关键词： 多体动力学   机械工程   技术应用  

摘要： 传统力学经过多年发展,当前已经开发出了多种分支,其中多体动力学由于其与工程实践能够更好地契合,所以成为当前机械工程领域中的重点研究项目.基于对多体动力学使用方式和通常应用流程的分析,本文指出了这一力学体系在机械工程领域中的通常应用形式,并在此基础上提出具体的应用方法,以全面推动机械行业的进一步发展.

关键词： 移动柔性机械臂   多体系统传递矩阵法   动力学模型   关节控制  

摘要： 救援机器人常用于火灾、地震、泥石流等特殊的极端环境。轻质机械臂在高速运动下会产生弹性变形和弹性振动，常称为柔性机器人，因此具有柔性机械臂的救援机器人在遇到突然启停、不平路面的激励以及携带重载时，不可忽略的弹性振动会严重影响机器人的末端作业精度，因此有必要对其动力学模型进行详细的研究。轻质机械臂又称柔性机械臂，本文针对移动柔性机械臂动力学与控制做了以下几方面的研究：　　首先，基于多体系统离散时间传递矩阵法推导移动柔性机械臂典型元件的动力学方程，典型元件均可等效为通用的元件，分别为平面单输入单输出刚体、平面内接刚体外接柔性体的固接铰、平面柔性杆、平面驱动铰、空间单输入单输出刚体、空间内接刚体外接柔性体的固接铰和空间柔性杆，并用平面单摆算例验证了该方法的正确性。　　其次，单独分析移动柔性机械臂系统中的单个柔性臂。考虑直流电动机与柔性机械臂的动力学以及PD控制，建立了基于PD控制的平面柔性机械臂机电耦合动力学模型，采用常见的T型、S型、五次多项式关节轨迹，进行运动学与动力学仿真，得到关节转角、柔性臂末端振动位移以及电动机电压变化情况。采用柔性机械臂的实验平台进行实验，将实验与仿真结果进行对比，证明动力学模型的正确性。　　然后，在平面柔性机械臂动力学模型的基础上，分别对基于固定基座的空间刚性机械臂和柔性机械臂进行动力学模型的建立，并采用五次多项式关节轨迹，对其进行运动学和动力学仿真，得到各关节旋转角度、位置、转矩以及柔性臂末端的振动位移。详细分析了常用材料对柔性杆末端振动的影响，为减振提供依据。　　最后，分析四轮移动平台的运动学和动力学模型，并采用多体系统离散时间传递矩阵法推导移动平台的运动学传递矩阵方程。在此基础上，建立移动柔性机械臂的动力学模型，并对移动柔性机械臂的动力学模型进行仿真，得到柔性臂末端在x、z方向的横向振动情况，分析了移动平台四个轮子的支持力、驱动力和切向力，还对各个关节的转矩和位移等参数进行介绍，为后续救援机器人的设计提供理论基础。　　本文主要分析了移动柔性机械臂的动力学以及简单的关节控制问题，采用多体系统离散时间传递矩阵法，依次对平面柔性机械臂、基于固定基座的柔性机械臂和基于移动平台的柔性机械臂进行建模，层层递进，逐步深入，详细分析了关节转矩、转角和移动平台各个轮子的受力情况，为将来的机器人设计奠定坚实的基础。

