关键词： 肺复张   速度时间积分   肺保护性通气   容量反应性   肺复张   容量反应性   肺氧合   双室功能  

摘要： 目的 对肺复张策略诱导主动脉瓣速度时间积分的变化（ΔVTI）情况进行评价,同时对ΔVTI预测肺保护性通气患者容量反应性的准确性进行评估。方法本研究共选择45名拟在择期行胃肠手术的患者,患者的年龄区间为50-70岁,根据美国麻醉医师协会的相关分级标准（ASA）,患者分别处于Ⅰ或Ⅱ级。所有纳入本研究的患者术前左心室射血分数（LVEF）均>55%,且无严重心脑血管等疾病病史。依据国际专家指南与共识,所有患者全麻诱导气管插管后接麻醉机行肺保护性通气（VT 7ml/kg,PEEP 5cmH2O,FiO2 60%）,待患者血流动力学平稳3-5分钟后,将麻醉机限压阀（APL）调至30cmH2O并给予一次手法肺复张（RM:30cmH2O持续气道正压通气30S）。于心尖五腔心切面,将脉冲多普勒（PW）取样点置于距主动脉瓣1cm之内,对主动脉瓣的VTI进行描记。对手法肺复张前后患者的平均动脉压（MAP）、心率（HR）值以及主动脉瓣VTI进行记录,同时对主动脉瓣VTI的变化值（ΔVTI）以及平均动脉压的变化值（ΔMAP）和心率的变化值（ΔHR）进行计算。随后依据容量治疗的国际专家指南与共识,暂将潮气量改为9ml/kg并连接Vigileo系统后进行容量负荷试验（静脉输注0.9%生理盐水250ml,输注时间20min）,在对实验前后的每搏输出量进行记录的同时,对每搏输出量的变化情况（ΔSV）进行计算。并根据ΔSV的不同将患者分为容量反应性阳性组（R组,ΔSV≥15%）和容量反应性阴性组（N组,ΔSV<15%）两组。通过受试者工作特征曲线分析ΔVTI、ΔMAP以及ΔHR,并计算最佳Youden指数时各指标的值。评价肺复张策略诱导VTI变化评估肺保护性通气患者容量反应性的准确性。结果 本研究共纳入45例患者,其中容量反应性阳性组（R组）26例,容量反应性阴性组（N组）19例。在施行手法肺复张（RM）过程中,R组患者与N组患者的主动脉瓣VTI与MAP都有明显下降。ROC曲线分析结果示:ΔVTI预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是18.065%,曲线下面积是0.893（95%置信区间是0.800-0.986,P<0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是92.3%,特异度是73.7%。ΔMAP预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是11.12%,曲线下面积是0.864（95%置信区间是0.762-0.967,P<0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是73.1%,特异度是84.2%。ΔHR预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的诊断阈值是1.575%,曲线下面积是0.596（95%置信区间是0.427-0.765,P>0.05）;预测肺保护性通气患者容量反应性阳性的灵敏度是69.2%,特异度是52.6%。结论 1、RM诱导ΔMAP和ΔHR无法对肺保护性通气（VT<8ml/kg）患者的容量反应性进行准确评估。2、RM诱导ΔVTI可准确评估肺保护性通气患者容量反应性,当Youden指数最佳时,ΔVTI的诊断阈值为18.065%,敏感度为92.3%,特异度为73.7%。目的 评价肺复张策略对不同容量状态患者肺氧合及双室功能的影响。方法本研究共选择60名拟在择期行胃肠手术的患者,患者的年龄区间为50-70岁,根据美国麻醉医师协会的相关分级标准（ASA）,患者分别处于Ⅰ或Ⅱ级。所有纳入本研究的患者术前左心室射血分数（LVEF）均>55%,且无严重心脑血管等疾病病史。依据国际专家指南与共识,所有患者在全麻诱导气管插管后接麻醉机行肺保护性通气（VT 7ml/kg,PEEP 5cmH2O,FIO2 60%）,待患者血流动力学平稳3-5分钟后,将麻醉机的限压阀（APL）调至30cmH2O并给予一次手法肺复张（RM:30cmH2O持续气道正压通气30S）。分别于RM前（T1）、RM后即刻（T2）和RM后30min（T3）,对左、右心室收缩和舒张参数、左室整体纵向应变（LVGLS）、右室游离壁纵向应变（RVGLS）、二尖瓣和三尖瓣瓣口的舒张早期峰值速度（E峰）与相应瓣环的舒张早期峰值速度（E’）及肺氧合指数（P/F）、肺顺应性（Cdyn）等参数进行测量。随后（T3后）依据容量治疗的国际专家指南与共识,暂将潮气量改为9ml/kg并连接Vigileo系统后进行容量负荷试验（静脉输注0.9%生理盐水250ml,输注时间20min）,在对实验前后的每搏输出量进行记录的同时,对每搏输出量的变化情况（ΔSV）进行计算。并根据ΔSV的不同将患者分为容量反应性阳性组（R组,ΔSV≥15%）和容量反应性阴性组（N组,ΔSV<15%）两组。评价肺复张策略对不同容量状态患者肺氧合及双室功能的影响。结果 R组33例,N组27例。与RM前（T1）比较,两组患者RM后

