关键词： 内燃机   直线电机   有限元   集成   优化设计   稳健性  

摘要： 内燃机是一种将热能转化为机械能的热机,因技术成熟,目前被广泛应用。但随着社会对电力需求的日益增加,传统内燃机单一能源的输出已无法满足多元动力需求。传统发动机驱动发电机组虽实现了电力输出,但增加了整体结构的体积和重量,限制了其进一步的应用和发展。永磁活塞机械电力发动机将直线电机与传统内燃机耦合一体,在输出机械动力的同时,可对外输出电力。电动力机构的设计优化对其提高能效、减小结构体积具有重要意义。本文论述了永磁活塞机械电力发动机的结构与工作原理,并建立了发动机电动力结构的数学模型。考虑发动机自身的结构特点,利用磁路法建立了电动力结构的等效电路,推导出了多项电磁性能参数表达式,为有限元仿真提供了理论基础。完成了电动力结构性能的有限元分析。基于Ansoft Maxwell软件建立了三维有限元仿真模型,仿真分析发动机电动力结构参数对其电磁性能的影响,求解计算得到不同参数下发动机电动力结构输出电流的波形和大小(有效值和峰值)的变化规律。通过比较分析仿真结果确立优化变量,为后期优化提供了参考依据。搭建了永磁活塞机械电力发动机电动力结构的优化模型,形成了优化软件与电磁分析软件相集成的优化方法。以永磁体轴向和径向长度,永磁体包角以及齿槽宽和齿槽高为优化变量,以输出功率最大、永磁体用量最小为目标创建优化模型,运用Isight软件集成Ansoft Maxwell软件设计优化框架,基于NSGA-II优化算法迭代寻优,得到Pareto最优解集。最终确定了电动力结构最优结构尺寸参数,实现了对发动机电动力结构本体的优化设计。通过仿真分析验证了优化结果的有效性。综合对比优化前后发动机电动力结构的磁场强度、空载电动势、输出电功率等,优化后发动机电动力结构的各项输出性能参数均有所提升。其中通过计算优化前输出电功率有效值为5w,确定性优化后提高到8.402w,提高了68.04%。考虑不确定因素对仿真模型的影响,对确定性优化结果进行了6Sigma分析及优化。优化后电动力结构的输出功率为8.14w,与优化前相比提高了62.8%,最终确定了发动机电动力结构的最佳尺寸参数组合。鉴于发动机电动力结构的工作环境恶劣,计算分析了永磁体的温度场分布,其最高温度达382K,满足衫钴永磁体的工作要求。

关键词： 生物质气化   焦油   聚多巴胺   Fe2O3   催化裂解  

摘要： 氢动力运载机械因其零排放的优点,有效的解决碳排放的问题。生物质制氢技术是为氢动力运载机械提供燃料的方法,其中的生物质气化技术是一种可以将生物质能转化为可燃气的技术,但是在过程中会产生焦油。焦油的产生会制约生物质气化系统的气化效率,还会使气化系统中的管道发生堵塞,甚至会腐蚀气化系统的设备,因此需要找到去除生物质焦油的方法。本文采用聚多巴胺为载体,Fe为负载金属,制备了一种纳米金属碳基催化剂。利用甲苯作为焦油模型化物,在固定床反应装置上进行了纳米金属碳基催化剂的甲苯催化裂解性能测试,并对催化剂的催化机理进行了研究。首先,文本考察了制备催化剂时的活化温度、活化水蒸气浓度和金属负载浸渍液中的Fe浓度对聚多巴胺炭物理化学特性的影响。BET的表征结果显示,聚多巴胺炭经过水蒸气活化后,比表面积和孔体积明显增大,在活化温度800°C、活化水蒸气浓度10%时达到最大值,比表面积和孔体积分别为735.17m/g和0.319 cm/g。XRD和XPS表征结果表明,负载在聚多巴胺炭载体表面的金属主要以FeO形式存在。SEM、TEM、氢气脉冲吸附等表征结果显示,催化剂表面的Fe颗粒的平均粒径为30.5 nm,并且这些纳米Fe颗粒均匀地分散在聚多巴胺炭载体上。其次,本文研究了不同Fe负载量对催化剂结构和催化剂对甲苯催化裂解性能的影响,并且分析了催化剂对甲苯的催化裂解机理。甲苯脱除实验结果表明,随着Fe负载浓度的升高,甲苯脱除效率先增大后减小,在Fe负载浓度为5%时表现出最大脱除效率。随后对甲苯脱除实验收集的尾气进行气相色谱分析,发现载铁聚多巴胺炭对甲苯催化转化产生的气体具有较高的氢气选择性,氢气选择性在90%左右。甲苯脱除实验前后催化剂的FTIR表征结果显示,催化剂对甲苯的催化作用是氢键作用、n-π相互作用、π-π相互作用和金属颗粒与碳载体之间的协同作用。最后,本文通过专业软件对载铁聚多巴胺炭催化剂和焦油模型化合物进行建模并且进行吸附计算。探讨不同FeO含量对催化剂的物理化学性质和对焦油模型化合物的吸附量的影响。结果发现适量的添加FeO可以提高催化剂吸附焦油模型化合物的能力,过高过低地改变FeO的含量不能使催化剂达到最佳吸附能力,验证了实验部分FeO含量对催化剂催化性能的影响。