关键词： 水下机械手   运动学   动力学特性   模糊自适应滑模变结构算法   可视化仿真  

摘要： 近年来,机器人的发展十分迅速,应用范围不断扩大,已经在医疗卫生、海洋侦察探测、太空技术、生活娱乐等领域大量应用。其中,水下机器人的发展尤为迅速,已经形成了一个独立的研究体系。但由于工作环境的特殊性,深入研究水下机械手的动力学特性,提高扰动环境下机械手的控制精度与作业能力具有重要的意义。本文以自主设计的四自由度水下机械手为研究对象,对其运动学,动力学特性以及复杂环境下的精确控制问题进行了系统详细的研究。首先,利用D-H方法建立出机械手的连杆坐标系,推导了正运动学参数方程,进行了相应的仿真分析与结果比对。在此基础上,提出了一种用于描述机械手工作空间的奇异曲面旋转与定步距结合的方法,结果相较于蒙特卡洛方法更加直观清晰。因为末端位姿变量与运动关节变量存在一对多的情况,所以利用神经网络智能优化算法解决此问题,提高逆运动学计算的稳定性。同时,利用PSO算法进一步优化BP神经网络,得到了一种精度高,收敛速度快的逆运动学算法。其次,结合Lagrange方法以及Morison方程,建立了机械手完整的水下动力学模型,并进行了机械手参数动力学特性的分析,包括其惯性特性,重力矩特性等。通过数值计算,分析了水阻力、附加质量力以及浮力对机械手动力学的影响,并通过仿真测试,得出了水中各个属性力对机械手关节运动轨迹、运动角速度的影响情况,为控制器的设计提供合理的理论依据。之后,分别以传统两自由度刚性连杆与上一章水下机械手动力学模型作为研究对象,进行控制算法的研究设计。首先设计推导了计算力矩方法与基于滑模变结构的计算力矩控制方法。针对变结构算法存在的抖振问题,引入了模糊自适应控制理论,用于适应复杂环境的干扰与自身的震荡影响,因此提出了一种改进的模糊自适应滑模变结构控制算法。相较于传统算法,它的稳定性证明更加简单方便,并且能够根据数据在线调整控制输入量,消除滑模控制的抖振与复杂环境的干扰。最后,针对设计的控制算法与机械手水下动力学模型,在Simulink仿真平台进行了相关的控制仿真分析。一方面,详尽的分析了不同控制算法在水下机械手的轨迹跟踪问题上的控制效果,验证了本文提出的改进滑模变结构控制策略的有效性。另一方面,利用了SimMechanics仿真平台进行了机械手可视化运动控制过程的仿真,验证了仿真过程的可行性。

关键词： 压力机   多连杆机构   间隙   刚体动力学   非线性特性  

摘要： 锻压生产工艺因具有工件成型快、加工稳定性好和制造成本低等特点,在现代工业生产中占据了重要地位。在不同种类的机械压力机中,多连杆机械压力机不仅在工作行程段具有较低的速度,能够保证拉延效果,防止工件产生裂纹,而且输出曲线可控可调,具有较高的柔性,因此在电器、五金、汽车、交通及军工等行业的应用十分广泛。本论文以新型多连杆机械压力机机构为研究对象,对其运动学、刚体动力学和考虑间隙时机构的动力学响应与非线性特性进行了系统研究。主要研究内容如下:首先,对多连杆机械压力机机构进行运动学分析。介绍了九连杆机械压力机机构的结构特征,通过复数矢量法建立压力机机构的运动学模型。运用Matlab对运动学模型进行计算,得到压力机冲锤位移、速度和加速度的曲线,再通过Adams进行虚拟样机仿真分析,验证运动学模型的正确性。以压力机急回特性和降低滑块工作段加速度为设计目标,建立了机构的优化模型,利用遗传算法对压力机机构进行尺度优化。其次,对多连杆机械压力机机构进行刚体动力学分析。选取曲柄角位移为广义坐标,列出机构的动能和势能表达式,运用Lagrange方程计算出广义力表达式,建立机构的刚体动力学模型。通过Matlab求解动力学模型,再利用Adams对机构进行虚拟样机仿真分析,求得曲柄在空载及加载条件下的驱动力矩曲线,通过对比数值计算和仿真分析结果,验证刚体动力学模型的正确性。再次,对含单间隙多连杆机械压力机机构进行刚体动力学分析。将间隙视为无质量杆,选取双曲柄和间隙杆角位移为广义坐标,运用Lagrange方程列出广义力表达式,再通过龙格库塔法求解,最终建立单间隙机构的刚体动力学模型。绘制不同位置间隙,不同间隙值和驱动速度下的动力学响应对比曲线,通过相图、Poincare映射图和分岔图对含单间隙多连杆压力机的非线性特性进行分析。最后,对含多间隙多连杆机械压力机机构进行刚体动力学分析。在单间隙机构的基础上,列出包含四个广义坐标的Lagrange方程,再通过龙格库塔法求解,建立多间隙机构的刚体动力学模型。绘制了不同间隙值和驱动速度下的动力学响应对比曲线。研究多间隙对于机构非线性特性的影响,通过相图、Poincare映射图和分岔图分析了混沌现象变化规律。

