关键词： 伞钻机械臂   轨迹规划   位姿控制   电液比例控制  

摘要： 随着国内煤矿开采深度不断加深,立井井筒施工技术的先进程度对矿井建设周期有很大影响。液压伞钻是矿山立井井筒开拓中的关键设备,其工作性能直接影响井筒开拓速度和安全生产。现在实际使用的伞钻液压控制系统中方向控制阀组均由手动换向阀组成,工作过程中需要人工实时调节进行钻孔定位,定位精度不高、效率低下,且存在一定的安全隐患,直接影响竖井开掘速度。因此对液压伞钻液压系统及其控制系统进行研究设计,提高其操控特性和工作效率具有重要意义。本文以YSJZ4.8液压竖井钻机为参照,以提高伞钻液压系统特性和实现自动控制为目标,以伞钻的机械臂为研究对象,结合具体工作环境,对该对象进行系统的特性研究和建模仿真。本文主要研究内容如下:首先,本文根据现有伞钻结构对其单机械臂进行三维建模,使用DH法求解运动模型正运动学方程,应用MATLAB验证运动学正解正确性,进而确定伞钻机械臂工作空间;应用牛顿迭代法求解运动学逆解,并对其进行仿真验证,验证结果表明:关节绝对误差最大值为1.2mm,且该算法程序简洁,可靠性高。其次,确定关节变量与对应液压缸之间的几何关系,简化三维模型得到动力学模型,根据拉格朗日方程得到关节力矩与关节转角之间关系;使用ADAMS软件建立虚拟样机,验证动力学方程准确性,仿真结果表明:计算值与仿真结果力矩变化趋势相同,且大臂关节较钻臂关节力矩误差大,分析了误差产生原因。在伞钻虚拟样机中生成刚柔耦合模型,为轨迹规划提供参考仿真模型。再次,分别在笛卡尔空间和关节空间中对轨迹规划方法进行解析,分别计算其模型驱动函数并以系统冲击最小为目标评价轨迹性能,对比结果表明:对于无中间点情况采用五次多项式轨迹规划系统冲击较小,对于有中间点情况采用贝塞尔曲线可优化系统运动性能。优化机械臂动作时间为4.7235s,系统运行平稳,无明显冲击现象。最后,改进原伞钻机械臂位姿调整模块液压控制系统,采用负载敏感泵为系统提供压力油液,对大臂液压缸与钻臂液压缸进行闭环控制,采用PID控制算法改善比例伺服阀输入信号,使用AMESim建立液压系统仿真模型,对几组目标位置进行仿真得到不同曲线的跟踪结果。仿真结果表明:动作液压缸最大稳态误差约为0.3mm,对应机械臂末端最大方向偏差约8mm。搭建伞钻机械臂实验平台,确定一随机目标点进行实验,实验结果表明:两组液压缸可快速完成工作任务,且目标点与最终点绝对误差11.4mm,满足伞钻机械臂运动精度及稳定性要求。本文以工程实际问题为背景,简化伞钻结构得到柔性串联机械臂研究模型,首先分析其运动学、动力学等特性,其次对模型进行轨迹规划与研究,最后设计液压系统并对其仿真,并以实验方法验证所得结论。通过以上研究提高了伞钻机械臂控制精度及工作效率,获得了刚柔耦合仿真模型及自动控制液压系统,对高精度液压机械臂控制系统的研究有参考意义。