关键词： 农业劳动力老龄化   农业机械应用   农地转入   调节效应  

摘要： 随着工业化及新型城镇化建设的推进,城市发展步伐逐步加快,农村发展却暴露出诸多问题,如农村地区劳动力外流、农业劳动力老龄化、农地无人耕种等问题,严重制约农业农村高质量发展。农村青壮年劳动力外流致使农业生产者多为老龄群体,这在一定程度上制约了农业高质量快速发展,从而使得农村地区土地出现撂荒现象甚至“无人耕种”的问题。因此,加快转变农业生产方式,促进农村地区农地流转是解决这一问题的有效途径。推动农村地区实现农地流转,促进农地适度规模经营,将农业生产要素充分结合,发挥要素综合水平,整合有利于土地资源的要素,最终实现资源有效配置。农地流转是促进农业生产要素优化配置与农业适度规模经营的主要途径。本文基于中国劳动力动态调查数据,实证分析了农业劳动力老龄化与农业机械应用对农地转入的影响。结果表明:农业劳动力老龄化抑制家庭农地转入,且农业劳动力老龄化程度越深,对农地转入的抑制作用越明显;农业机械应用对农地转入存在显著正向影响,且能够有效缓解农业劳动力老龄化对农地转入的负向影响;仅东部和中部地区,农业劳动力老龄化对农地转入存在显著负向影响,农业机械应用均显著正向影响农地转入。因此,应继续提升农业机械应用水平,加快农业生产效率的提高;完善农村农地经营补偿机制,创造老龄农户生产经营条件;加大新型农业经营主体培育力度,提高种田农户职业素质;针对地区差异,发展实用性强的农业机械,缓解农业劳动力老龄化对农业生产的不利影响,从而提高农民农地转入参与积极性,实现农业规模经营。

关键词： 无理项   全局分岔   混沌   初值敏感性   分形吸引域  

摘要： 本文以几类含无理项非线性的典型机械振动系统为研究对象,采用全局分岔理论及吸引域方法研究几类含无理项非线性的机械振动系统的复杂动力学行为的机理,其中无理项非线性由几何非线性因素引起。首先,考虑连杆滑块机构振动系统,进行动力学建模和无量纲化。在此基础上,对其进行分岔研究,结合吸引域研究系统的振动跳跃现象。进一步,通过Melnikov方法研究异宿分岔机制,并结合数值模拟验证系统发生锁死不稳定和混沌行为的必要条件。其次,考虑对称刚性支撑弹簧滑块机构振动系统,进行动力学建模并无量纲化,进一步得到无扰动系统。此外,通过引入新变量解析表达同宿轨道,利用Melnikov函数方法研究同宿分岔机制,并结合数值模拟验证系统发生同宿分岔的必要条件。研究发现,新变量解析表达方法有效。最后,考虑一类等边三角形排布的典型磁力摆,基于对其全局动力学行为的分析,研究初值敏感性现象及其机制。通过理论和数值模拟研究其初值敏感性现象和不动点吸引域随磁铁位置移动的演变规律,最后,通过实验验证该现象。该类磁力摆的初值敏感性可归因于其不动点吸引域的分形。本文研究为典型机械结构中几何非线性引起的复杂动力学行为的控制和结构设计提供理论参考。