关键词： Transportation   Laboratories   Velocity   Electric vehicles   Sensors   Neural networks  

摘要： Among the topics associated with intelligent transportation systems, autonomous electric vehicles (AEVs) have received significant attention in research and application in the past decade; however, development, testing and data collection associated with such vehicles have been a great challenge due to various technical, policy and cost constraints. This paper focuses on an approach to construct, test, and collect data related to AEVs at a laboratory scaled-down level. The objective is to investigate AEV technologies while overcoming the real-world full-scale deployment and construction complexities. Accordingly, this paper presents a newly built scaled down AEV (i.e., Robo-Car) and studies the associated scalability in measured power consumption if compared to the estimated power consumption of a real-world AEV. The Intelligent Driving Model (IDM), the Non-linear Model Predictive Control (MPC) model and the Ecological Smart Driver Model (Eco-SDM) are implemented in the Robo-Car system as Adaptive Cruise Control (ACC) logics while a Polynomial Power Demand Model is adopted to measure energy consumption. Results show that the developed robot model can produce power consumption patterns comparable to those estimated for a scaled-down robot and a full-size AEV. Future research should explore the incorporation of additional models during different traffic condition (i.e., lane changing and merging scenarios) while using updated technologies in autonomous electric vehicles and searching for an optimal system integration.

关键词： 滚动轴承   剩余使用寿命   预测方法   堆栈降噪自动编码器   长短时记忆神经网络   卷积神经网络  

摘要： 滚动轴承作为动力机械设备中的重要基础部件之一,在高速、重载荷的恶劣环境中易出现故障,因此其运行状态对机械设备安全可靠运行至关重要,准确预测滚动轴承的剩余使用寿命对提供合理的维修和维护方案具有重要的理论意义和工程实用价值。目前,基于数据驱动的滚动轴承剩余使用寿命预测方法在众多研究方法中居于主流地位,在此基础上,本文针对滚动轴承剩余使用寿命预测展开研究,主要工作如下:(1)根据滚动轴承基本结构,建立滚动轴承简化力学模型,从轴承内、外部两个方面分析轴承振动机理,并对滚动轴承的失效形式进行了分析。(2)提出了一种基于CFS-SDAE的滚动轴承健康因子构建方法,详细说明CFS-SDAE的模型结构以及健康因子的构建过程。在PHM2012轴承数据集上进行验证,并将CFS-SDAE方法与传统的RMS、PCA方法进行了对比分析,结果表明根据所提方法构建的HI曲线更加平滑,具有更好的趋势性。(3)引入LSTM网络与注意机制的基本原理与方法,并将注意机制嵌入到LSTM网络中进行滚动轴承剩余使用寿命预测。在联合数据集上进行验证,结果表明,Attention-LSTM网络的稳健性优于现有的LSTM网络,预测结果接近滚动轴承真实寿命值,模型平均预测精度可达92%以上。(4)针对LSTM网络只考虑时间序列的正向依赖性,利用BiLSTM捕捉仅使用正序LSTM网络可能忽略的模式,提出一种基于CNN-BiLSTM混合神经网络预测模型,利用CNN进行深层特征挖掘,将深层特征输入到BiLSTM网络中进行滚动轴承剩余使用寿命预测,利用移动平均法进行平滑处理,并在PHM2012轴承数据集上验证,结果表明,所提方法优于其它CNN、LSTM、BiLSTM模型,平均预测精度可达90%。

