ISBN: (纸本)9787040556858

关键词： 机械式旋转导向钻井工具   工作特性   动力学分析  

摘要： 世界各国经济飞速发展，对于能源的需求不断攀升，油气开发逐渐转向煤层气、页岩气和致密油气等非常规油气资源，促使钻井深度增加，油气储层分散，井身结构朝着复杂化发展。为适应新型油气资源的开采需要，提高钻井效率，降低生产成本，本论文在对导向钻井井眼轨迹研究的基础上，提出一种新型机械式旋转导向钻井工具，并对其进行结构设计、导向钻具组合的静力学和动力学等工作特性研究，主要研究内容如下:　　首先，对导向钻井井眼轨迹进行研究分析，主要包括导向钻井井眼轨迹设计与井眼轨迹控制研究。通过对二维、三维井眼轨迹和考虑方位漂移的三维井眼轨迹设计进行研究，搭建求解模型，绘制出三维井眼轨迹对比图。通过对导向钻井井眼轨迹和导向钻具定向方向的控制研究，得出导向钻具与井眼轨迹的相互作用关系，为旋转导向钻井工具研发提供参考。　　其次，基于导向钻井井眼轨迹研究，通过对国内外旋转导向钻井技术的调研学习，完成新型机械式旋转导向钻井工具的结构设计和工作原理研究。该导向工具在钻井液压力的作用下将推块伸出，推块推靠井壁并形成推靠力，改变钻头钻进方向，进而实现对井眼轨迹的控制，使钻头准确钻达目标地层。此外，还可以通过调控钻井液压力实现对该导向工具钻井作业方式的调整，以适应不同工况需求。在结构设计的基础上，利用有限元仿真软件校核关键零部件的强度，验证结构设计的合理性;通过对执行机构运动分析，优化结构设计。　　然后，通过研究机械式旋转导向钻井工具内的钻井液流动规律，求解出该导向工具的推靠力。采用纵横弯曲法分析带有该导向工具的钻具组合静力学特性，计算出该钻具组合的造斜率。通过分析钻具结构参数与钻井参数对造斜率的影响规律，得到提升导向钻具组合造斜率的可行性方法。　　最后，研究所设计导向工具推靠力作用下的钻柱动力学特性，建立钻柱轴向和横向振动动力学模型，通过求解动力学方程得到钻柱的轴向和横向振动特性规律。通过研究钻头的力学特性，得出钻压、钻头处扭矩、井斜力和方位力随时间的变化规律。　　本文基于对导向钻井井眼轨迹的研究，得出导向钻具与井眼轨迹的相互作用关系，提出一种新型机械式旋转导向钻井工具。根据该导向工具的结构和工作特性，对其所适用的导向钻具组合进行静力学分析和动力学特性研究，通过静力学模型求解出造斜率和造斜率的影响因素规律，得到提升造斜率的有效方法;通过建立动力学模型，求解得出钻柱轴向振动和横向振动特性规律;通过钻头力系模型的建立，研究钻头力学特性。以上研究内容可为提升钻井效率和降低生产成本提供参考。