关键词： 碰振   间隙   分岔   吸引域   冲击速度  

摘要： 在轨道交通领域内,间隙和碰摩等大量非线性因素存在于列车装置之间。间隙等非线性因素的存在会影响列车运行的舒适性和平稳性。因此,有必要深入的研究含间隙机械系统动力学。本文基于线性约束的前提下,建立了与实际工况更相似的一类非线性约束,结合二自由度碰撞块模型,构成两类含非线性约束的机械碰振系统,并求解了其动力学方程,通过数值计算的方式,得到了该类动力学模型周期运动的单、双参分岔图和相图,分析了系统低频激励下的动力学特性。研究表明:在单侧约束和双约束下,系统在低频激励下,主要呈现出p/1周期运动,随着ω的减小系统会发生Grazing分岔,该分岔会使系统的碰撞次数p增加,当碰撞次数p足够大时,会使系统产生chatting-impact运动。随着ω的增加,系统会发生saddle-node分岔,该类分岔会使系统的碰撞次数p减少,由于Grazing分岔和Saddle-node分岔的分岔点位置不同,导致产生了由相邻周期运动组成的多周期运动共存区。同时,倍周期和边界激变会使系统中的周期运动过渡区产生复杂的周期运动。之后,结合胞映射的方法,研究了两类机械碰振系统的周期运动共存区内共存吸引子和吸引域的分布规律。揭示了系统的关键参数δ,μm,μk,μc,ζ,f20对部分多周期运动共存区和系统的冲击速度的影响规律。结果表明:在单侧约束和双约束下δ,f20等关键参数对于系统的多周期运动共存区影响较为显著,周期运动共存区对于其他参数不太敏感。同时,在单侧约束下,系统中最大冲击速度峰值随着μm,ζ,μc的增大而减小,随着μk的增大而增大,随着f20增大而不变,在双约束下,系统的冲击速度最大峰值,随着f20的增大而增大,随着ζ的增大而减小,随着μm,μk,μc的增大而基本不变。最后,对比了单侧约束和双约束机械碰振模型下,系统动力学特性的异同点。结果表明:低频激励下单侧约束和双约束的周期运动转迁规律基本相似,关键参数对于周期运动共存区的影响也相似。不同之处在于μm,μk,μc,f20四个关键参数,对系统的最大冲击速度的影响规律。

关键词： 柔性关节机械臂   时间卷积网络   深度学习   强化学习   轨迹跟踪控制  

摘要： 为了完成复杂、精细、人机交互等任务要求,往往使用柔性机械臂完成任务。对于多连杆柔性关节机械臂,由于关节存在柔性变形,关节处的电机转角与实际转角并不相同,给机械臂轨迹跟踪控制带来极大难度。现如今,科技迅猛发展,人工智能技术得到广泛运用,将神经网络运用于柔性机械臂的控制已经能实现较为精确的轨迹跟踪。 本文提出了一种适用于柔性关节机械臂的深度强化学习动力学控制方法,该方法能够将深度学习与机械臂的物理模型结合,由仅使用深度学习时的纯数据驱动转变为深度学习和物理模型共同驱动,充分发挥了深度学习和动力学理论知识的优势。该方法首先需要获得柔性机械臂的动力学模型,本文通过浮动坐标系法建立了无约束的链式柔性关节机械臂的动力学方程。其次,通过深度学习神经网络由期望轨迹初步预测出相应的机械臂关节角度与驱动力矩等输出值,再通过输出值得到此时的实际末端轨迹与预期轨迹的误差。最后,由该误差和机械臂动力学方程共同计算网络的损失函数,从而反馈更新预测神经网络的参数,直至在适当的误差阈值内寻找到合适的输出值使预期轨迹满足精度要求。此外,本文使用了提出的深度强化学习方法分别对两连杆和三连杆柔性关节机械臂轨迹跟踪问题进行控制,仿真结果表明深度强化学习动力学控制方法能够达到较好的控制效果。 为了进一步提高控制效果,本文提出了一种改进的深度强化学习方法,即基于时间卷积网络的深度强化学习动力学控制方法。该方法在前面的深度强化学习方法基础上,引入时间卷积神经网络,提升了深度强化学习动力学控制方法的控制效果,使得机械臂的轨迹跟踪效果增强。仿真结果表明,改进的方法能够显著提升深度强化学习的控制效果。

