国华北和西北地区水资源短缺问题,是我国的战略性工程。要使南水北调工程有效发挥社会效益,必须综合考量在调水过程中会对水质造成不利影响的各种因素,保证调水质量。近年来,南水北调中线输水渠中污染物越来越多,其中季节性爆发的浮游藻类使水体浑浊,对南水北调渠道中的水质造成较为严重的影响。浮游藻类的种类繁多,处理困难,这不仅会使受水区获得的水质下降,而且还会增加自来水厂的后期处理成本,导致南水北调工程的输水质量和经济效益明显降低,引起社会关注。因此如何保证输水渠水质和有效去清藻类成为亟待解决的突出问题。本文通过整体研究南水北调中线工程实际情况,设计研发了一种南水北调渠道单网式清藻机械设备。设备专门工作于南水北调输水渠闸口,以钢丝绳拖拽方式驱动水下的捕捉水藻的栅网装置,并由电动推杆驱动栅网倾转到清藻水箱上方,由专用冲水装置对拦藻栅网上的水藻进行清除,实现藻类的拦截、清洗与处理一体化的机械自动化设备。应用三维软件SOLIDWORKS建立了清藻系统的三维模型,导入有限元分析软件ANSYS。基于Workbench模块对三维模型中关键零部件进行结构静力学分析,得出了载荷作用下的最大变形和最大等效应力值均满足正常工作条件的结论。将SOLIDWORKS建立的三维模型导入多体系统动力学分析软件ADAMS,通过View模块对倾转机构进行了动力学仿真与分析,得出机构指定点的运动轨迹,并获得机构运动的速度、加速度等曲线,能够满足机械动力需要。本文所设计的清藻机械设备已经用于南水北调中线渠道,经试验验证,设备具有便于操作、效果明显、自动化程度高、绿色环保的特点,满足机构灵活性与制造工艺性要求,对南水北调输水清藻有一定的指导意义。

关键词： 水下柔性机械臂   静力学分析   动力学分析   模糊PID  

摘要： 随着航天宇航技术的不断发展,空间机械臂的应用越来越广泛,已经逐渐成为人类探索和研究太空知识的重要工具。为了保证空间机械臂具有大范围的作业空间和较轻的自身重量,空间机械臂多设计为柔性结构,所以在空间机械臂的工作过程中会不可避免的出现振动。如何准确的描述空间机械臂的振动并从控制方法的角度去最大程度的减少其带来的不利影响是研究空间机械臂性能需要解决的主要问题。为了模拟太空中微重力甚至失重的环境下机械臂的运动状态,本文采用水浮法设计了一种水下六自由度柔性机械臂的样机系统,将机械臂放入水中,用于在地面上开展模拟太空环境的试验研究。首先,根据设计要求在Solidworks中建立机械臂样机的三维模型,阐述了机械臂各部件之间的安装方式。根据机械臂的实际使用环境选取了臂杆的材料,然后在simulation插件中进行了静力学分析,校核了机械臂的强度。其次,介绍了机械臂的正运动学及逆运动学的相关知识,基于旋转矩阵法,对机械臂样机的运动学进行了分析,得出了工作空间的图像。再次,基于本文所述六自由度柔性机械臂样机模型的特点,将其简化为柔性双连杆、刚—柔性双连杆机械臂进行动力学建模。将柔性杆看做是欧拉-伯努利梁,描述了机械臂上任意一点的位置,推导出了机械臂的动能、势能、质量矩阵及广义力的表达式,运用假设模态法描述机械臂的变形,然后使用拉格朗日动力学方程求得了柔性双连杆机械臂及刚—柔性双连杆机械臂的动力学模型。然后,使用流体仿真软件FLUENT计算出了机械臂在全伸直状态下水阻力对速度的方程,利用有限元分析软件ANSYS建立了柔性部件的模型,导入ADAMS后对各关节添加驱动函数,仿真后得到了驱动各关节达到指定转速所需要的力矩的图像,为后续研究奠定了理论基础。最后,设计了一种基于模糊自整定原理的PID控制器,推导出了模糊论域、模糊子集、隶属函数、模糊规则等重要概念,通过ADAMS-Matlab/simulink联合仿真平台进行控制系统的仿真,模拟了六个关节联动时的状态,然后通过比较模糊自整定PID控制器与常规PID控制器的控制效果,验证了六自由度柔性机械臂系统中模糊自整定PID控制算法性能的优越性。根据技术要求中的振动频率指标,在全伸直状态下给定了关节角的输入曲线,得出了Z轴方向上的误差曲线,验证了模糊自整定PID控制器系统的可靠性。