关键词： 生物材料   纤维素纳米晶   一步机械酶解法   动力学  

摘要： 纤维素是地球上分布最广、含量最丰富的可再生天然聚合物，其无毒、可再生、可降解的本质优势配合优良的机械性能使其具有广泛的应用前景。纤维素纳米晶的制备主要是采用化学法、机械法和生物法进行，但现有的制备方法都存在对设备要求高、能量需求大、生产效率低以及有毒有害废水量大等一些缺陷。由于酶解法制备的纤维素纳米晶（Cellulose nanocrystals，CNC）几乎具有与细菌纤维素相同的生物相容性和表面特征，使其成为生物医药领域最受期待的生物材料。但现有的生物酶解法受限于酶解耗时长，成本高，生产效率低等缺点，使多数酶解反应只停留在纤维素纳米晶生产过程中的预处理阶段。因此，开发新型的低能耗、高效率酶解制备纤维素纳米晶的工艺路线成为目前研究的重点。提高酶解法制备纤维素纳米晶的生产效率，有望实现纤维素纳米晶体在生物医学等领域的高价值利用，为医药用材料提供更多的选择。　　本文以微晶纤维素（Microcrystalline cellulose，MCC）为原料，采用一步机械酶解法在高固体投料量下水解纤维素高效制备纤维素纳米晶。通过单因素方法对纤维素纳米晶制备工艺的影响因素（酶种类、酶载量、缓冲溶液添加量、球磨时间、球磨转速）进行优化。得出纤维素机械酶解法制备纤维素纳米晶的最佳制备工艺为：长柄木霉纤维素酶，酶载量25U/g，缓冲溶液添加量5μl/mg，球磨时间48h，球磨转速100rpm。常温反应，在最优制备条件下CNC得率可达49.3%，是传统溶液体系酶解的三倍。　　采用透射电镜和Malvern激光散射粒度分析仪表征了微晶纤维素和纤维素纳米晶的微观形态和尺寸。结果表明，机械酶解法制得的纤维素纳米晶为两端略窄的均匀短棒状结构，直径为20~50nm，长度分布在250~400nm范围内。X射线衍射结果表明，纤维素纳米晶与微晶纤维素均属于纤维素Ⅰ型，机械酶解过程并未改变MCC和CNC的晶体结构，结晶度也大致相同。傅里叶红外光谱表明CNC与MCC并没有明显的特征峰的差异，CNC仍具有天然纤维素的基本化学结构且没有出现其它的官能团。热重分析结果表明，CNC具有更高的热稳定性，最大失重温度为360℃。快速比表面与孔隙度分析仪表明随着球磨时间的延长，纤维素材料的孔隙面积和体积逐渐增大。　　通过化学反应动力学和米氏方程模型对机械酶解法水解纤维素进行拟合，得到纤维素在机械酶促反应下的反应级数符合准一级动力学模型。通过分型动力学模型对机械酶解反应机理进行研究，结果表明：在一定范围内，一步机械酶解法的反应速率常数K值随着转速的增加而增加，这可能是碾磨冲击产生的机械力改变了纤维素的物理化学结构，破坏纤维素表面和酶之间的吸附平衡，促进酶深入渗透纤维素并与之结合从而促进酶解反应的进行。在转速为100rpm时，分形维数数值最低，推测与扩散有关的速率延迟减弱有关，易于生物质水解。对反应活化能和指前因子进行分析发现在较低温度下，机械酶解反应仍能保持较高的酶解效率，无需额外的热源，反应活化能为20.16KJ/mol，指前因子为56.54，这一结果可以为纤维素机械酶解的进一步研究提供更精准的方向。