关键词： 阻抗不变点   无量纲模型   不变点统一理论   主动悬架   全局阻抗控制  

摘要： 悬架系统实质是由质量-阻尼-弹簧系统组成的衰减地面振动、传递车身与车轮之间力并能保证汽车平稳行驶的多体机械系统。在研究汽车平顺性时,四分之一车悬架可以在一定条件下简化成二自由度机械振动系统。含有质量-阻尼-弹簧的机械系统通过与电气系统比拟,表现出的响应特性称为机械阻抗特性。悬架作为典型的机械系统在路面激励下也表现出一定的阻抗特性,阻抗特性属于系统的固有属性,在频域的范围内反映了悬架的激励力与运动学状态量之间的传递特性。在悬架性能研究中,一般关注簧载质量加速度、悬架动行程和轮胎动变形三个指标,同样在对悬架的机械阻抗特性也研究簧载质量加速度阻抗、悬架动行程位移阻抗和轮胎动变形位移阻抗。在悬架的机械阻抗特性中,存在不受悬架阻尼影响的阻抗不变点。本文意在揭示阻抗不变点产生的机理,分析悬架固有参数间变化的互影响和对阻抗特性的影响,以及阻抗不变点对悬架特性的影响,尝试说明被动悬架和半主动悬架阻抗不变点形成的内在统一规律,通过阻抗不变点的理论,将被动悬架设计方法扩充到半主动悬架领域,意在实现被动-半主动悬架振动机理的统一。并基于此研究了基于悬架阻抗特性的全局阻抗控制策略意在提高汽车的平顺性和操纵稳定性,同时开展针对阻抗控制对主动悬架功能实现和能耗经济性两方面研究。针对以上问题,本文将从以下三个方面展开研究。1、被动悬架机械阻抗无量纲不变点的建模与分析在被动悬架中,悬架的簧载质量加速度、悬架动行程和轮胎动变形对路面激励力的响应称为加速度阻抗和位移阻抗。在簧载质量加速度阻抗、悬架动行程和轮胎动变形的位移阻抗幅频曲线中,存在不受悬架阻尼影响的阻抗特性点。本文从阻抗矩阵的角度推导了不变点的幅频特性表达式,试图分析阻抗不变点对悬架性能的影响和阻抗不变点产生的机理。本文首先引入了无量纲参数,刚度比和质量比,在詹森不等式思想指导下,通过引入无量纲参数推导了阻抗不变点近似表达式,并在此基础上进行了进一步修正后,建立了无量纲阻抗不变点模型,研究了无量纲阻抗不变点特性。无量纲参数的引入确定了同量纲参数之间的关系,阻抗矩阵则耦合了汽车的质量-阻尼-刚度参数,更能直接反映出悬架自身参数间的变化关系对悬架阻抗特性的影响。无量纲阻抗模型最直接的解决了传统悬架不变点模型表达式复杂问题,而且无量纲参数在对当前电动汽车非簧载质量增加所引起的负效应更有利于进行机理分析,同时也有利于分布式驱动电动车的悬架参数设计以及控制目标的确立。无量纲参数的变化引起的悬架性能改变更直接反映了悬架本身的阻抗特性和悬架参数间的相互影响。无量纲参数的变化对阻抗不变点的影响成近似线性特性,鉴于在实际应用中计算更为便捷,本文研究了不变点矢量图,这有助于在悬架的阻尼调校中能够快速地估算阻抗不变点的幅频参数。2、半主动悬架机械阻抗不变点动力学机理及控制机理分析在半主动悬架的机械阻抗特性中同样存在与被动悬架机械阻抗不变点相同的特性。在悬架的可调阻尼调节中,当阻尼变化满足一定条件时,在悬架的阻抗特性中也会表现出不变点的特性。当一定条件做相应的改变时,悬架的阻抗特性又表现出向好的减振性能。半主动悬架出现阻抗不变点的实质是悬架的失效阻尼改变,失效阻尼则反映的是可调减振器可调部分失效后,悬架能正常工作的阻抗特性。基于失效阻尼的特征本文尝试提出了“阻尼椭圆”的概念,阻尼椭圆上的点的位置反映了可调阻尼减振器效能的实质,以及被动悬架和半主动悬架的阻尼关系;阻尼椭圆半轴长的概念则体现了失效阻尼的变化与不变点的产生的关系。阻尼椭圆揭示了被动悬架和半主动悬架阻尼变化的本质关系,同时失效阻尼的概念揭示了被悬架和半主动悬架阻抗不变点产生的内在规律,给出了被动悬架和半主动悬架的阻抗不变点形成机理的统一解释,阻尼椭圆上点的运动给出了阻尼优化的选择方法,也揭示了半主动悬架控制效果随阻尼变化的规律。3、全局阻抗控制下的主动悬架控制性能和不变点特性基于被动悬架和半主动悬架阻抗不变点特性及控制机理的研究,本文尝试继续深入研究基于阻抗特性的主动悬架全局阻抗控制策略和阻抗不变点特性。阻抗控制是广泛应用于机器人领域的柔性控制,本文在分析了悬架的阻抗不变点机理后,尝试将阻抗参数作为反馈输入引入悬架的控制中,实现悬架的簧载质量和“环境”的柔性接触。根据阻抗控制的原理创造性的将非簧载质量系统和虚拟阻抗系统看作“环境接触”,实现了实体环境(非簧载质量系统)和虚拟环境(惯性质量、阻尼和刚度)的并联,设计了基于簧载质量全状态反馈的全局阻抗控制策略。全局阻抗控制策略以簧载质量的阻抗状态为反馈信息,实现了无模型建模和参数调节,这相较于LQR控制摆脱了需要对控制对象精确建模的约束,同时也无需路面预瞄参数,全局阻抗控制在控制性能上实现了与LQR控制同效能的控制效果,在某些方面甚至优于LQR控制。在功率消耗方面,阻抗控制功率分配也更均衡,尤其是瞬时峰值功率消耗方面较LQ