关键词： 行星轮系   非线性因素   航天机构   动力学特性   耦合分析  

摘要： 围绕我国航天技术的国家重大需求,空间站大型机械臂、卫星天线等航天机构的应用日益广泛,且执行空间任务的复杂度越来越高,对这类机构的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高。传动关节作为其核心部件,主要完成机械连接、动力传递等工作,对空间机械臂的位置精度、卫星天线的指向精度等具有直接影响。本文针对行星轮系传动系统中存在的多间隙现象,刚柔耦合现象,建立多种动力学模型并进行数值仿真,主要研究工作如下:聚焦于课题研究的意义及相关背景,分析了相关研究的发展状况和优缺点,提出了本文的研究方向及重点。此外,航天机构的动力学研究有助于提高航天机构的设计及分析水平,延缓航天机构的磨损,延长其使用寿命,同时对其他大型机构的研制具有指导借鉴意义。针对行星轮系传动系统中多使用斜齿轮作为传动元件的应用现状,建立斜齿轮传动的弯-扭-轴耦合6自由度动力学模型。考虑斜齿轮传动中的齿侧间隙,时变啮合刚度和啮合阻尼等因素,推导齿轮啮合刚度及间隙函数方程。为分析轮齿修缘对齿轮啮合传动的影响,建立轮齿修缘模型,并用不同曲线分析修缘曲线方程,代入原斜齿轮传动动力学模型,得到系统综合考虑轮齿修缘的5自由度动力学方程。数值仿真结果表明外部激励,齿侧间隙等因素对齿轮传动的振动影响较大,合理的轮齿修缘曲线能够有效减小系统振幅。在此基础上,分析含有多组斜齿轮副传动的行星轮系关节,建立考虑多间隙因素的行星齿轮传动系统动力学模型及柔性臂杆动力学模型,利用拉格朗日乘子法建立含行星轮系关节及柔性臂杆的系统动力学方程。数值仿真中,通过对多间隙模型及刚柔耦合模型的对比,发现柔性臂杆与关节内部多间隙的耦合作用致使传动系统振动剧烈,但也加快了碰撞的衰减,因此,刚柔耦合动力学模型更符合实际工作情况。在刚柔耦合动力学的基础上,改变转速、间隙等参数大小,分析不同因素对系统动力学特性影响。结果表明较高转速时运动偏差波动次数衰减较快但启动时刻的冲击与碰撞程度较大,同时得到了维持系统最佳工作状态时各间隙大小的合理取值。此外,以2K-H行星齿轮传动系统为研究对象,建立平移-扭转耦合模型,将星载天线视为包含卫星本体、行星轮系关节,机械臂杆,天线反射面的多体系统,建立星载天线多体模型。重点分析双行星轮系关节情况下齿轮侧隙、啮合误差、摩擦力、耦合误差、空间温度等非线性因素对天线指向精度的影响。数值仿真结果表明,合适的齿侧间隙能够避免齿轮啮合过程中的卡齿现象,也能保持较高的传动精度,选用泊松比较大的齿轮材料能够减弱齿轮啮合误差造成的影响,在低速、匀速、低摩擦的情况下更易于保持天线的平稳。但由于双行星轮系关节的耦合作用,更容易引起天线指向精度偏差的波动。