关键词： 旋转机械   吸振器   变刚度   谐响应   临界消能  

摘要： 动力吸振器是结构振动控制学科领域的研究热点,它的基本工作原理是通过调整自身结构物理参数改变其固有振动特性。现阶段研究的特点是利用控制单元实现吸振器对主系统的半主动跟踪,在较大频率带宽上减小主系统振动。针对传统动力吸振器有效吸振带宽窄、变质量吸振器容易引入非线性因素的问题,本文提出一种线性变刚度调频吸振结构-圆截面悬臂式动力吸振器,通过在悬臂梁上附加一个可转动的圆截面质量块作为变刚度单元,使其在悬臂梁上的不同位置距离进给变化,对吸振器整体刚度调谐,最终实现被减振对象转子等效主系统一阶临界共振区能量耗散,提高转子结构有效工作转速带宽。本论文研究的主体内容如下:(1)在振动力学理论的基础上,分析了传统动力吸振器基本原理,包括P、Q定点理论及吸振器参数优化理论,并通过Matlab仿真分析得到悬臂梁-质量块耦合吸振系统结构参数变化对主系统的减振效果影响。(2)提出一种变刚度圆截面悬臂式动力吸振器,分析了悬臂式变刚度动力吸振器吸振原理,设计了其三维结构模型。利用Simulink仿真模型动态描述吸振器的固有频率与主系统的受迫振动频率靠近会增大吸振器子系统的振动幅值。表明利用吸振器对转子系统一阶临界共振区的消能减振在理论上的可行性。(3)求解悬臂式动力吸振器耦合结构的各阶模态固有频率,通过改变质量块在悬臂梁上不同位置距离,确定可以拓宽悬臂式动力吸振器的一阶固有频率带宽范围,提高对转子结构轴系临界振动控制的可适应性。(4)建立了悬臂式吸振器子系统-转子系统振动主系统三维模型,应用Ansys对单跨转子系统的三维模型进行了有限元网格划分,建立其有限元模型,后对此结构进行动力学Modal分析和Harmonic分析,得出单跨转子轴系前四阶约束模态振型,找到转子轴系在受迫振动响应下的位移最大响应点,判断利用吸振器可实现临界振动消能效果。(5)搭建了转子装置的实验测试系统,对变刚度动力吸振器能否对转子系统的消能效果进行实验研究验证。依据设计尺寸加工得到相对应的圆截面式悬臂梁质量块吸振器,通过改变质量块在悬臂梁上的不同位置来改变其等效刚度及固有频率,实现对转子系统的一阶临界转速的消能减振过程。后续搭建了多重吸振器对转子台进行消能吸振研究,验证对转子系统的最优消能减振效果。其实验结果表明,随着质量块在悬臂梁上的不同位置变化,动力吸振器可以在48 Hz-61 Hz范围内进行消能吸振,但在一阶临界转速min/r3600处消能减振效果最佳,使主系统振动幅值减小约14.5dB,说明该动力吸振器可实现转子系统的消能减振效果,其安装方式和设计尺外形可为后续研究提供参考。

关键词： 混合动力汽车   构型   机械创新性方法   设计   仿真  

摘要： 随着混合动力汽车的迅速发展,构型成为了各大汽车企业的研究重点,然而由于国外公司专利封锁,严重制约了国产混合动力汽车创新构型的发展。目前大多新构型由传统自动变速器衍生发展而来,然而许多构型设计并未进行详细分析,其构型的递推方法也缺乏理论支撑,传动系统缺乏整体评价。本文以单电机并联式混合动力汽车传动系统为研究对象,引入机械创新性方法进行构型设计,从机械运动链出发,着重构型设计过程,扩展出128种潜在的可行并联混合动力传动系统构型,并挑选其中一种潜在可行新型构型进行具体运行模式分析,根据受力平衡分析计算出各个运行模式下转矩关系,进行新型构型建模仿真分析,验证所选构型的合理性,也为运用机械创新性方法拓展设计更多潜在构型提供理论依据。主要研究内容如下:(1)分析当前混合动力汽车构型设计的国内外现状,总结国内混合动力汽车构型设计的局限性,阐述混合动力汽车构型设计研究的必要性。(2)以单电机并联式混合动力汽车为研究对象,分析现有的单电机并联式混合动力汽车的拓扑结构以及运行模式,详细比较后归纳出单电机并联式混合动力汽车的拓扑结构特性。(3)通过机械创新性设计方法,应用一般化规则得到单电机并联混合动力传动系统拓扑结构的运动链,根据其运动链连杆与运动副的数目,采用连杆类配方法得到一般化运动链。采用特定化程序,从一般化运动链图找出满足设计约束的可行特定化运动链图谱,除去同构类型后产生12种可行特定化运动链,利用具体化规则转换为相应的行星轮系的机构简图。(4)根据动力输入输出端约束与能量分配结构,对行星轮系的机构简图进行动力输入输出分配,合理布置发动机、电机与输出端;根据各个运行模式的要求与约束,合理分配离合器与制动器,获取满足各项条件的128种潜在可行构型。(5)选取某一具体新型构型进行具体分析,构建行星齿轮系统的输入输出关系,计算各个模式下转矩分配关系,建立其仿真模型,进行离线仿真,验证所选择的可行新型构型的合理可行性。

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： 水下机械臂   轨迹跟踪   水阻力矩   滑模控制  

