关键词： 柴油机   扭振   随机振动   MLP法   多尺度法  

摘要： 在工农业领域中,旋转机械是使用范围非常广的机械设备。随着现代科学技术的不断进步,市场对旋转机械的要求日益提高,其安全性和稳定性成为当前研究的重点。在对其内部结构进行理论分析的过程中,发现旋转机械轴系扭振系统存在着许多非线性随机振动特性。因此,研究旋转机械轴系扭振系统的动力学特性是保证设备平稳、快速运行的重要因素。将柴油机轴系扭振系统模化成两圆盘系统、三圆盘系统两种研究模型。通过使用机电分析动力学中的Lagrange方程,针对系统的两种研究模型分别建立非线性振动微分方程。对柴油机轴系扭振强非线性系统模化成两圆盘系统时的数学模型进行深入的理论分析。在n≠2和n=2两种情况下分别对系统进行了分析,应用MLP法解决系统主共振、3/1次亚谐共振和3次超谐共振问题,从而得出系统的幅频响应方程。逐一对系统中的参数进行改变,从而得出对系统响应特性的影响。在对系统主共振进行分析时,应用了两种非线性分析方法,即MLP和改进的多尺度法。由于选取的时间尺度不同,消除永年项条件不同,设解不同等众多因素的影响,导致系统的幅频响应方程有微小差别。对有界窄带激励下柴油机轴系扭振强非线性系统的主共振和主参数共振的响应特性利用改进的多尺度法进行分析。得到柴油机轴系扭振系统稳态解时的幅频响应方程,进而导出Ito微分方程,采用矩法得出系统二阶矩的近似表达式。对柴油机轴系扭振多自由度强非线性系统模化成三圆盘系统时的数学模型进行深入的理论分析。应用改进的多尺度法对不考虑阻尼项时系统双重共振的两种情况分别进行分析得出系统的幅频响应方程。发现在对柴油机轴系扭振强非线性系统的阻尼项不予考虑时,1:2关系的内共振限制了系统振幅的无限大。

关键词： 空间柔性机械臂   碰撞力模型   轨迹跟踪   振动抑制  

摘要： 近年来随着空间探索事业的不断开拓和发展,空间机械臂因其优越的运动特性和负载能力在空间操作任务中得到广泛的应用。由于空间机械臂一般具有臂杆细长、结构刚度低等特点,导致其臂杆柔性特征明显,而其在执行目标捕获、转位对接等接触碰撞型任务时所产生的接触碰撞力不仅会引起基座姿态扰动,还可能加剧柔性臂杆的变形与振动,从而影响机械臂末端的操作精度和整个系统的稳定性,甚至可能使目标逃逸导致任务失败。此,迫切需要针对空间柔性机械臂执行目标捕获、对接任务中的关键理论技术开展研究,这对空间技术的发展具有重要的理论意义和应用价值。本文针对空间柔性机械臂目标捕获、对接任务中的柔性机械臂建模、多体系统碰撞动力学建模以及柔性机械臂的轨迹跟踪和振动抑制等关键理论技术开展研究,并通过数值仿真和实物实验对有关理论的有效性进行验证。主要研究工作如下:首先,在考虑臂杆多维柔性的条件下开展空间柔性机械臂运动学和动力学建模研究。基于悬臂梁模型和假设模态法,提出了一种同时考虑位于臂杆大范围刚性运动平面内和垂直于该运动平面的臂杆柔性变形的柔性臂杆建模方法以提升对臂杆变形描述的准确性;基于DH参数法和转换矩阵推导了考虑臂杆多维柔性的机械臂正向运动学方程和各杆件间速度、角速度递推关系,并基于矢量积法推导了柔性杆件模态坐标的雅克比矩阵;在求解了柔性臂杆动能和势能的基础上,基于拉格朗日方程推导建立了柔性机械臂的动力学方程,并在此基础上推导了关节处于自由、锁死和受控三种状态下的系统响应方程。其次,开展单柔性杆的碰撞动力建模研究,并分析其碰撞响应。基于牛顿第二定律和欧拉方程推导了单体的普适动力学方程,并在此基础上结合赫兹阻尼碰撞力模型建立了单体与单体间的碰撞动力学方程;进一步的基于拉格朗日方程和赫兹阻尼碰撞力模型推导建立了单柔性杆碰撞动力学方程;通过MATLAB数值仿真和ANSYS/ADAMS软件仿真对比验证了所建立模型的有效性和精确性。然后,对空间柔性机械臂执行碰撞捕获任务过程中的关键理论技术进行研究,包括多体碰撞动力学建模、碰撞捕获构型优化技术、轨迹跟踪和振动抑制。基于机械臂动力学方程和赫兹阻尼碰撞力模型建立了柔性多体系统碰撞动力学方程,并采用等效质量法对机械臂的碰撞捕获构型进行优化以减小碰撞响应;采用非线性解耦反馈控制方法对机械臂轨迹跟踪进行控制并利用线性二次型最优控制方法(LQR方法)对机械臂的残余振动进行主动的抑制控制。最后,针对空间机械臂的碰撞理论进行实物实验验证。通过对实验结果的整理和分析,得到了与预期目标较为相符的实验结果,验证了本文中空间机械臂多体系统碰撞动力学模型的正确性与有效性。