关键词： 动力性能   机械动力螺旋桨   模型平台   性能分析  

摘要： 传统船舶机械动力螺旋桨的动力性能分析,没有考虑到动力与湍流的密切性,导致分析量化误差较大问题。针对以上问题提出船舶机械动力螺旋桨的湍流动力性能分析,构建分析模型,依托分析模型硬件与软件的搭建,完成螺旋桨动力性能分析模型的构建。通过控制方程的运用,选取湍流参数,实现螺旋桨动力性能分析模型运行。通过试验分析表明提出的性能分析方法和传统的分析方法相比,量化准确率提升11.35%,能够达到实际应用要求值得推广运用。

关键词： 液压机械无级传动   全功率动力换段   控制策略   敏感度分析   硬件在环仿真  

摘要： 液压机械无级传动是一种双流复合传动形式,其既保持了机械传动传动功率大、传动效率高的优点,又继承了液压传动无级变速特性,因此在工程机械以及农用机械中被广泛应用。制定合理的控制策略对换段过程进行有效地控制是保证液压机械无级传动速比连续的关键,全功率动力换段方法在液压机械离合器重叠工作时间内进行排量电流调节,完成闭式液压回路中高低压侧压力互换,保证换段过程中速比连续变化、动力输出无中断。本文开展了液压机械全功率动力换段控制系统的设计及硬件在环仿真试验,主要包括:(1)针对液压机械无级传动目标段压力理论预测模型形式复杂、计算量较大,无法被控制系统应用的问题,采用全局敏感度分析方法对模型中低敏感度参量进行筛选,根据筛选结果获得目标段压力实时预测模型,误差分析表明,液压段压力预测值平均误差为4.5%,液压机械段压力预测值平均误差为5.3%。(2)以MATLAB/Simulink为软件开发环境,Rapid-ECU为控制系统硬件平台,基于全功率动力换段方法,设计了液压机械全功率动力换段控制策略并搭建控制策略仿真模型,选取部分工况进行换段过程计算机仿真,结果表明,控制策略能够根据输入状态参量正确地输出控制信号,使闭式液压回路中压力完成互换,实现全功率动力换段。(3)基于xPC双机实时仿真系统,建立控制系统硬件在环仿真模型与目标机应用模型,搭建液压机械全功率动力换段控制系统硬件在环仿真试验平台。选取计算机仿真相同工况条件,对液压机械全功率动力换段控制系统进行硬件在环仿真试验,结果表明,目标段排量电流控制信号变化量平均误差为1.4%;目标段建立压力试验值平均误差为1.6%;离合器控制信号重叠时间平均误差为2%,控制系统功能及控制效果基本满足需求。

关键词： 多体系统动力学理论   机械工程  

摘要： 在机械工程中多体系统动力学应用十分广泛,应用多体系统动力学理论构建模型在机械工程中是常用的方法之一,其特点可以计算难度.通过对多体系统动力学理论实际应用和机械臂分析进行研究,对后期机械工程的发展具有实际的理论指导意义.