摘要： 近年来,水下机械臂经过不断发展,现在已经被广泛应用到海洋资源开发工程的研究和应用中。水下机械臂工作环境具有高度的非线性,在浅水环境下作业的水下机械臂,其作业精度常常受到流体粘性阻力等实际环境影响。水下机械臂轨迹跟踪控制器的设计关系到水下机器人能否稳定工作,而机械臂各关节间角度、角速度等的运动控制是实现机械臂末端执行器精确工作的前提。因此,研究水下机械臂由闭合到展开轨迹的跟踪、运动控制等具有重要的理论与应用价值。首先,介绍了一种对机械臂各连杆进行建模的通用性方法D-H法。通过D-H法来建立机械臂坐标系,整理并填写由水下机械臂的连杆扭角、连杆偏置、关节转角、连杆长度等参数组成的信息列表,然后通过齐次坐标转换建立机械臂在笛卡尔空间中的几何关系。正运动学问题研究的是在知道机械臂各连杆参数信息的情况下,运用齐次转换矩阵推算出末端执行器的运动位姿。与之相反,逆运动学问题研究的是在已知水下机械臂的连杆扭角、连杆偏置、连杆长度等参数信息并且知道末端执行器位姿的情况下,通过欧拉变换推算出机械臂各连杆的关节转角。然后,运用切片理论分析并推导机械臂各连杆所受水阻力及附加质量力等非线性作用力,建立较为精确的水下两关节机械臂系统的动力学方程。搭建水下机械臂仿真模型并运用ODE45求解动力学方程。对比分析有无水阻力对机械臂运动轨迹的影响。最后运用滑动模态控制理论,通过构造与角度跟踪误差、角速度跟踪误差有关的滑模面,设计滑模自适应控制律,完成对水下机械臂角度、角速度轨迹跟踪的仿真。最后,针对多关节水下机械臂的轨迹跟踪问题,在滑模控制理论的基础上,引入径向基神经网络模型,建立了基于神经网络的轨迹跟踪滑模控制器。利用径向基神经网络对水下机械臂的水阻力、附加质量力及不确定性波浪流干扰等非线性耦合力进行非线性函数逼近,然后在控制律中加入鲁棒项来消除逼近误差,并通过李雅普诺夫稳定性理论设计权值矩阵的更新律,确保了系统的全局稳定性。最后对两关节水下机械臂进行仿真实验,验证基于该方法所设计的控制算法具有很高的轨迹跟踪精度和鲁棒性。