关键词： 运动力学   机械结构设计   应用分析  

摘要： 时代的发展伴随着科技的进步,而一些基础科目的发展也是有目共睹的,特别是对于这些科目研究的逐步深入化,往往会对我们的生活带来重要的意义和价值。物理学就是其中重要的一类,对于现代生活而言,物理学的运用相对较为广泛,甚至对于我们的衣食住行都将带来更多影响。特别是对于当前时代而言,物理学已经贯穿到我们的生活之中,与生活的方方面面息息相关,而研究其在我们生活中的应用价值也显得格外重要

关键词： 华中科技大学   海水液压   浮力调节   水液压传动   细水雾   液压阻尼器   机械科学   基础零部件  

摘要： 国务院颁布《中国制造2025》,这是我国全面推进实现制造强国三步走战略第一个十年的行动纲领。《中国制造2025》已把强化基础零部件(元器件)能力列为战略任务重点,并明确提出2020年40%核心基础零部件、2025年70%核心基础零部件实现自主保障目标。《液压气动与密封》杂志作为行业媒体,与行业全心全意践行装备制造业的"主机与配套同步发展战略",执行"尽快扭转重要配套件依赖进口局面"的艰巨任务。坚持"面向企业、面向生产、面向应用、

摘要： Granular media are one of the most common, yet least understood forms of matter on earth. The difficulties in understanding the physics of granular media stem from the fact that they are typically heterogeneous and highly disordered, and the grains interact via nonlinear contact forces. Historically, one approach to reducing these complexities and gaining new insight has been the study of granular crystals, which are ordered arrays of similarly-shaped particles (typically spheres) in Hertzian contact. Using this setting, past works explored the rich nonlinear dynamics stemming from contact forces, and proposed avenues where such granular crystals could form designer, dynamically responsive materials, which yield beneficial functionality in dynamic regimes. In recent years, the combination of self-assembly fabrication methods and laser ultrasonic experimental characterization have enabled the study of granular crystals at microscale. While our intuition may suggest that these microscale granular crystals are simply scaled-down versions of their macroscale counterparts, in fact, the relevant physics change drastically; for example, short-range adhesive forces between particles, which are negligible at macroscale, are several orders of magnitude stronger than gravity at microscale. In this thesis, we present recent advances in analytical and computational modeling of microscale granular crystals, in particular concerning the interplay of nonlinearity, shear interactions, and particle rotations, which have previously been either absent, or included separately at macroscale. Drawing inspiration from past works on phononic crystals and nonlinear lattices, we explore problems involving locally-resonant metamaterials, nonlinear localized modes, amplitude-dependent energy partition, and other rich dynamical phenomena. This work enhances our understanding of microscale granular media, which may find applicability in fields such as ultrasonic wave tailoring, signal processing,