关键词： 轮式移动机械臂   操作空间   类漂浮基座   时间最优   轨迹规划  

摘要： 根据《中国制造2025》战略部署,机器人技术作为重点研究方向正在蓬勃发展,移动机械臂结合了固定机械臂和移动机器人的优点,能够弥补固定式机械臂在运动范围有限、灵活性低等方面缺点,并在智能制造中应用越来越广泛。轮式移动机械臂系统是由可移动平台和固定在移动平台上的机械臂组成。轮式移动机械臂中的移动平台和机械臂之间存在着强耦合性,是当前机器人领域的一个研究热点。因此,研究轮式移动机械臂系统的动力学模型和轨迹规划具有重要的意义。本文以6自由度AUBO-i5机械臂和3自由度EAI移动平台为基础组成9自由度轮式移动机械臂系统,研究其逆运动学求解和动力学建模方法,并以动力学为基础进行轨迹规划。首先,求解移动机械臂操作空间,利用高斯分布函数对传统蒙特卡罗算法生成操作空间进行改进,使操作空间边界更加饱满。然后基于操作空间密度函数进行逆运动学迭代求解,通过迭代的方式对每一个关节进行取值,每次取值都是在操作空间范围内让目标函数取到极大值,这样的求解方式能够保证移动机械臂每次逆解值都是最优。其次,针对轮式移动机械臂由移动平台和机械臂组成的结构具有强耦合性的特点,提出引用类漂浮基座进行移动机械臂动力学求解。将移动机械臂转化为机械臂与虚拟漂浮基座的结合,引入空间矢量来对其进行动力学建模,对机械臂和漂浮基座相结合的多体系统进行求解,考虑系统的耦合性加入了力矩补偿,得到了移动平台和机械臂之间的耦合关系,为下文轨迹规划打下基础。然后,基于移动机械臂的耦合动力学模型进行轨迹规划,将基于动力学模型的时间最优轨迹规划问题转换为凸优化问题进行求解。考虑到移动机械臂的使用环境和稳定运行,对目标函数增加了能量消耗的限制和加速度变化率限制,降低时间最优轨迹规划算法的能量消耗和加速度变化率,进一步匹配作业需求。最后,搭建移动机械臂实验平台,对本文提出的改进逆运动学求解算法与移动机械臂整体雅可比矩阵逆运动算法进行了实验对比,表明了算法的有效性和精确性。对建立的移动机械臂耦合动力学模型进行了验证,体现了动力学模型的准确性。再对基于动力学的移动机械臂目标函数改进时间最优轨迹规划算法进行了实验,展现了本文改进轨迹算法的优越性。

关键词： 小波分析   舰船动力机械   噪声抑制   不连续性  

摘要： 针对传统噪声抑制方法内噪声抑制函数存在不连续性,导致最终可抑制的噪声数值较小,设计小波分析的舰船动力机械噪声抑制方法。将周期性的振幅调制处理为一个随机变量,提取舰船机械噪声特征信息。采用非似然估量处理方法定义阈值中的元素,利用小波分析设定噪声阈值。构建动力机械噪声平衡数值关系,最终实现对舰船动力机械噪声的抑制。准备已知参数的舰船动力机械后,连接数据采集设备,采用2种传统噪声抑制方法与所设计的噪声抑制方法进行对比实验。结果表明,所设计的噪声抑制方法可抑制的噪声数值为50 dB,实际可抑制的噪声数值最大。

