关键词： Rapid solidification   Nanocrytalline structure   Mechanical behaviour   Molecular dynamics simulation  

摘要： The mechanical behaviour of rapidly solidified aluminium with multiple twinned nanograins is investigated by a large-scale molecular dynamics simulation. The nanocrystalline structures with mean grain sizes ranging from 3.1 nm to 24.4 nm are prepared by quenching liquid at appropriate cooling rates. It is found that the mechanical properties of rapidly solidified aluminium with multiple twinned nanograins are dependent on its grain size. The flow stress displays inverse Hall-Perch relationship in the present grain-size range. The multiple twinned nanocrystalline aluminium with large and small grain sizes respectively displays different deformation mechanisms during the uniaxial tensile processes. For that with large grain size, the dominated deformation mechanism is twin boundary migration, though co-existing with dislocation activities. And the morphologies of multiple twinned nanograins remain nearly unchanged during the deformation process. For that with small grain size, the deformation is governed by the softening mechanisms of grain growth and detwinning. The grain boundary migration and grain rotation are found in the grain growth process. And the morphologies of multiple twinned nanograins gradually transform into parallel twins or monocrystal.

关键词： 大气粉尘   工程机械发动机   磨损   动力性   影响  

摘要： 众所周知,工程机械在野外施工的过程中,工程机械作业的环境较为恶劣,大气中的粉尘含量相对于场内作业和公路运输而言,粉尘含量水平高很多,本文对大气粉尘对工程机械发动机的磨损和动力性方面的影响探讨和分析,明确改善工程机械发动机的应用情况.

关键词： 悬挂式单轨交通   转向架   动力学仿真   差速器  

摘要： 随着城市化进程的不断加速,交通拥堵成为了各城市的通病,严重影响了居民生活质量。大力发展轨道交通是解决交通拥堵的有效措施之一。悬挂式单轨交通作为新型城市轨道交通制式,在有效解决中小城市交通拥堵情况的同时,可补充大城市轨道交通系统的短板。同时也可以为旅游城市承担景观性服务,并成为其交通干线。目前已有悬挂式单轨转向架存在着运行速度、负载与线路造价冲突的问题。为解决三者之间的矛盾,本文在研究国内外单轨转向架的发展基础上,结合各自的优点,设计了结构紧凑、具备高速高负载和线路造价较低的悬挂式单轨转向架。首先利用三维建模软件建立了详细的转向架三维模型。其次,通过对悬挂式单轨车辆进行简化,建立动力学拓扑模型,利用SIMPACK多体动力学软件建立动力学仿真模型,并依据GB5599-1985建立动力学评判标准,对车辆的动力学性能进行评判。接着,针对车辆的重要结构参数,即导向轮轨间隙和侧滚止挡间隙,以及侧风工况下的动力学性能进行分析计算。最后,对机械差速器在悬挂式单轨车辆上的适用性进行研究。通过车辆动力学仿真计算得到了以下结论:1.所设计的悬挂式单轨车辆在直线运行品质达到良好以上,满足各项曲线通过安全指标。2.导向轮轨间隙对车辆横向运动影响较大,预压力和间隙分别设置为1kN、0kN和1mm时,车辆综合性能较好。若考虑实心轮磨耗情况,则设置为1mm更佳。3.侧风对车辆直线运行品质影响小,主要影响曲线通过性能。在侧风作用下,车辆在8级风力及以下均能够安全运行,风力达到9级时需停运。4.抗侧滚止挡角度对车辆最大侧滚角,最大导向力和稳定力影响较大。止挡角度建议设置5.5°至7°之间,对车辆整体性能较好。5.差速器可有效减少实心轮磨耗,会增加走行轮磨耗。走行轮横向跨距对差速作用影响较大,在走行轮横向跨距较大的转向架结构中可设置差速器。