关键词： 阻旋栅密封   袋型阻尼密封   篦齿封严   动力特性   气弹稳定性  

摘要： 转子与静子之间的密封(封严)结构在防止工作介质泄漏,提高机组效率的同时会引起气流激振导致转子失稳。由密封引起的转子失稳是影响透平机械向高参数发展的主要因素,因此对于透平机械中应用的典型密封的动力特性分析并优化其结构达到抑制转子振动效果的研究具有重要意义。 本文建立了阻旋栅密封、袋型阻尼密封与篦齿封严动力特性理论模型,研究了预旋进气条件下阻旋栅密封动力特性,分析了结构参数对袋型阻尼密封动力特性影响规律,并优化设计了袋型阻尼密封结构;应用电磁轴承激振器实验研究了阻旋栅密封与袋型阻尼密封转子稳定性;基于能量法对篦齿封严的气弹稳定性进行研究,分析不同节径振动下的篦齿封严气弹稳定性并设计了抑振阻尼环,优化了阻尼环结构。 研究结果表明:预旋比增大,阻旋栅密封有效阻尼降低。随着阻旋栅数量和长度的增加,密封有效阻尼和转子对数衰减率增大,系统稳定性提高。随着挡板数量的增加,袋型阻尼密封有效阻尼增加,转子的对数衰减率增加,系统稳定性提高。等腔室袋型阻尼密封的腔室深度增加导致有效阻尼减小。在本文研究工况下,挡板数量不变,涡动频率小于160 Hz,错位挡板袋型密封有效阻尼大于普通等腔室袋型密封。篦齿封严构型外篦齿环在0.2 MPa进气时气动功为负值,与气动阻尼系数对应,处于稳定状态。内篦齿环气动功在各压比下均为负值,处于稳定状态。圆形截面阻尼环封严结构节径振动固有频率增量最多,内外封严固有频率随阻尼环开口量增加而减小,针对本文模型与工况,10 mm开口量阻尼环对篦齿封严的节径振动特性影响最优。

关键词： 分子动力学模拟   粗粒化模型   机械互锁分子   索烃   轮烷   滑动动力学   活性粒子   吸引-排斥转变  

摘要： 机械互锁分子例如索烃和轮烷等因其独特的分子拓扑结构和其在纳米技术、生物、材料等领域的广泛应用而备受人们关注。基于机械键动态特性的优势——环沿轴向链较低的滑动或转动势垒,机械互锁分子较传统共价键分子具有更高的自由度和灵活性,这种特性使得这类高分子材料具有独特的运动性、刺激响应性以及优越的力学性能。机械互锁分子内环的滑动动力学,能够引起分子物理或化学性能上的改变,给其在人工分子机器和新型功能材料上带来了应用前景。因此,研究索烃/轮烷等新型材料的结构与性能的关系对于理解和开发其优越性能具有重要意义。在第一章中,我们介绍了研究背景包括典型的两种机械互锁分子索烃和轮烷的发展、结构特点和基于内部动力学特性的应用,以及活性粒子浴中的有趣的集体行为,并对研究模型、方法和研究目的进行概述。在第二章中,我们使用分子动力学模拟研究了单环或多环在径向型[n]索烃中沿环形高分子聚合物的滑动动力学。径向型[n]索烃的结构是n-1个环共同穿在同一个中心的大环上。中心环形高分子链分别考虑了两种状态:固定和扰动(不固定)。随着中心环形高分子链刚性的增加,对于固定情况,由于滑动路径的曲折程度减少,扩散系数单调增加;而对于扰动情况,扩散系数减小。这表明高分子链的fluctuation在随着刚性进一步增加过程中逐渐减弱。与单环情况相比,由于相邻两环之间的排斥作用,多个环的均方位移在中间时间尺度上表现出独特的亚扩散行为。此外,对于多环体系,所有环整体的扩散速度相对较慢,但单个环的局部动力学和中心环形高分子链的旋转扩散速度较快。这些结果有助于我们从基础角度理解径向型[n]索烃中环的扩散运动,并为分子设计思路提供理论基础。在第三章中,我们分别运用分子动力学模拟的方法和Lifson-Jackson公式研究了环在轮烷中沿嵌段高分子链(ANABNB)的滑动动力学行为。我们发现环的滑动动力学强烈依赖于嵌段长度(NA+NB)、A-嵌段的含量fa和嵌段-环之间相互作用势强度ε。从自由能的角度来看,自由能势阱的宽度和自由能势垒的高度共同决定了环的滑动扩散行为。根据环沿嵌段共聚物滑动过程的平均力势(PMF),发现我们的结果与使用Lifson-Jackson公式的理论分析非常吻合。我们对嵌段共聚物上环的滑动动力学的研究可以为研究粒子在周期性介质中的扩散提供一个非常简单和实用的模型,这也是物理学、化学和生物学等许多不同科学领域中有趣的问题之一。在第四章中,我们通过布朗动力学模拟研究了浸入二维活性浴中的两个不对称楔形纳米棒之间的有效力。首先,通过交换两个不对称楔形纳米棒的位置,由活性粒子引起两个不对称纳米棒之间有效力发生吸引-排斥转变,这与被动布朗粒子完全不同。其次,两个不对称楔形棒间有效力的转变对于的长程距离是对称的,而对于短程情况是不对称的。我们的研究为利用活性粒子的自驱动行为实现控制微观物体的运动和组装提供了新的可能性。