关键词： 深海液压机械手   叶片式摆动缸   PID控制   模糊自适应PID控制  

摘要： 海洋资源丰富,随着陆地资源的不断开采,全世界逐渐将目光投向了深海,水下机器人是水下勘探、作业必不可少的工具。近些年来,随着水下机器人迅速发展,作业水下机器人在深海发挥着越来越大的作用,搭载于作业水下机器人上的液压机械手是水下作业的核心工具,随着深海作业需求的不断提升,对深海液压机械手在作业能力、作业效率提出了更高的要求。国内深海机械手的研制起步较晚,目前应用比较广泛的7功能深海液压机械手存在作业空间小,深海环境下响应速度慢等缺陷,这已成为发展新一代液压机械手必须面对的问题。叶片式摆动关节与传统的直线缸关节相比有诸多优势,本文结合深海液压机械手的特殊工作环境对深海液压机械手叶片式摆动关节进行动力学特性分析,基于MATLAB/Simulink环境进行PID与模糊自适应PID控制器仿真及分析,搭建了实验平台,模拟系统在不同负载、不同海洋深度下对给定信号的跟踪,并对比分析两种控制器的控制效果。本文的主要研究内容分为以下四部分:(1)完成了阀控叶片式摆动缸的动力学建模。由于深海环境与陆地环境的不同,针对油液的黏度和弹性模量的变化,首先对阀控缸的数学模型中受到变化参数影响的部分进行探讨,完成阀控缸数学模型的建立;然后对系统中电液伺服阀的数学模型进行讨论分析,并建立其他环节的传递函数,完成液压位置伺服系统控制方块图。(2)介绍了叶片式摆动缸的基本结构、工作原理与密封结构,分析主要泄漏位置,利用ANSYS有限元分析与流体力学理论结合的方法完成理论泄漏量计算,针对两种工况下,不同的密封圈的压缩率对泄漏的影响,进行理论和实验对比分析,证明了理论泄漏计算方法的合理性。(3)在建立的动力学模型基础上对不同海深条件下的系统进行仿真,绘制开环伯德图;基于MATLAB/Simulink环境对PID控制器下系统进行仿真,分析系统输入为阶跃信号和正弦信号时电液伺服系统的动态特性;阐述模糊自适应PID控制的基本原理,基于MATLAB/Simulink环境设计模糊自适应PID控制器,对阶跃信号和正弦信号进行跟踪,分析其响应特性,并与PID控制器进行对比。(4)搭建实验平台,通过改变负载与液压油的型号,模拟机械手在不同海洋深度时的作业条件,测试机械手摆动关节电液伺服系统对给定信号的跟踪性能;对比分析实验结果,分析叶片式摆动关节在PID控制器及模糊自适应PID控制器下的控制效果。