关键词： 分子动力学模拟   丁腈橡胶   摩擦磨损   碳纳米管   石墨烯  

摘要： 高分子材料凭借其优异的力学和热力学性能、抗摩擦磨损特性、轻质、抗腐蚀性和价格低廉等优点被广泛应用在农业、石油化工、海洋、航空航天等科技领域。但高分子材料在应用中,常常承受高温、高压、磨粒磨损等复杂因素的耦合作用,导致基体材料出现过早断裂和磨损等失效情况,缩短了设备使用寿命,造成了大量的经济损失。因此,探索高分子材料失效机理和研究提升其机械和摩擦磨损特性的方法具有十分重要的意义。目前,混入炭黑、白炭黑和纤维等传统补强体系仍被广泛使用,但该类补强体系通常具有不可再生、难易降解、比表面积低等局限性。导致了环境污染并损坏高分子轻质这一重要特性,并且其补强能力也十分有限。基于连续理论的计算和宏观的实验研究仍然是现阶段主要的方法和途径。在原子维度的结构构象和体系随时间变化的过程却无法进行实时观测和分析,微观理论分析与支撑十分薄弱。近年来,随着纳米技术和材料科学的不断发展,以碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GNS)为代表的碳纳米材料,凭借其良好的力学和热力学性能、高比表面积、轻质等优异性质,可以打破传统补强体系的局限性,成为新一代高分子材料的理想纳米补强体系。同时,随着纳米技术与计算机技术的不断结合,分子动力学理论逐步成熟,利用该方法不但可以得到体系内原子的运动轨迹,还可观察到原子运动过程中的各项微观细节,同时又可以计算材料的宏观性质,它是对理论计算和实验研究的有益补充。本文旨在从微观维度出发,揭示碳纳米材料增强高分子基体机械和摩擦磨损性能的微观机理,探索提升高分子基体各项性能的方法与手段。文中构建了CNTs、GNS增强高分子基体的分子模型,利用分子动力学模拟分析了纳米复合材料的宏观性能,模拟结果表明,通过加入CNTs和GNS,高分子基体的弹性与剪切模量、拉伸强度、硬度、断裂性能等性能均得到有效提升。通过对原子浓度、径向分布函数、界面能量等微观信息的计算和统计,讨论并揭示了碳纳米材料对高分子基体机械性能补强的微观机理,研究发现,CNTs与GNS表面的范德华力与静电作用力可黏结吸附周围的高分子链段,高分子基体更加坚固,同时提升了高分子基体自身强度,保证了应力在基体内的均匀传递,并且可以在裂纹处起到有效的连桥作用,从而可有效抵抗外载荷作用和延缓裂纹扩展。对比分析了CNTs与GNS补强高分子基体机械性能的差异性,构建了同等质量分数的CNTs和GNS补强高分子基体的分子模型,利用分子动力学模拟了碳纳米材料从高分子基体内的拔出行为和拉伸过程。从微观角度分析了两者之间差异与材料失效的微观机理。模拟结果显示,由于GNS特有的二维原子构型,相较于CNTs具有更高的比表面积,可提供更大的表面吸附力,形成更强的补强界面,延缓高分子基体断裂失效,从而提升了对高分子基体在各个方面的补强能力。文中构建了CNTs、GNS/橡胶复合材料与金属之间的摩擦副分子层模型,利用分子动力学方法模拟两者之间的摩擦行为,同时模拟了不同径向压力与摩擦速度下的摩擦行为,计算了摩擦系数与磨损量等摩擦学性能参数,通过计算和统计摩擦过程中的原子浓度分布、界面能量、原子速度、分子键能量等微观信息,揭示了不同情况下橡胶材料与金属之间的摩擦机理,讨论了CNTs与GNS在增强橡胶材料摩擦学性能中的作用。研究表明,由于CNTs与GNS表面的范德华力和静电力的作用,橡胶分子链被牢牢吸附在碳纳米材料表面,改善了橡胶基体内部的应力传递和抗剪切变形等性能。同时摩擦界面的摩擦应力、温度和原子运动活性得到有效降低,提升了其抗摩擦能力。本文最后提出了表面官能化GNS和交联GNS两种新型纳米补强材料,分别构建了不同改性下的GNS增强高分子基体复合材料的分子模型,模拟分析了复合材料的机械性能、热力学性能与摩擦学特性,着重对比了表面改性前后,基体内补强界面的差异,从微观角度揭示其增强机理。模拟结果表明,将GNS与高分子进行交联处理后,高分子链可同时被石墨烯表面的范德华力、静电作用力和交联化学键所吸引和束缚,产生了更强的补强界面,降低了高分子链的运动活性,缩小了基体内的自由体积,可有效抵抗外载荷作用,提升了高分子基体的机械、热力学以及摩擦学性能。

关键词： Ball milling   Carbothermic reduction   Nickel oxide   Non-isothermal kinetics   Thermo-gravimetric analysis (TGA)  

摘要： The effect of mechanical activation on the carbothermic reduction of nickel oxide was investigated. Mixtures of nickel oxide and activated carbon (99% carbon) were milled for different periods of time in a planetary ball mill. The unmilled mixture and milled samples were subjected to thermogravimetric analysis (TGA) under an argon atmosphere and their solid products of the reduction reaction were studied using .132D experiments. TGA showed that the reduction of NiO started at similar to 800 degrees C and similar to 720 degrees C in un-milled and one-hour milled samples respectively whilst after 25h of milling it decreased to about 430 degrees C. The kinetics parameters of carbothermic reduction were determined using non-isothermal method (Coats-Redfern Method) for un-milled and milled samples. The activation energy was determined to be about 222 kJ mol(-1)for un-milled mixture whilst it was decreased to about 148 kJ mol(-1) in 25-h milled sample. The decrease in the particle size/crystallite size of the milled samples resulted in a significant drop in the reaction temperature.