关键词： 变刚度机械臂   变刚度关节驱动器   拟人化运动   关节刚度配置策略   动力学建模  

摘要： 变刚度机械臂是机器人研究领域的重要方向,与刚性机械臂相比,具有更好的适应性和人机交互能力。在非结构化环境中安全地与人进行交互是变刚度机械臂的核心任务之一,这要求变刚度机械臂具有良好的运动性能。本文以具有变刚度关节的七自由度混联机械臂为研究对象,对基于拟人运动特征的逆运动学求解、变刚度关节驱动器的设计与动态控制、变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度配置策略、动力学建模等几个关键方面展开研究,期望能改善变刚度机械臂的运动性能。论文主要研究工作归纳如下:(1)良好的拟人运动性能有利于变刚度机械臂在人机交互环境下与人进行高效、友好的沟通协作。为更好满足人机交互需求,对变刚度机械臂进行了构型设计,并提出了一种基于拟人化臂角法的逆运动学求解算法。在变刚度机械臂的正运动学推导基础上,通过自适应参数化肩关节姿态角,得到了机械臂的逆运动学解析解,提高了被参数化关节姿态角对末端位姿的适应性。冗余机械臂本身具有自运动特性,通过引入“臂角”为辅助参数,建立了变刚度机械臂各关节运动不舒适度的评价函数,并采用粒子群算法实现了对“臂角”的寻优,进而通过解析法得到了具有拟人化特征的逆运动学解。仿真结果表明,该方法使变刚度机械臂在运动中的臂角与人臂的臂角活动范围相吻合,变刚度机械臂的运动具有拟人化特征。(2)变刚度关节具有刚度可调、缓冲性较佳的优点,可以改善机械臂的关节性能。以轻量型协作机械臂为应用对象,设计了一种新型变刚度关节驱动器。由于曲柄滑块机构能够快速调节关节刚度,对称式结构有利于维持关节各部分的受力平衡,因此,基于改变弹簧杆有效力臂长度的方法,采用对称式曲柄滑块机构进行了变刚度关节驱动器的设计及尺度综合。在此基础上,进行了变刚度关节驱动器的关节刚度计算,并建立了动力学模型;采用基于前馈和反馈的改进PID闭环控制方法,分别对随机信号和正弦波信号进行了动态刚度追踪仿真,验证了所提关节刚度控制方法的有效性,为变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度实时控制提供了依据。(3)面对复杂多变的工作环境,合理的关节刚度配置可以改善变刚度机械臂的环境适应性。为保障在人机交互环境下发生意外碰撞时人体的安全性,提出了一种变刚度机械臂在拟人运动中的关节刚度实时配置策略。综合机械臂安全指数和人体疼痛阈值,对变刚度机械臂的运动速度和表面接触刚度进行了优化。根据末端各方向的受力,通过力雅克比矩阵,计算出了变刚度机械臂各关节的力矩。为保持变刚度机械臂的运动稳定性,提出了关节力矩与被动关节偏转角的双曲正切关系模型,对各关节刚度进行了实时合理配置。仿真结果表明,所提算法有效地改善了人机碰撞中人体的安全性。(4)动力学模型是机械臂进行动力学分析和控制的基础。针对变刚度机械臂,进行了动力学建模及相关仿真分析。与串联机械臂相比,冗余混联机械臂的杆件数量较大,增加了动力学计算的复杂度。因此,对变刚度机械臂的杆件进行分类,将转动一致的杆件作为一个杆件处理,有效降低了计算复杂度。分别对不同杆件进行了动能和势能计算,并采用拉格朗日法和虚功原理建立了变刚度机械臂的动力学方程。通过数值算例,将各关节力矩的理论值和在Adams环境下的仿真值对比,验证了变刚度机械臂动力学建模的正确性。