关键词： 电子机械制动系统   多阶段闭环控制   自抗扰控制   硬件在环   纵向动力学控制  

摘要： 电动化和智能化是目前汽车产业的重要发展方向,包括自适应巡航和自动紧急制动功能在内的纵向动力学控制系统作为汽车智能化技术的重要组成部分,受到了广泛关注并成为业内的研究热点之一。同时随着汽车电动化和智能化技术的发展,车辆对于制动系统有着越来越高的要求,一方面要求其具备主动制动功能,同时方便与底盘域其他控制系统集成;另一方面,要求系统尽量减少油液污染,且能够在保证踏板力的前提下,配合上层控制策略尽可能多的回收制动能量以提高电动汽车的续航里程。电子机械制动(Electromechanical Brake System,EMB)系统为线控制动系统中的一种,其以电机作为动力源,通过传动系统直接向制动盘施加夹紧力对车辆进行制动,该系统不仅省去了诸多液压管路,而且易于实现主动制动和与纵向动力学控制系统的集成,此外EMB还能在保证制动踏板感的前提下实现制动踏板力的解耦,并配合再生制动系统实现较大的能量回收率,因此电子机械制动系统能够很好的适应汽车电动化与智能化的发展趋势,具有较好的应用前景。本文主要针对电子机械制动系统控制策略进行研究。首先完成了EMB执行机构的选型、设计计算及系统建模,然后对EMB执行机构中驱动电机的控制策略进行了研究,并根据对电子机械制动系统工作过程的分析,设计了EMB多阶段闭环控制策略,通过Simulink/Amesim联合仿真及硬件在环实验验证了EMB控制策略的有效性,最后设计了基于EMB的纵向动力学控制策略,通过Simulink/Carsim联合仿真验证了以EMB为执行器,包含ACC、AEB功能在内的纵向动力学控制策略的有效性。涉及的具体研究内容如下:(1)电子机械制动系统执行机构设计计算与建模。首先对电子机械制动的工作原理和执行器结构进行了介绍,接着根据目标车型参数和相关法规要求确定了EMB的总体制动需求,并完成了对EMB执行机构两大主要性能指标即最大夹紧力和间隙消除时间的设计,然后对EMB驱动电机、减速机构和运动转换装置等进行了选型和设计计算,之后对执行机构的数学模型进行了详细分析,并基于数学模型在Simulink环境下建立了相应的仿真模型,为EMB的控制策略的开发与仿真验证奠定了基础。(2)EMB驱动电机控制算法研究。首先分析了永磁同步电机的矢量控制方法,其次对矢量控制中所涉及到的三种坐标系和坐标变换、空间矢量脉宽调制技术进行仔细研究及相关公式推导,然后设计了包括电流环、转速环和位置环在内的EMB驱动电机的总体控制策略,并对基于MPC的电流环控制策略进行了详细分析和理论推导,最后在Simulink环境下建立仿真模型,并进行了仿真实验,仿真结果表明所设计的基于MPC的电流环控制策略能够实现较好的电流跟踪效果。(3)电子机械制动系统控制策略研究。首先分析EMB执行机构的工作过程,针对EMB执行机构在三个阶段内的工作特性,设计了EMB多阶段闭环控制策略,然后对直接影响车辆制动控制效果的压力环,设计了基于自抗扰控制的压力环控制器,结合执行器模型,对压力环控制策略进行了对比仿真分析,仿真结果表明,该控制算法相较于PID控制,对不同制动压力的适应性更强且对目标值的跟随效果更好,最后搭建了基于Simulink/Amesim的联合仿真平台和基于d SPACE设备的EMB硬件在环实验平台,通过联合仿真及硬件在环实验整体验证了所设计的EMB多阶段闭环控制策略的合理性和优越性。(4)基于EMB的纵向动力学控制策略研究。在EMB控制算法的基础上,以EMB作为执行器对包括ACC与AEB系统在内的纵向动力学上下层控制策略展开研究,首先介绍了基于EMB的纵向动力学控制系统的总体架构,针对下层控制部分,对行驶车辆进行了纵向受力分析,并基于纵向动力学方程设计了目标制动压力控制策略、目标驱动转矩控制策略和驱动与制动切换控制策略,接着设计了上层决策控制部分的定速巡航PID控制器和自主跟车LQR控制器,然后对AEB安全距离模型、分级制动控制策略及各功能模块间的切换控制策略进行了研究,最后基于Carsim/Simulink搭建了联合仿真平台,仿真验证了基于EMB的纵向动力学控制策略的有效性。