关键词： 柔性机械臂   刚柔耦合   碰撞   摩擦   非光滑  

摘要： 由于发射成本和运载能力等条件的限制,在太空中空间机械臂是由细长轻质的杆件组成的一种柔性机器人,这种结构的机械臂相对于工业机器人,结构的柔性变形不可忽略。在作大范围运动过程中柔性机械臂会发生振动现象,并且在捕获目标物的时候,柔性机械臂会受碰撞力和本身柔性变形的影响,其动力学特性会发生改变。针对上述问题本文主要研究了柔性机械臂的建模理论、碰撞动力学的建模方法,并将相关理论运用到多杆柔性机械臂碰撞动力学建模中。本文首先对柔性机械臂进行动力学建模,建立一次刚柔耦合动力学模型和一次简化模型并进行动力学对比,结果表明两种动力学行为没有差异。以一次简化模型为基础,建立柔性机械臂正向碰撞动力学模型。对冲量-动量法、连续接触法、接触约束法进行了研究,通过对比发现柔性机械臂的不同碰撞建模方法的区别和动力学特性差异。并进一步研究FGM柔性机械臂的材料分布指数对碰撞动力学特性影响。其次,以正向碰撞动力学建模理论为基础,基于试错判断的条件,针对三种正向碰撞建模方法的不同特性提出了相应的含摩擦的建模处理方法。在冲量-动量法中引入黏滞和滑动冲量势概念并对其动力学特性进行研究,并对不同摩擦系数影响进行对比。在连续接触法中根据运动学条件求解切向黏滞摩擦力,通过状态判断计算对应摩擦力,并和光滑化的修正模型进行动力学特性对比发现该方法可以相对准确描述摩擦力变化。在接触约束法中,根据初始条件时间Δt→0,提出了一种考虑发生滑动和黏滞两种初始条件的冲量-动量法求解方法,并在黏滞时建立了考虑最大静摩擦的一种动力学模型,进行仿真证明描述黏滞摩擦力相对准确。然后,对于接触约束法理论含摩擦建模方法进一步研究,建立了两种关于LuGre模型的碰撞动力学方程,并和接触约束法的Coulomb摩擦模型动力学特性进行对比,证明通过LuGre模型可以建立统一的动力学模型并且和试错法相互验证对黏滞时摩擦力描述的准确。对于接触约束法的互补算法建模研究中,建立了采用步进冲量法的互补算法求解初始速度,在连续碰撞力和摩擦力计算中根据相关理论建立考虑最大静摩擦的一种互补算法模型,并通过与试错法进行对比证明该方法的正确性。最后,根据含摩擦的碰撞动力学建模理论,通过结合D-H法的递推思想建立一种高次刚柔耦合的通用的多杆柔性机械臂动力学方程,并对多杆柔性机械臂含摩擦碰撞问题进行建模仿真。

关键词： 机械臂运动控制   位置/力混合控制   重复控制   自适应鲁棒控制   机械臂动力学参数辨识   系统辨识   参数估计  

摘要： 机械臂系统已经在工业生产中取得了广泛的应用,其应用场景正逐步向智能制造和服务业等行业扩展。控制系统作为机械臂的“大脑”,对机械臂稳定、安全、高效的运行有着至关重要的作用。传统的工业机械臂通常在特定工况下的隔离的工作台上工作,控制算法的设计需要克服多自由度的系统耦合、强非线性等难题,其控制性能要求通常仅是控制精度。而随着应用场景的拓宽,现代机械臂需要更多地与人协同作业或需要适应未知的工况,这引入了动力学不确定性的控制难题,如未知负载动力学、未知干扰动力学以及未知交互环境动力学等不确定性,而在控制性能上也对高效性和安全性、适应性、学习能力、稳定性和鲁棒性等综合性能提出更高的要求。本文以上述现代机械臂控制系统的若干性能要求为导向,针对当前工业现场中和未来机械臂应用中可能面对的应用场景,具体地归纳分类了几种典型的机械臂的控制应用。然后,针对这些控制应用,以常用的六自由度工业机械臂为研究对象,在准确的离线系统辨识和安全的人机协作的基础上,深入开展了动力学不确定性下的机械臂的自适应鲁棒位置/力控制研究,克服了工况变化和外干扰等引起的系统动力学不确定性、以及耦合非线性动力学等控制难题,最终实现了包括控制精度在内的各方面的综合性能要求。本论文共分为六章,现分别简述如下:第一章,首先介绍了机械臂运动和力控制的研究背景,总结了传统机械臂控制系统设计的研究难题。然后针对现代机械臂的动力学不确定性等问题,分类了机械臂的几种典型的控制应用,并介绍了相关的研究现状及目前研究的局限性。最后概述了本课题的研究内容和研究意义。第二章,针对多自由度机械臂本体具有大量的未知动力学参数的问题,提出了基于关键参数集的机械臂动力学参数辨识方法,在不牺牲辨识精度的前提下,采用较少的参数表征系统的主要动力学特性。然后,在辨识得到的系统动力学的基础上,设计了工业机械臂的拖动示教方法和碰撞检测方案,作为后续控制算法设计等相关研究的安全基础。第三章,为解决携带未知负载的机械臂的精确运动控制问题(负载动力学不确定性),提出了一种直接/间接自适应鲁棒运动控制算法,同时实现了准确负载在线估计和精确运动控制。相比于广为人知的机械臂直接自适应控制,所提出控制算法提升了负载在线辨识精度、控制精度和鲁棒性。最后,先进行了单机械臂的运动控制对比实验,验证了所提出控制策略可以同时实现上述双重目标;进一步地,将此方案应用到遥操作系统中,验证了所提出方案可以通过主端力反馈更准确地复现从端负载的大小,从而提升了操作者的临场感。第四章,针对机械臂重复周期性运动的应用场景(周期性干扰动力学不确定性),提出了一种基于傅里叶级数展开的自适应鲁棒重复运动控制策略,在上一章研究的基础上,利用轨迹的周期性进一步提升控制精度。和迭代学习控制相比,所提出方法不需要在每次迭代开始时标定运动的起始点;和机械臂传统的重复控制相比,所提出方法提升了瞬态控制精度和跟踪误差的收敛速度。最后,通过对比实验验证了所提出算法的上述优势。第五章,为解决机械臂和具有未知参数的环境的交互问题(交互环境动力学不确定性),提出了一种自适应鲁棒位置/力混合控制算法,通过在线学习交互环境的未知参数实现接触面切向的运动控制和法向的力控制。最后,通过在未知倾角的斜面上的实验验证了所提出控制策略的有效性。第六章,归纳总结了本论文的主要工作,阐述了研究结论和创新点,并对后续研究进行了展望。此外,在附录中给出了机械臂本体的动力学参数的离线辨识结果。