关键词： 压力机   运动学   动态静力学   刚体动力学   弹性动力学  

摘要： 多连杆机械压力机与传统的曲柄—滑块压力机相比,具有冲锤运动可控性强、精度高、效率高、噪声低、振动小、模具寿命长等优点,可实现复杂的成型工艺,满足多种冲压作业要求。在汽车、航空航天、电子通信等领域具有广泛的应用。本论文以六杆肘杆式机械压力机机构为研究对象,对其动态静力学、刚体动力学和弹性动力学进行了深入系统的研究。主要研究内容如下:首先,对六杆肘杆式机械压力机进行运动学分析。运用复数矢量法建立了压力机的运动学方程,分析了压力机的可动性,得出杆长范围,确定初始杆长。运用Matlab对压力机机构运动学进行数值计算,求出压力机冲锤的位移、速度、加速度曲线,并基于Adams对压力机的运动学进行虚拟样机仿真分析,验证运动学分析的正确性。其次,对六杆肘杆式机械压力机进行动态静力学分析。对各构件进行受力分析,运用达朗贝尔原理建立动态静力学模型。运用Matlab对压力机机构的动态静力学进行数值计算,得出压力机机构在空载和加载情况下运动副约束反力和曲柄平衡力矩,并基于Adams对压力机的动态静力学进行虚拟样机仿真分析,验证动态静力学分析的正确性。然后,对六杆肘杆式机械压力机进行刚体动力学分析。选取曲柄的角位移为广义坐标,列出压力机的动能、势能表达式,确定其广义力,运用拉格朗日方程建立刚体动力学模型。运用Matlab对压力机的刚体动力学进行数值计算,得出压力机在空载和加载情况下曲柄驱动力矩,并基于Adams对压力机的刚体动力学进行虚拟样机仿真分析,验证刚体动力学分析的正确性。最后,对六杆肘杆式机械压力机进行弹性动力学分析。运用有限元方法将柔性构件划分为多个梁单元,并运用拉格朗日方程建立了单元的弹性动力学方程。建立了系统的约束条件,将单元的弹性动力学方程装配得到了系统的弹性动力学方程。采用Newmark方法求解了该弹性动力学方程,并分析了系统的运动学误差、杆件的应力和系统的固有频率随时间的变化规律。

关键词： 转子动力学   机械化数学   应用  

摘要： 现代化科学技术的进步,在推动了现代力学研究领域发展的同时,也延伸出了一些高阶、高维、非线性难以解决的复杂问题,单纯依靠数值方法或是人工演算和推导解析法都很难完成这些力学问题(复杂方程描述)深入研究分析.尤其是转子动力学中,要想深入研究其特性,就必须探索能够解决高维非线性动力系统的新方法.由我国数学家吴文俊先生主导开创的机械化数学研究领域,在转子动力学研究中的运用,为探析复杂动力学系统特性提供了更多的可能性.本文针对机械化数学,简要探讨了其在转子动力学研究中的运用.

关键词： 机械产品   动力设计   转动  

摘要： 随着新材料、新工艺、新方法的逐渐引入,机械产品除要求能实现预期的功能外,还应使设计出的机械系统满足运行可靠、对环境污染小等一系列要求。设计质量的实验是产品设计的重要组成部分,通过设计实验能对机械产品的主要功能、辅助功能、结构性能、工作性和工艺性能进行检验。本文说明了机械产品的动力与传动设计原则,并针对机械产品设计质量检验的总体结构和功能结构设计进行了具体阐述。