关键词： 南水北调   除藻   MATLAB   水动力特性  

摘要： 南水北调工程作为我国的重要战略性工程,解决了我国南涝北旱的问题,对我国的区域经济和环境的发展起到了重要的作用。因此,保证南水北调输水渠道中的水质安全尤为重要。近年来,南水北调的输水渠道中产生了季节性的藻类,不但影响了水质,而且严重时,可使水体发生富营养化,危害人类健康。为此,根据南水北调输水渠道这一特殊工况,设计了依托于止水闸口的除藻设备。根据当前国内外的除藻技术、设备及原理,确定采用物理除藻技术中的机械式除藻法,设计适用于南水北调工况的除藻机械。经过实地考察,记录相关数据,制定技术要求。根据具体功能、工作环境和条件,完成除藻机械的结构设计方案,并分别建立各个方案的Solidworks三维模型。通过对各方案的分析与筛选,确定出最佳方案。结合具体工况,并通过计算与建模,完成除藻机械的总体设计,包括框架结构、传动系统、拦藻清污系统等。结合设备制造工艺与安装流程,对除藻机械进行进一步的改进与完善。利用MATLAB软件对除藻机械进行模糊控制系统的设计,控制拦藻网的拦藻时间和喷水时间,实现除藻机械的自动化。采用Fluent软件对除藻机械的水动力特性进行研究,进一步确定拦藻网参数、验证除藻效果。设备已在南水北调中线渠道运行,为渠道藻类清除提供了重要参考。

关键词： 旋转机械   参数空间   动力学分析   并行计算   分岔  

摘要： 研究多个参数同时变化对旋转机械系统动力学的影响、探寻参数的关联关系,是旋转机械系统动力学研究领域的前沿与热点课题。目前主要是基于单参数分岔讨论对系统动力学的影响,但要研究参数空间中的动力学分布及参数关联关系,由于受可视化手段以及计算任务量巨大的制约,限制了这方面的研究。本文提出了追踪参数空间中动力学行为的GPU并行计算方案,应用CUDA编程技术,实现参数空间中动力学行为的追踪;设计三种相互补充的稳定相图、选择典型的双参数平面,展示系统各种动力学特征及其转迁规律。发现一些新颖的分形结构,如Farey树和Stern-Broot树等类二叉树等级结构,“混沌之眼”环状层次结构、“混沌喷井”齿状结构。这些结构通过分形的自相似性揭示了参数区域局部与局部、局部与整体之间的关联关系。另外,发现了旋转机械系统中普遍存在的几种混合模式振荡,如混沌调谐和非混沌调谐的混合模式振荡,三个尖峰数覆盖的虾形以及尖峰自由振荡形成的“马赛克”相等。这些结果揭示了旋转机械系统复杂动力学背后的共性及规律,能帮助我们更深入的理解旋转机械系统动力学的本质,同时为旋转机械系统动力学参数优化设计、故障的监测与诊断、振动控制等提供大范围参数选择的动力学依据。本文具体研究工作如下:遵循从简单到复杂的研究思路,首先研究两类最简单的旋转机械系统,即六角离心调速器与菱形离心调速器,应用GPU并行计算方法追踪这两类旋转系统在参数空间中的动力学特性并揭示参数关联规律。通过获得的大量动力学信息分析表明,六角离心调速器系统主要以Hopf分岔引起运动失稳,并且在主要参数(频率、振幅以及阻尼等)组合平面,其中的锁模结构按照Farey序列排列,这是六角离心调速器系统锁模结构的本质属性。对于菱形离心调速器系统阵发混沌是使其运动失稳的主要因素,并在其所有主要参数平面形成一种特殊的齿状分形结构——“混沌喷井”。另外这类简单旋转系统的锁模结构是按照更一般的Stern-Broot序列排列的,Farey树是其中一棵子树。详细的分类这类离心调速器系统各个动力学变量的振荡情况,发现存在混合模式振荡,并且不同的变量之间存在不同的振荡模式,尖峰数的分布具有等差性质。其次研究了单轴、三轴、电机-三轴陀螺体系统在参数空间中的动力学特性及其参数关联关系,这三类系统的数学模型具有刚性,采用并行隐式RK方法积分系统。通过分析GPU并行计算得到的大量动力学信息表明,陀螺体系统主要以阵法混沌引起运动失稳,并且在以振幅为主的参数平面形成“混沌喷井”结构,发现相对较小的主惯动量和相对较大的转子角动量有利于系统平稳运行。对于三轴和电机-三轴陀螺体系统还存在倍周期分岔通向混沌的路,在频率-转子角动量平面中正向和反向的倍周期分岔序列堆积形成“混沌之眼”环状结构。另外着重研究了陀螺体系统的混合模式振荡现象与参数组合之间的关系。发现某些动力学变量的振荡和离心调速器一样具有规律性,尖峰数的分布呈现出等差性质,另一些变量则是非常复杂的振荡,在局部的参数区形成“马赛克”的相。最后研究了复杂故障转子系统的动力学行为及其参数关联关系。故障转子系统是多自由度多参数系统,数值求解比低维的离心调速器系统困难,CPU的串行计算受到极大的挑战,GPU并行计算处理这类复杂系统时优势更加凸显。通过GPU并行计算得到故障转子系统大量的动力信息,研究表明在裂纹转子、碰摩转子、碰摩-裂纹耦合转子中,当转速小于临界转速时,系统的各种故障因素(裂纹深度、裂纹角、质量偏心、碰摩间隙、油膜黏度等)对故障转子系统的动力学基本没有影响,系统主要表现为周期1运动;当转速达到临界转速小于二倍临界转速的区域,主要是正向和逆向的倍周期分岔序列;在高转速区域,以拟周期运动为主。对于裂纹转子系统在拟周期区域主要是夹杂一些高周期的亚谐振动,但锁模结构不像离心调速器系统那样形成规律的结构;对于碰摩转子在拟周期区域中主要是嵌入了大面积的周期3运动。对于碰摩-裂纹耦合故障转子,就质量偏心来说,在较大偏心下和裂纹转子相似,在小偏心下和碰摩转子相似。另外在这三类故障转子中,参数对动力学影响的程度不一样,在裂纹转子中质量偏心的影响最大,在碰摩转子和碰摩-裂纹耦合故障转子中定子刚度的影响最大,质量偏心的影响其次,其它参数对三类故障转子系统动力学的影响基本相同。三类故障转子系统在局部的参数区域都会产生混合模式振荡,但是振荡不像陀螺体系统和离心调速器系统具有规律性,属于自由形式振荡。