关键词： 腔光机械系统   动力学相变   选择性能量交换   模压缩   模分裂  

摘要： 近年来,与腔光机械系统相关的量子力学行为得到广泛研究,其中量子非线性行为已成为重要研究内容。相变演化方程是表征伴随新相生长中各相含量随时间的演化。目前,相变演化方程是通过相变驱动力、温度和相变弛豫时间来表征新相质量分数,该方式是基于唯象理论得到的,缺点是忽视了相变发生中的物理机制。另外,以量子不确定关系为基础的模压缩也发展为腔光机械系统中的热点问题。本文分别探究了单模腔光机械系统和双模腔光机械系统中的动力学相变和选择性能量交换。我们发现:无论单模腔光机械系统还是双模腔光机械系统,系统都会经历类似于Dicke-Hepp-Lieb超辐射类型的动力学相变,且在双模腔光机械系统中通过调控腔模与机械模之间的耦合强度或两腔耦合强度都会出现新的动力学临界点;双模腔光机械系统的两腔耦合强度等价于两腔间无耦合时系统的外场驱动;通过腔模与机械模之间的耦合强度和两腔耦合强度的调节,任意两模间的选择性能量交换被实现,同时临界耦合点与选择性能量交换对应;模压缩是能量转换的标志,且任何两模之间的模压缩是由特定模之间的能量交换所决定。主要研究内容如下:(1)介绍了腔光机械系统的研究背景,主要从机械振子、腔光机械系统、相变和模压缩等方面进行了系统的阐述。(2)分析了单模腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换。我们首先将单模腔光机械系统的哈密顿量进行了旋转变换,然后得到了系统的有效哈密顿量;然后基于海森堡-朗之万方程,推导出系统相关算符的运动方程;最终给出了正常相下光模和机械模的激发能。通过激发能随耦合参数的变化,我们发现:该系统在临界点处发生的动力学相变与Dicke模型的正常相到超辐射的量子相变对应,动力学相变的稳定相对应于正常相,而动力学相变的不稳定相对应于超辐射相。由于该系统只有两模,所以并不是严格意义上的量子相变。基于量子不确定关系和波戈留波夫变换,我们给出坐标和动量的方差表达式。动力学临界点处坐标方差的不被压缩和动量方差的最大压缩表明模压缩是能量转换的标志。(3)探讨了双模腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换,分两光腔间无耦合和有耦合两种情况进行讨论。研究方法与第二章相同,但光腔模的增加导致一些新的动力学相变特性和新的动力学临界相变点出现。动力学临界点处显示出最大压缩,可见模压缩是能量转换的标志。基于傅立叶变换给出的模分裂,我们再次验证了:在双模腔光机械系统中不同耦合参数的调控可以实现不同模式的自主选择性能量交换。