关键词： Adsorption mechanism   carbonate rock   isotherm   kinetics   SDBS  

摘要： In this study, kinetics, equilibrium, and mechanisms of SDBS adsorption onto carbonate rock in presence/absence of alkaline/electrolyte, which is not well discussed in the available literature, is analyzed through batch experiments. Analysis of kinetic data showed that adsorption rate of SDBS onto carbonate is controlled by both boundary layer and intraparticle diffusion, also adsorption kinetics meets pseudo second-order model. The coefficient of kinetic model is a linear function of initial and equilibrium concentrations. The adsorption isotherm experiences four distinct regions, with a rising trend in the first regions until reaching to a maximum after which decreases slightly, as the fourth region, due to micellar exclusion. The prevailing mechanisms in other regions were also discussed. Presence of alkaline changes adsorption mechanisms, so that adsorption isotherm matches well with the Langmuir model, while presence of electrolyte does not change the adsorption mechanisms, but it lessens repulsion between surfactant heads which results in a slight reduction in amount of CMC. A new three-parameter equilibrium model is presented which considers all prevailing mechanisms, and matches properly with obtained experimental data, especially the decreasing trend of fourth region which is very difficult to predict along with other regions using a unique isotherm model. [GRAPHICS] .

关键词： 制造物流系统   连续/离散系统   链束/节束振荡   物流动力学   混沌  

摘要： 随着现代信息技术的快速发展,制造过程的不确定干扰越来越弱,各部分联系越来越紧密,作业配合越来越协调,制造系统状态变化的离散性减弱,连续性增强,这就使得基于不确定性数学的离散事件动态系统理论对制造系统问题的研究显得理论不充分,因此论文结合现代信息技术对制造生产系统的推动、变革和发展,从生产系统物流的规划、资源配置、随机动态过程的研究转向基于系统物流结构、功能和过程的动力学本质和应用研究。论文重新对制造系统的主要物流现象进行了界定和分析,基于非线性系统动力学理论对制造系统的生产物流现象进行了深入的理论分析和仿真研究,分析了制造系统作业任务量与加工工件实体流的相互作用关系,构建了面向时间、空间、状态连续变化的制造系统的生产物流理论框架,建立了单机制造、多机串行制造和多机串/并行制造工件实体流的动力学模型,探讨了生产物流的混沌现象与控制方法,揭示了制造系统生产线工件实体流的振荡机理。论文按照多体结构理论分析了制造系统的物流结构与功能,明确了制造系统与物流系统的基本组成、结构/功能属性,提出了生产系统物流组织的“链束摆荡”和“节束振荡”的两个生产物流作业原理。按照非线性动力学理论对制造物流系统进行了动力学分析,引入多体结构理论和非线性系统动力学理论,提出了制造系统物流动力学的概念,针对制造系统连续/周期物流问题,建立了机械制造系统中的物流动力学模型,提出了制造系统物流动力学分析方法,给出了制造系统物流动力学的Duffing一般数学模型。论文分析了单自由度非自治制造物流系统在任务量激励和环境时变参数激励下的的物流振荡行为和规律,研究了制造系统物流受迫共振的振荡规律,给出了其一次近似解和定常解的稳定性条件。分析了具有自激因素的制造系统物流受迫振动的非线性和振荡行为,给出了非共振与共振两种情况下分别对应的一次近似解和定常解,以及非共振条件下自激振荡条件,进行了共振条件下定常解的稳定性分析。论文研究了由两台机器组成的制造系统进行一种/两种类型零件的串/并行制造的物流非线性动力学问题,利用Hogg-Huberman多agent宏观行为模型拟合具有串/并行结构的制造物流系统的物流动力学行为,拓展了Hogg-Huberman物流动力学模型,按照Hogg-Huberman理论即吸引子稳态理论把物流稳态不动点的寻找过程有效地转化为纳什平衡点的寻找过程,分析了两类并行制造系统的物流稳定性和分叉现象,仿真了在倍周期分叉出现后的物流混沌行为。论文提出了制造物流连续动力系统的时间离散化模型和混沌控制方法。按照制造物流连续动力微分方程与时间离散动力差分方程的映射互换性原理,通过制造物流系统的物流差分结构模型刻画了物流作业的实际过程,给出了装配物流系统的Malthus模型、Verhulst模型、Fibonacci模型、Battle模型等不同物流作业模型,分别进行了模型分析。基于制造系统物流混沌控制的理论,给出了物流混沌控制的理论依据和数学判据。论文最后给出了单自由度串行制造系统和多自由度串/并行制造系统物流动力学数学模型,设计了中间缓冲区,通过制造系统的物流仿真,分析了实际制造过程物流输出的规律与存储空间大小的联系,并且证明了存储空间量存在一个最佳有限值。

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。