关键词： 动力学建模   参数辨识   传感信息处理   小波降噪  

摘要： 随着国家现代化进程的推进,大型机械臂被应用在各个领域,本文以利用参数辨识方法建立机械臂的动力学模型为任务,主要完成了大型机械臂的动力学建模,动力学参数辨识以及末端六维力/力矩传感器降噪三项工作。首先,完成了大型机械臂的动力学建模。采取线性扭簧描述关节柔性,Stribeck模型描述摩擦,假设模态法描述杆件柔性,借助修改的DH参数法和浮动坐标系法完成机械臂运动学分析,然后利用Kane方法建立空载时大型机械臂的动力学模型,并借助末端六维力/力矩传感器将建立的模型应用到带有末端负载的情况。介绍了机械臂的正逆动力学问题,由于机械臂的动力学模型为刚性微分方程,本文利用5阶Gear法对其进行积分求解。在MATLAB中编程并完成了所建模型的数值仿真,应用SolidWorks,ANSYS和Adams软件建立了七自由度大型机械臂仿真模型,将其与所建立的动力学模型对比,完成了模型的验证。其次,采取系统辨识的方式得到动力学模型参数。利用Lagrange法说明了柔性臂动力学模型是关于其动力学参数的线性函数,然后基于Kane方法推导了其线性模型,并对其最小惯性参数集进行了探讨。辨识轨迹选取所有关节同时高速或低速运动的两条轨迹。对于带有关节力矩传感器的机械臂,采取关节和杆件参数分开辨识的方式。每个关节的参数独立辨识,均利用MATLAB中拟合工具箱对建立的关节动力学模型拟合。杆件参数辨识有两种方案:1)低速时辨识刚性参数,高速时辨识柔性参数;2)高速时同时辨识出刚性和柔性参数。为了减少一次辨识的参数,采用从末端杆向基座逐杆递推的方式辨识,可采用线性方法和非线性方法分别辨识。然后,为了提高机械臂带载时的模型精度,提出了一种针对机械臂末端六维力/力矩传感器的降噪方法,包括寻找匹配信号的搜索方法和自适应层数的方法。由于分解层数会直接影响到小波阈值降噪方法的降噪结果,因而本文基于末端传感器多路输出信号之间的相关性分析,借助提出的搜索方法,得到一组匹配的信号,然后通过检测不同分解层数的近似系数重构是否保留了该匹配信号的变化趋势,确定合适的分解层数。最后,完成了相关的仿真及实验。利用软件中建立的仿真模型生成参数辨识仿真数据,完成并分析了机械臂低速和高速运行时对关节参数的辨识效果,以及比较了采用不同的辨识方法,不同的辨识方案对杆件参数的辨识效果。对于提出的传感器降噪方法,进行了实验,实验结果表明提出的降噪方法具有一定效果。

关键词： 劳动力成本   农业机械   生产要素替代   生产环节  

摘要： 2015年《农业部关于开展主要农作物生产全程机械化推进行动的意见》正式提出在全国开展主要农作物生产全程机械化的推进行动,重点聚焦于“九大作物”、“六大环节”,其中,水稻的播种（插秧）环节是全程机械化主攻的关键环节,同时该意见指明到2020年力争全国农作物耕种收综合机械化水平达到68%的发展目标。在各地区共同努力下,我国农业机械化推广近年来取得了较大进展,农业机械覆盖率不断提升,但相比发达国家,整体水平依旧较低,而且各生产环节的机械化程度存在较大差异,这意味着农业全程机械化的推进仍然面临一系列的困难和挑战。尤其是近年来农村劳动力大规模向非农产业转移,加剧了劳动力的稀缺性和低质性,导致劳动力成本快速上升,进一步推升了农业生产总成本。在此背景下,分析和探讨劳动力成本上升是否显著影响农业机械的投入以及二者之间是否存在替代关系,对于我国应对劳动力成本上升和加速农业全程机械化目标的实现有重要的现实意义。首先,为清晰了解劳动力成本的变化趋势,本研究利用近二十年的全国统计数据和三年的入户调查数据从宏观和微观两个层面分别对劳动力成本做描述性统计分析。分析表明,在宏观层面,全国和江苏省的劳动力成本均呈持续快速上升趋势,而劳动力投入中的家庭用工和雇工数量均呈明显的下降趋势。截至2017年,三种粮食和稻谷的全国平均雇工工价较1998年均上涨了近5倍,江苏省稻谷的平均雇工价相较于2004年翻了两番之多,而且稻谷的雇工价格普遍高于三种粮食的平均雇工价格。在微观方面,样本地区劳动力成本上升趋势明显,水稻雇工日工资在2015-2017年间上涨幅度达18.79%,而且农业劳动力整体表现出高兼业化、高老龄化和低质化的“三高两低”倾向,进一步间接加剧了劳动力成本的上升。其次,分析劳动力成本上升对水稻生产的影响,重点探讨农业机械与劳动力两要素之间的替代关系。研究表明,劳动力上升会从两个路径影响水稻生产,一是改变土地决策,通过土地流转等形式,一部分小规模种植户退出农业生产转向非农产业,另一部分农户扩大规模成为种植大户进行专业化生产;二是改变要素投入决策,本文利用超越对数成本函数对江苏省入户调查数据实证分析得出,2015-2017年样本地区水稻生产全过程劳动力与机械的替代弹性分别为0.306、0.336和0.350,三年的平均替代弹性为0.331,劳动力和机械之间存在显著的替代关系,且替代强度随时间逐渐增大,也就是面对劳动力成本上升的挑战,农户会使用机械这一劳动节约型技术替代劳动力投入。分环节看,水稻耕地、播种（插秧）、收割三个生产环节劳动力与机械的替代弹性也在逐年增大,但比较发现,这三个环节的替代弹性存在显著差异,耕地环节的平均替代弹性最大,为0.384,收割次之,为0.358,播种（插秧）环节最小,仅为0.315,播种（插秧）环节的替代弹性明显小于耕地和收割环节。此外,劳动力和农业机械的需求价格弹性在水稻生产全过程及各环节均为负,且其绝对值均小于1,说明价格指标在调整农业生产要素的投入结构中依然发挥着重要的经济杠杆作用,合理调控机械的使用价格能够在一定程度上促进机械化的发展,但是单纯的从价格层面进行宏观调控效果有限,还需结合其他方面的因素来推进机械化的进程。最后,基于水稻耕地、播种（插秧）和收割三个生产环节劳动力与机械的替代差异,本研究进一步探究了造成播种（插秧）环节低替代弹性的原因,并利用多元Logit选择模型对该环节机插秧采纳的影响因素进行了实证分析。结果表明,农户在播种（插秧）环节对劳动节约型技术的选择是不唯一的,直播技术同样具有节省劳动力投入的特征,其对机插秧的替代是造成该环节低替代弹性的主要原因。在机插秧技术的采纳方面,以种植方式当期未发生改变的农户为参照组,家庭政治背景、种植面积、耕地块均面积和劳动力价格对播种方式由直播变为机插秧有显著的促进作用,而年龄则有显著的负影响;兼业化程度、水稻上期单产、本村是否有机插秧供给对播种方式由机插秧变为直播有显著的抑制作用,而种植业收入占比则有显著的正影响,这说明,劳动力成本的上升是农户采纳机插秧技术的重要原因,同时,村干部的带头示范作用、耕地的规模化以及机插秧服务供给主体的完善均能有效促进播种（插秧）环节机械化的实现。根据上述研究结论,结合我国农业发展的特征与现状,本研究提出应对劳动力成本上升、优化生产要素投入结构和推进农业全程机械化的政策建议:合理调控农业要素价格,不断完善要素市场机制;加大农业机械化的推广力度,不断完善社会化服务体系;促进农地规模化经营,发展农业新型经营主体;密切关注各生产环节对机械的差异化需求,促进农业全程机械化发展。