关键词： 工程机械   推土机   动力匹配   神经网络  

摘要： 随着我国经济的快速发展,工程机械扮演的地位逐渐重要起来,并且被广泛应用于开矿,建筑等工程建设相关产业。但是工程机械在运行的同时也会带来很大的环境污染问题,包括有害排放物和能源危机两个主要方面。工程机械的发动机排量较大,工况恶劣,在高负载状态下的油耗也相对较高,高油耗所带来的环境污染因素有以下几点:从环境方面来说,首先,工程机械在运行过程中,会排放出大量温室气体CO2,造成地球环境变暖进而引发温室效应;其次,发动机在运行过程中会排出NOx,SOx等有害物质,这些物质是酸雨的形成因素;除此之外,当燃料燃烧不充分时,所排出的颗粒物是引发雾霾的因素之一,这些物质的排放进一步加剧了环境的恶化;另外,工程机械在工作过程中,会产生大量的噪声污染,这些噪声污染会给人民的生活带来极大的不便,这一点也是也是不可忽视的。从能源危机方面来说,目前我国正面临着日益严峻的能源紧缺问题,比如,石油开采过度,可替代能源的开采量又不足。能源危机的加剧,使得人们开始慢慢从事与节能减排有关的活动,国家同时也采取了各种措施及来维持可持续发展。由上述环境污染问题可知,环境保护问题是急需解决的问题,而工程机械和乘用车中的发动机排放是环境污染的几大主要污染源之一,因此工程机械的节能减排的研究价值逐渐显现出来。为了解决环境问题,维持可持续发展,本文着手从工程机械动力总成匹配的优化方面进行研究。研究过程中,所做工作如下:(1)本文通过查阅文献的方法,结合以前的研究人员对工程机械动力传动系统的研究成果,分析了他人在工程机械的动力匹配中研究的过程及采用的方法,并通过总结归纳寻找出了前人在动力匹配方面所做研究的优点与不足,为自己的论文工作做好准备,并把改进其中的不足作为本文论文的创新点。(2)本文通过参考目前各高校所研发的液力机械传动计算软件,归纳各软件中较好的算法,之后自行研发了一款具有实用价值的动力匹配软件。该软件具有多种功能:该软件可以进行发动机和液力变矩器的共同工作点的计算;该软件在有车辆性能参数的情况下还能进行最大牵引力、最高车速、加速性能等动力性匹配计算;并且该软件还可以对工作循环进行油耗量的拟合,通过处理发动机运行过程中的转速扭矩等数据,求取工作循环中的油耗量。利用该软件,能方便的对工程机械的传动系统进行匹配计算,对工程机械的研发厂家具有指导意义以及实用价值。(3)在拟合过程中,发现该软件的计算油耗量和实验数据的实测油耗量有差距,在确定边界条件设置无误的情况下,推断该差距是由静态和动态的差距引起,考虑到神经网络的学习性和适应性,采用神经网络对该软件的油耗拟合进行修正。在修正的过程中,建立由计算油耗值到实测油耗值的神经网络模型,并测试不同的神经网络参数对训练过程的影响,通过对比不同的参数对神经网络调试的影响,选取出了训练效果最好的神经网络做为最终结果。最后,通过实验验证了神经网络模型的有效性,可用于后续油耗量的修正计算。