关键词： 机械通气   早产儿   脑血流动力学   胶质纤维酸性蛋白   血管内皮生长因子   临床结局  

摘要： 目的早产儿脑损伤(BIPI)是指由于围产期的各种病理因素导致脑出血或缺血性改变,并出现中枢性呼吸暂停、惊厥、肌张力、原始反射异常等临床症状。早期临床症状往往不典型,需要依靠头颅彩超、头颅MRI、脑电图等助诊,彩色多普勒超声技术因其具有操作简便、灵活、无创等优势,已广泛应用于新生儿重症监护室;动态监测新生儿脑血流动力学变化,可及时发现BIPI。胶质纤维酸性蛋白(GFAP)主要分布于中枢神经系统的星形胶质细胞,参与细胞骨架的形成,维持其张力强度;血管内皮生长因子(VEGF)可以促进新生血管的形成,增强血脑屏障通透性,修复神经功能,两种血清生物学指标均能间接反映神经细胞损伤及程度。早产儿由于重要脏器发育未成熟,生后常易并发呼吸窘迫综合征(RDS),且往往需有创辅助通气;在帮助患儿建立有效呼吸的同时,基于早产儿脑组织解剖和生理发育不完善,机械通气还常可引起脑血流动力学波动等,导致BIPI的发生率增加。因此,通过研究不同机械通气策略对RDS早产儿脑血流动力学及血清GFAP、VEGF水平的影响,旨在为临床救治,选择合适的机械通气策略,减少BIPI等发生,提供新的思路和理论依据。方法1.研究对象 选取2019年01月至2021年01月于本院新生儿病区住院的54例机械通气早产儿作为研究对象,按照随机数字表法分为SIMV组(28例),SIMV+VG组(26例)。2.研究方法 常规治疗:入院后均予以温箱保暖、心电脉氧监护、肺表面活性物质、咖啡因、静脉营养等一般治疗。SIMV组采用SIMV模式,SIMV+VG组采用SIMV+VG模式。所有患儿于生后第1d、3d、7d天行床旁头颅彩超检查,以后隔周复查1次直至出院,如有异常可增加复查频率,并监测大脑中动脉(MCA)的血流动力学参数,即收缩期峰流速率(Vs)、舒张末期血流速率(Vd)、阻力指数(RI);于出院前或纠正胎龄40周时进行头颅核磁共振检查。所有患儿生后第1d、3d、7d采集静脉血1.5ml,应用双抗体夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)法测定血清GFAP、VEGF水平。比较SIMV组和SIMV+VG组在不同时间点脑血流动力学参数(Vs、Vd、RI)及血清GFAP、VEGF水平的变化;同时分析血清GFAP、VEGF水平相关性;比较两组不同机械通气策略对及RDS早产儿临床结局的影响。3.统计学处理 采用SPSS 24.0统计软件行数据统计分析,计量资料以(x±s)表示,所有连续性变量均首先完成正态分布检测和方差齐性检测,组间比较采用独立样本t检验,同组内不同时间点比较采用重复测量方差分析;计数资料采用频数及率描述,组间采用Pearson's卡方检验或连续校正检验。相关分析采用Pearson相关性分析验证指标间相关性。结果P<0.05为差异有统计学意义。结果1.两组早产儿在性别、分娩方式、出生胎龄、出生体重等方面比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。2.生后第1d,SIMV组与SIMV+VG组Vs、Vd、RI值差异均无统计学意义(P>0.05);生后第 3d,SIMV 组 Vs、Vd 大于 SIMV+VG 组,RI 小于 SIMV+VG 组,差异均有统计学意义(P<0.05);生后第7d,SIMV组的Vs、Vd值大于SIMV+VG组,RI值小于SIMV+VG组,但差异均无统计学意义(P>0.05);随着日龄的增加,两组早产儿Vs、Vd、RI值逐渐上升,生后第1d、3d、7d组内比较,Vs、Vd、RI值差异分别均有统计学意义(P<0.05)。3.生后第1d,两组早产儿血清GFAP水平相近,差异无统计学差异(P>0.05);生后第3d、第7d,SIMV组血清GFAP水平均分别大于SIMV+VG组,且差异均有统计学意义(P<0.05)。两组早产儿血清GFAP水平比较,生后第3d均较第1d升高,差异分别有统计学意义(P<0.05);生后第7d较第1d、第3d均降低,差异有统计学意义(P<0.05)。4.生后第1d,两组早产儿血清VEGF水平相近,差异无统计学差异(P>0.05);生后第3d、第7d,SIMV组血清VEGF水平均分别大于SIMV+VG组,且差异均有统计学意义(P<0.05)。两组早产儿血清VEGF水平比较,生后第3d均较第1d升高,差异分别有统计学意义(P<0.05);生后第7d较第1d、第3d均降低,差异有统计学意义(P<0.05)。5.血清GFAP与VEGF存在正相关线性关系。***组住院时间、死亡率、早产儿视网膜病变、支气管肺发育不良发生率均稍高于SIMV+VG组,但差异均无统计学意义(P>0.05);SIMV组有创机械通气时间长于SIMV+VG组,差异有统计学意义(P<0.05)。脑损伤18例,占33.33%,无脑损伤36例,占66.67%;SIMV组早产儿脑损伤发生率46.4