关键词： 工程机械   动力电池组   流体系统   电池加热  

摘要： 为响应国家提倡环保节能的号召,解决日益严重的空气污染及石油燃料枯竭的问题,研发新能源工程机械已经是机械发展的必然趋势。动力电池作为电动工程机械的重要组成部分,其工作性能对工程机械正常工作起着至关重要的作用。动力电池在工作中会产生大量的热,这些热量如果不能及时散发,会对电池组的性能、寿命产生巨大影响,严重时会导致电池局部过热,甚至引发爆炸。同样,动力电池在寒冷环境中也不能正常工作,因此研究动力电池的热交换问题十分重要。论文以工程机械动力电池组液冷结构为研究对象,通过理论计算出电池的热物性参数,建立动力电池组的物理模型,使用CFD方法分析动力电池组在不同工况下的温升特性,通过优化动力电池组液冷结构,提出动力电池组散热结构的优化措施,并在此基础上对比不同参数条件下的散热情况。论文的主要研究内容如下:1.基于改进的挖掘机动力方案,选择合适的动力电池,并对其结构、生热机理及传热特性进行分析,为电池组的仿真计算以及参数的选取提供理论参考。2.针对挖掘机动力系统的动力电池组液冷结构进行了初步设计,包括电池排列及串并联方式,液冷板的结构设计,流道的布置及分配,并分析了电动挖掘机的典型工况,对两种不同工况下的动力电池组散热情况进行初步仿真。结合仿真结果,阐述了结构及入口参数对电池组散热的重要性,为后续的电池冷却系统优化提供了方向。3.以流道布置结构为主要切入点,对比单双向流道结构下电池组的温度分布情况。得到在同样流道数目的情况下,并联双向流道的散热情况更好,针对并联双向流道,分别讨论了冷却液入口流量和温度对电池温升及温均性的影响。保证整体电池组在293.15K（20℃）313.15K（40℃）范围内工作,并将电池单体的温差控制在5K以内。4.为简化系统,提出电池在低温环境下工作时,延用高温冷却液冷板结构,通过调节参数,为整个电池系统进行预热的观点。以方案二结构为基础,对其进行仿真计算,对比不同入口流量和不同入口温度下电池加热速率的变化。入口流量对电池的温升影响不大,主要影响电池预热后的温差,而入口温度越高,电池的温升速率越大。最终在10min内将电池温度上升至283.15K,达到低温环境下的使用要求。经过仿真分析模拟,结果表明,本文设计的双向流道液体换热系统能有效地在炎热和寒冷两种极端工况下将电池的温度调整至正常工作范围内,保证电池的正常工作。

关键词： 空间抓捕   非合作目标   机械臂   动力学   顺应控制  

摘要： 随着地球资源日益减少和科学技术的发展,人类对于外太空的探索越来越深,越来越广。随之而来的是航天器的维修、服务以及太空垃圾的处理问题。本文结合国家自然基金项目“空间非合作目标捕获机构动刚度在轨识别及接触顺应机理”的要求,以空间非合作目标捕获过程为背景,围绕创新捕获机构、抓捕过程的动力学以及顺应控制理论展开理论研究和实验验证。针对空间非合作目标抓捕及操作的执行机构需求,基于GF集理论发明了一种新型冗余自由度空间机械臂。提出串联等效方法,对其进行运动学和工作空间分析。分析表明机械臂具有刚度高、工作空间大、灵活性强等特点。针对空间抓捕过程中的动力学问题,将机械臂串联部分作为并联部分的负载,使用牛顿-欧拉法完成动力学分析,解算机械臂各驱动关节的力/力矩以及约束力/力矩,建立了迭代计算模型,提高了计算效率。针对空间非合作目标抓捕过程中的稳定力控制要求,建立了基于导纳原理的包含运动估计模块及动力学前馈模块的顺应控制模型。并在三种环境中进行理论验证仿真实验:Simulink中的全数字模型、Simulink-UG虚拟半物理仿真模型以及实物全物理平台实验。仿真及实验结果证明了顺应控制模型的有效性和稳定性。