关键词： 两能级   发射体耦合   纳米机械振子   熵压缩   负值度   量子态转移   方差压缩  

摘要： 近年来,随着人们对纳米机械振子的不断研究,机械振子的尺寸已经可以做到微米甚至纳米量级。纳米机械振子有着较高的振动频率和品质因子,极小的质量以及较低的耗散,在高精度位移测量、力测量、质量测量和精确的量子计算等方面有着重要的应用。本论文对石墨烯机械振子与两能级发射体耦合系统以及金刚石NV色心耦合机械振子和腔场相互作用系统展开研究,介绍两能级发射体的熵压缩、纠缠和方差压缩的相关基础知识,并介绍上述两个物理模型以及相关模型的数学推导,主要内容如下:研究了两能级发射体耦合石墨烯机械振子系统中两能级发射体的熵压缩性质、量子纠缠和量子态转移以及声子场方差压缩。讨论了耦合系数,相干角和失谐量以及相干性对此系统中动力学特性的影响,并且还讨论了存在耗散时系统的动力学特性。结果表明两能级发射体的最佳熵压缩态可以通过调控相干角来制备,在一定条件下能够实现两能级发射体量子态到机械振子量子态的相干转移,以及通过调控相干角可以取得最大纠缠态和得到压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态。衰减因子会导致两能级发射体与机械振子之间交换信息的不断减少,从而影响最大熵压缩,纠缠和方差压缩的制备。研究了金刚石NV色心耦合机械振子和腔场相互作用系统中声子场的方差压缩动力学特性,分析了耦合强度以及金刚石NV色心初态对声子场方差压缩的影响。结果发现可以制备压缩时间长,压缩幅度大的声子场压缩态,其物理原因是机械振子具有最大相干性,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式。