关键词： 运动力学   机械结构   设计中   应用  

摘要： 机械结构设计过程中,会运用很多原理,其中运动力学原理发挥着非常重要的理论指导作用.在物理学的很多力学实验中,运动力学也是受到很多研究人员重视和关注的.可以说,运动力学作为机械科学与物理学科的一种连接纽带,通过科学合理的应用运动动力学,对于机械结构设计的改良和优化,具有十分有价值的指导意义.机械机构设计质量和效率的提升,离不开运动力学理论的支撑.因此,本文通过对运动力学进行深度解析,并将机械结构设计的要素进行系统归纳总结,结合一些实际案例,对运动力学在机械结构设计中的应用问题进行分析.

关键词： 滑动轴承   密封   动力特性   转子稳定性   非定常动网格方法  

摘要： 滑动轴承和密封的动力特性是旋转机械转子系统动力学研究的重要内容。由于现代旋转机械逐渐向高压、高转速和高温的方向发展,滑动轴承与密封流体动力特性对旋转机械工作效率和转子系统稳定性的影响日益突出,开展滑动轴承和密封动力特性研究具有重要的价值。本文开展了旋转机械滑动轴承与密封流体动力特性理论与数值研究。在理论研究方面,首先分析了滑动轴承流体动压润滑理论基础、滑动轴承与密封流体动力学理论基础;建立了滑动轴承与密封流体动力特性理论求解模型,包括转子匀速直线涡动、转子单频和多频涡动动力特性求解模型;最后应用流体激振力做功的方法分析了滑动轴承和密封动力特性对转子系统稳定性的影响。研究结果表明:油膜力的频率与轴颈涡动位移频率相同;滑动轴承动力特性系数的绝对值随着偏心率的增加而逐渐增大;随着轴颈涡动频率和偏心率的增大,油膜力所做负功的绝对值逐渐增大。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封的泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度系数,而发散间隙孔型阻尼密封产生较大的正直接阻尼系数。袋型阻尼密封具有较大的指向转子涡动中心的径向气流力以及与转子涡动速度相反的切向气流力,有效降低了转子涡动振幅和涡动速度;转子涡动频率和涡动振幅越大,袋型阻尼密封负气动功绝对值越大,抑振效果越好;当转子正/反进动时,袋型阻尼密封更有利于转子的稳定性。