关键词： 柔性机械臂   相轨迹分析   滑模控制   描述函数   非线性  

摘要： 随着工业机器人技术的快速发展,柔性机械臂逐渐受到科研人员的关注。与刚性机械臂相比,它具有很多优点,如结构轻巧,响应快,高负载/自重比,低功耗等。然而,由于柔性机械臂的结构柔性及本身的非线性,使其成为一个典型的多输入多输出非线性系统。本文以双臂柔性机械手为控制对象,从暂态运动特性、关节电机驱动特性、未建模动态诱发高频抖振、稳态周期运动特性四个方面,研究滑模控制应用于柔性机械臂时产生的非线性动力特性以改进其末端控制精度。本文针对机械臂滑模控制系统,对系统从初始点至滑模面这一过程中相轨迹的分布规律与到达时间进行研究。以双臂柔性机械手为例,以其点到点的位置控制为目标,对输出重新定义使其变成最小相位系统并对原系统进行分解。在此基础上,设计非奇异滑模控制器,使得输入输出子系统可收敛到平衡点,通过极点配置保证零动态子系统的稳定性。基于采用非奇异滑模控制的输入输出子系统的状态方程,分析从不同初始位置出发的相轨迹的运动规律,并给出临界曲面的概念。然后基于相轨迹运动规律计算出各状态点从初始位置运动到滑模面上所需最大时间的估计。本文深入分析驱动电机的动态特性及参数不确定性对机械臂滑模控制系统的影响。由于柔性臂的关节是由电机驱动的,因此首先建立其包含电机驱动特性的双臂柔性机械手的数学模型,并为其设计线性滑模控制器,使柔性机械臂末端位移收敛到零。此外,考虑参数不确定性对机械臂动态响应的影响,给出系统参数不确定性的描述,在分解模型的过程中将不确定性引入各个子系统的表达式中,并给出由参数不确定性导致的系统输出的误差范围。本文研究了未建模动态对机械臂滑模控制系统的影响并对产生的抖振信号进行分析。未建模动态会诱发系统的高频抖振,使系统产生振荡,从而对系统行为产生重大影响。首先建立起包含未建模动态的柔性臂滑模控制系统模型,通过理论分析证明了抖振的存在,进而利用描述函数法对系统的抖振信号做量化分析,并找出影响抖振的频率与幅值的因素。本文考虑滑模切换过程中的时滞对机械臂滑模控制系统的动态响应的影响。针对滑模切换过程中可能存在的时滞现象,首先建立起带有时滞的柔性机械臂滑模控制系统模型,利用相平面法对采用非奇异滑模控制的机械臂系统相轨迹的运动过程进行分析,另外采用庞加莱截面法和李雅普诺夫指数法对系统的运动状态加以判断,证明了极限环的存在。

关键词： 水下机械臂   运动学   动力学   Newton-Euler法   水动力  

摘要： 随着海洋资源的更深层次开发和利用,探索水下空间和执行水下作业的关键设备—水下机器人的研究意义和应用价值凸显出来。而多自由度机械臂是水下机器人海洋开发工具中的重要一环,针对其水动力学特性的研究对于提高机器人作业质量和作业效率具有重要意义,本文的研究对象是一种应用于水下作业环境的六自由度轻型机械臂,研究重点是针对其动力学和水动力的方程解算和仿真分析。首先,通过分析机械臂的关节连杆参数,基于Denavit-Hartenberg方法得到连杆坐标系的齐次变换矩阵,建立并求解多自由度机械臂运动学方程,通过Matlab仿真验证了机械臂模型和运动学正逆解的正确性,并针对六自由度机械臂完成了工作空间分析。其次,基于迭代Newton-Euler矢量力学方法建立机械臂动力学方程,通过计算机编译迭代得到各连杆速度和加速度以及各关节所受的力和力矩解析解。并建立了静水条件下考虑Morison流体阻力的六自由度机械臂动力学方程,得到了各关节流体拖曳力矩和附加质量力矩的解析表达式。最后,在既定关节角运动规划曲线下,求解了机械臂基关节的驱动力矩和水阻力矩,并利用Matlab/Simulink进行了力控制机械臂建模和仿真,完成了对水下六自由度机械臂基关节的控制力矩和水阻力矩的影响分析。