关键词： 绝对节点坐标法   变截面梁   面-面接触模型   接触区域  

摘要： 传统的刚性机器人受到其自身刚性结构的限制,在日渐多样化的工程应用中所表现的性能难以完全满足人们的需求。研究人员在结构设计上受自然生物的启发,设计出模拟生物外形、结构或者功能的仿生类软体机器人,其中的典型代表为拥有灵活变形能力的仿章鱼机械臂。仿章鱼软体机械臂拥有近乎无穷多的自由度,能够在空间中任意地进行大范围的弯曲和扭转,并以此来实现对物体的缠绕和抓取。而在理论分析仿章鱼臂受力变形和与物体的接触方面,研究方兴未艾,具有巨大的研究价值与实际应用前景。本文基于绝对节点坐标法,采用最小距离准则与罚函数法,建立了线驱动的仿章鱼软体机械臂动力学模型,对该类软体机械臂的接触特性进行了研究。主要内容如下: 基于绝对节点坐标法,使用低阶全参梁单元对仿章鱼软体机械臂进行建模,推导了低阶全参等截面梁单元的质量矩阵、超弹性本构材料的刚度矩阵以及广义外力的表达式;建立了线驱动的仿章鱼软体机械臂的受力模型,根据其变截面构型特点修正了低阶全参等截面梁单元的质量矩阵、刚度矩阵等对体积的积分方法;使用最小距离准则和罚函数法,提出了变截面柔性梁在接触过程中的基于梁表面的多接触区域检测算法,其中包含正交接触区域检测算法与斜交接触区域检测算法,获得了变截面软体机械臂与等截面圆柱形物体的接触区域位置与形状;建立了仿章鱼软体机械臂在线驱动接触过程中的接触动力学模型,探究了仿章鱼软体机械臂与物体接触时影响接触区域的因素及接触区域的变化规律。

关键词： 黄铁矿   热自燃   机械活化   活化能   机理函数  

摘要： 为了研究机械活化对黄铁矿氧化自燃反应动力学特性的影响,采用激光粒度仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪对未活化和机械活化后的黄铁矿样品进行表征和热重分析,得到三种升温速率下的DSC与TG曲线,并对比分析了其特征点。运用Malek法推算出机械活化及未活化黄铁矿的最概然机理函数,采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth法计算得到三种升温速率下机械活化及未活化黄铁矿的活化能及其指前因子,从而获得黄铁矿的动力学方程,并代入原始数据进行验证,结果表明:在粒径相近的条件下,未活化黄铁矿的活化能比机械活化黄铁矿的大,但相差不大;机械活化与未活化黄铁矿氧化自燃的最概然机理函数为f（α）=（1-α）2。