关键词： 转子刷式密封系统   流场分析   non-Darcian多孔介质模型   刷式密封密封力   非线性动力学特性   稳定性  

摘要： 我国两机重大专项的实施,对燃气轮机的研发提出了更高的要求,刷式密封性能优越,能有效地提高其工作效率和推力。高温高压高速运行时燃机常发生一些复杂的动力学行为故障,严重影响了系统的安全性和可靠性,而密封力和油膜力是引起转子系统失稳的主要因素之一,深入开展燃气轮机转子-轴承-密封系统非线性动力学特性的研究显得越来越重要。当前国内外学者对刷式密封转子系统的动力学特性的研究,大都是通过CFD仿真或者针对某具体结构进行实验测试。但这些研究还不完善,刷丝的力学行为特性和流体流动特性的耦合,以及刷丝与转子表面接触、刷丝束内部流体对密封动力学特性的影响都有待进一步研究。本文为优化燃气轮机轴系密封结构(包括单环刷式密封与复合刷式密封结构),建立了相应的转子系统计算模型,考虑了密封的结构参数和运行参数对刷式密封流动特性、密封力以及系统非线性动力学特性的影响,提出了关键结构与运行参数的选取范围,为燃气轮机的动力学设计提供了理论支持。主要研究内容、方法和成果包括以下几方面:对刷式密封的流场进行了分析研究。采用基于non-Darcian多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程数值求解方法,并通过与参考文献的结果进行对比验证了本文方法的正确性。建立了CFD计算模型,分析了径向间隙、刷束厚度、刷束栅栏高度、压比以及转速对单环刷式密封泄漏流动特性的影响。对复合刷式密封泄漏流动特性及转子表面、刷束自由高度和刷束栅栏高度的压力、速度、湍流动能分布规律进行了数值研究,然后着重分析了径向间隙对复合刷式密封泄漏流动特性的影响,并与相同结构参数的平齿迷宫密封进行了相应对比。研究发现泄漏量随着径向间隙的增加而上升,转子表面的轴向压力和湍流动能从进口到出口呈现阶梯状递减趋势,刷束下半部分和后挡板保护高度对泄漏特性影响比较明显。采用计算流体力学方法对刷式密封的动力学特性进行了分析。通过建立刷式密封的CFD计算模型,分别讨论了刷束厚度、刷束栅栏高度以及径向间隙等几何参数和运行参数对单环刷式密封流动特性、气动力、刚度系数以及阻尼系数等动力学性能的影响。研究发现交叉刚度系数和直接阻尼系数都将随刷束厚度、径向间隙和压比的增加而增加。并分析了径向间隙对复合刷式密封动力学特性的影响。考虑了气流力与转子偏心的共同作用,并基于弯曲变形理论对转子-密封系统的受力进行了分析。通过伯努利-欧拉方程和叠加法进一步分析建立了气流力和转子偏心作用下的力学模型,分析了偏心距、摩擦系数、气流均布力以及刷丝倾角、初始位置角等不同结构参数和运行参数对单根刷丝以及整圈刷丝束作用下的转子受力的影响。并通过系数拟合得到了刷式密封受力的计算表达式。搭建了转子-密封实验系统实验台,通过实验测试分析了密封力对系统的临界转速和振动特性的影响。研究发现考虑气流均布力时转子受到的作用力要明显大于不考虑气流力的情况,且作用力将随气流力的增大而增加;理论计算结果与实验结果基本一致,验证了刷式密封力学模型的正确性。应用刷式密封力学模型建立了转子-密封系统非线性动力学模型。讨论了不同的结构参数和运行参数如转子转速、刷式密封安装间距、转子阻尼和转子质量等关键参数对系统非线性动力学特性的影响。发现在密封力的作用下系统的临界转速有所提高,低转速情况下无密封力作用时系统的振幅和功率谱要稍大于有密封力的情况,而高转速情况则正好相反;随着安装间距的增加,系统的振幅有所减小;增大系统阻尼和减小转子质量能有效地提高系统稳定性。采用了刷式密封力模型以及基于短轴承理论的非线性油膜力模型,以此建立单盘转子-轴承-密封系统和燃气轮机转子-轴承-密封系统的动力学模型。并采用四阶龙格库塔法求解无量纲运动方程。然后分析了转子转速、刷式密封安装间距、圆盘偏心距、圆盘质量以及轴颈质量等主要参数对系统振动响应与动力学特性的影响。研究发现随着转子转速的上升,转子-轴承-密封系统交替地经历了多种运动形式;转子振动幅度将随着刷式密封安装间距的增大而减小,随圆盘质量偏心距的增大而增加;低转速下随着圆盘质量和轴颈质量的增加,系统的非线性运动形式将变得更复杂;高转速或大圆盘质量情况下,油膜涡动与油膜振荡将更容易出现。

关键词： 空间自由漂浮机械臂   视觉伺服   递推自适应   深度独立雅克比  

摘要： 空间机械臂广泛地应用于空间在轨服务(OOS:On-orbit Servicing),在空间机械臂在轨捕获过程中,需要控制机械臂末端执行器跟踪目标航天器,传统的基于位置的跟踪方案需要估测目标航天器在惯性系下的位置与速度,对设备要求较高,计算复杂,同时空间自由漂浮机械臂的动力学参数常常具有不确定性,由于化学燃料的存在,动力学参数在伺服过程中可能发生变化,影响跟踪效果。为了解决上述问题,本文研究了空间在轨服务捕获过程中,空间自由漂浮机械臂手眼构型下基于图像的跟踪目标视觉特征的控制。在被跟踪目标的运动未知以及系统的动力学参数存在不确定性的假设下,为了估计目标的运动以及特征点的深度信息,推导了深度独立视觉雅克比矩阵并基于深度独立视觉雅克比矩阵设计了目标特征点运动估计器。同时设计了动力学自适应控制器控制空间自由漂浮机械臂的运动,估计动力学参数,使特征点图像误差收敛至零。文章使用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性以及图像误差渐进收敛。证明了自适应控制器对时变参数的鲁棒性。在平面三自由度以及六自由度三维空间机械臂上的仿真证明了控制器的有效性。本文的主要贡献有以下几点:1.推导空间机械臂的深度独立矩阵,并基于深度独立矩阵设计了目标特征点运动估计器。2.推导扩展空间漂浮基座机械臂的动力学方程,克服了经典动力学方程无法线性化的困难,据此设计了动力学自适应控制器。3.结合传统的动力学自适应控制方案与深度独立矩阵的视觉伺服方案,设计了视觉自适应控制器,证明了系统的稳定性与控制器的鲁棒性。4.由于高自由度空间自由漂浮空间机械臂的动力学方程高度复杂,解析表达式难以推导使用的特点,使用基于空间矢量法的递推视觉自适应控制完成输入力矩的计算,仿真证明了控制器的效果。