关键词： 3-DOF并联机械臂   动力学建模   轨迹跟踪   滑模控制   模糊控制  

摘要： 由于并联机构的承载能力大、运动精度高、机构构型灵活等优势被越来越多的专家学者所青睐,并联机构已经广泛应用于消防机器人、驾驶员模拟舱、摇摆台等领域。本文对源自国家科技支撑计划项目,具有自主知识产权、能进一步应用于多足机器人、多杆件支撑动大载荷平台、承载能力强作业精度高的多自由度机械手等所要求的腿或臂关键部件——一种弱耦合新型3-DOF并联机构进行了动力学建模和轨迹跟踪控制研究。本文主要工作如下:首先,在详尽分析(U+UPS)P+UPS型3-DOF并联机构构型的基础上,剖析各支链间的约束关系,采用拉格朗日法建立该3-DOF并联机构的动力学模型,为后续的轨迹跟踪控制算法的研究奠定了基础。其次,针对该3-DOF并联机构的轨迹跟踪问题,设计模糊PID控制器。该控制器采用模糊算法对PID参数进行调整。通过数值仿真进一步对模糊PID算法的有效性进行验证。对比传统PID控制算法的仿真结果,该控制器有效减小了各支链的跟踪误差。再次,为了提高该3-DOF并联机构的跟踪精度和抗干扰能力,设计模糊滑模控制器。该控制器通过模糊算法对滑模控制器的参数进行调整。对该算法进行数值仿真,仿真结果验证了基于指数趋近律的模糊滑模控制器具有减小轨迹跟踪误差和提高抗干扰力的优势。最后,针对(U+UPR)P+UPS型并联机械臂,设计并搭建了3-DOF并联机械臂的实验平台。该平台主要由3-DOF并联机械臂、数据采集卡、信号转换器、伺服电机、伺服驱动器、上位机、运动控制器等构成。基于搭建的实验平台,分别采用模糊PID控制算法和模糊滑模控制算法对3-DOF并联机械臂进行轨迹跟踪实验研究。实验结果表明,建立的机械臂动力学模型是合理、有效的,所设计控制方案是可行的,搭建的实验平台是正确的,在设计的控制算法作用下3-DOF并联机械臂实现了轨迹跟踪。

关键词： 水下机器人   模糊控制   机械手   神经网络控制   模型试验  

摘要： 随着陆地资源的不断消耗,人们开始探索新的资源。海洋蕴含着丰富的资源,水下机器人作为水下探测的重要工具正在被人们不断地研究。水下机器人及其机械手可以在水下完成一系列复杂的作业任务,极大地提高了水下作业的效率。为了使水下机器人在水下作业时保持较好的操纵准度,本文基于水下机器人的潜浮、进退和横向运动设计了模糊控制器,通过数值仿真和水下模型试验验证了控制器的有效性。同时,设计神经网络控制方法实现对UVMS(水下机器人机械手系统)的机械手的运动跟踪控制。本文在绪论中描述了水下机器人的概念及其分类,探讨了水下机器人及其控制算法的研究动态,并介绍了水下机器人机械手及其控制算法的研究动态。依据水下机器人的结构特征以及实际的运动情况,对水下机器人在水下所受的重力、浮力、推力以及流体水动力进行详细的分析,建立了其运动模型,为后续的模糊控制奠定了基础。基于UVMS的结构特征与运动情况,建立了其运动和动力学模型。接着介绍了模糊控制算法,结合水下机器人的运动特征,对模糊控制器的结构和控制规则进行研究,并基于水下机器人的运动模型建立了模糊控制系统,设计了模糊控制器并进行控制仿真实验,验证模糊控制方法的正确性和有效性。然后基于UVMS在水下操纵的特征,设计神经网络控制器实现对机械手的跟踪控制。为了保证控制器的鲁棒性,Lyapunov设计被应用到其中。为了检测所设计的控制器的有效性,设定了水下机器人机械手的具体参数,通过软件仿真的结果验证了神经网络控制方法相对于PD控制方法更具有优越性。最后,搭建实验平台。以本课题组的ROV(缆控水下机器人)为试验对象进行模型试验,验证本文所设计的模糊控制器的可行性。