ISBN: (纸本)9787564760038

关键词： 多核计算   区域分解   重分析  

摘要： 工程机械臂在工程领域有着广泛的运用,当前使用的大型工程机械臂一般含有多种类型的非线性环节,并且复杂度较高。随着工程机械臂的发展,为了提高机械臂的工作效率,高速化成为了机械臂产品设计的一个关键特征。而在高速的运动状态下,机械臂容易形成明显的惯性力,这会引起机械臂内部的弹性部件出现形变。如果臂架机构运动达到了“高速”区域,需要将运动部件当作“柔性机构”,此时如果仍然采用传统的线性系统方法进行分析会出现错误或者异常,甚至会造成不可估量的损失。另外考虑到可能出现的弹性变形问题将会显著增加动力学模型的复杂性,不利于问题的求解。目前已经有很多学者对工程机械臂优化问题的求解进行了研究,并提出了不同类型的求解算法,其中使用较多的是启发式算法,但是这种方法存在一定的不足,其效率较低,需要进行大量的仿真计算过程,使得其在实际中的应用受到了限制。综上,本文将围绕提高优化效率展开研究。首先,阐述了重分析方法以及多核计算的国内外研究现状。其次,以其为理论基础,将重分析运用到柔性多体动力学的计算求解中,同时在求解过程中加入多核计算,使优化计算时间大幅度降低。本文主要包括两个创新点。(1)将重分析方法引入柔性多体动力学计算过程中。重分析方法作为一种能够根据初始计算结果快速估计修改后结构的快速计算方法,能够显著的降低计算成本,使计算时间大幅度降低,非常适合解决多体系统结构复杂而导致计算量大的问题。(2)计算求解过程中多核计算的使用。并行计算偏微分方程(PDE)求解中区域分解法(DDM)将计算域分解为若干子域,大问题化为若干个小问题,从而缩减计算规模的特点十分符合多体系统的特点,即各构件可以形成天然的子区域,并且公共边界比较小。最后,为了验证本文提出的快速求解方法的有效性,通过对同一机械臂分别采用全分析和加入多核计算的重分析方法进行优化计算。测试结果表明,基于精确重分析的快速求解方法能够在保证不损伤精度的情况下有效提升计算效率,从而具有良好的综合性能。为了体现算法的工程实用性,本方法将应用于一个基于有限元仿真的空间机械臂运动规划实例中。优化结果表明,基于精确重分析的快速求解方法能够发挥更好的综合性能,从而实现对优化效率的有效提高。

关键词： 伺服电动缸   机械刚度   传动系统   定位精度   稳定性  

摘要： 伺服电动缸作为线性执行器的一种,相对液压缸和气缸,在传动效率、环境适应能力、结构复杂程度和定位精度等方面具有很大的优势,目前,伺服电动缸在港口、自动化工厂、航空航天、机器人和科研设备等领域都得到广泛的应用。随着伺服电动缸在诸多行业的广泛应用,对其定位精度和稳定性的要求也越来越高。对于半闭环伺服电动缸,其传动系统机械刚度对定位精度的影响较大。虽然国内学者对伺服电动缸做了很多的研究,但是主要集中在结构设计、伺服控制系统的优化和测试试验台的搭建上面,关于伺服电动缸传动系统机械刚度方面的研究很少。本文以和某企业共同研制的“10t伺服电动缸”为基础,开展了以下研究工作。(1)简述了伺服电动缸的基本组成和工作原理,分别求解了滚珠丝杠副等效轴向刚度模型、同步带等效轴向刚度模型、轴承组轴向刚度模型和推杆的轴向拉压刚度模型;根据伺服电动缸运动和力的传递路径,将伺服电动缸机械传动系统各环节等效成一系列串联的弹簧质量块,参照胡克定律,建立伺服电动缸传动系统的机械刚度模型。(2)基于伺服电动缸传动系统机械刚度模型,分析了半闭环伺服电动缸传动系统的各个环节对其定位精度的影响程度,忽略影响较小的环节,对影响较大的环节进行优化改进。研究发现,通过施加预紧力能够提高其定位精度和刚度;在一定范围内,增大伺服电动缸的结构尺寸,能够显著提高伺服电动缸的定位精度和机械刚度,但随着结构尺寸的增大,提升效果越来越小。(3)搭建伺服电动缸数学模型,主要包括永磁同步伺服电机数学模型和包含传动系统动态刚度的动力学模型,通过MATLAB/Simulink仿真软件,仿真得到了不同载荷和工作行程下的系统稳态误差;增大传动系统的机械刚度能够减小系统的超调,稳定性提高,但刚度的变化对于系统的响应时间影响较小。