关键词： Computational physics   Physics   Materials science   Quantum physics   Energy   Molecular physics  

摘要： High-Entropy Alloys (HEAs) are an emergent class of crystalline materials have exhibited unique mechanical properties and high-temperature functionality. Their unusual composition, having multiple principal elements in contrast to common alloys that use one principal element, results in a variety of useful, and in many cases unexpected characteristics. This project, in partnership with experimentalists at the Idaho National Laboratory and machine learning scientists at the University of Utah, explores these characteristics and composition-property relationships in HEAs. Utilizing Molecular Dynamics (MD) simulations, three HEAs, namely FeNiCr, FeNiCrCo, and FeNiCrCoCu, are studied in detail. The radial distribution function (RDF) and tensile strength (TS) are calculated for each alloy, and their values compared as a function of temperature, chemical content, and slip orientation. We used RDF analysis as a basis to examine the stability of HEAs; Fe- and Ni-dominant alloys consistently show five narrow RDF peaks, indicating a strong fit to the desired FCC lattice. We used this strategy to ensure the accuracy of further calculations as well as to demonstrate that MD offers a cost-effective tool for the qualitative analysis of materials. Additionally, we show that RDF analysis can be used as a basic predictive model for more complicated mechanical properties of a crystal, an important asset in material design and machine learning. Finally, we tested these predictions via study of stress-strain curves to evaluate TS of various alloys. We observe that Fe- and Ni-dominant alloys are strongest with peak values ranging from 23 to 26 GPa, while Co- and Cu-dominant alloys are weakest with peak values of 17 and 13 GPa respectively. We uncover fundamental relationships between TS and chemical composition in HEAs – especially the identity of the dominant element – as well as temperature and slip orientation, all of which are critical variables to consider in material design and fu

关键词： 杆、梁构件   非线性动力学   分形导数   波动方程   延拓的极简(G'/G)函数展开法  

摘要： 机械系统中零部件(杆)在受到动载荷发生冲击时,基于经典弹性杆线性波动方程的冲击机械系统动力学研究已在工程中得到广泛应用,但其仅适合于低速冲击且可以忽略泊松效应的情况。对于受到高速冲击而发生较大变形的零部件杆、梁,目前人们开始用有限变形来描述并建立数学模型以期望得到更精确的结果。另外,与传统微积分模型相比,人们发现分形导数理论框架下的物理力学模型能够为层状和多孔介质中的现象提供更为全面深刻的阐述。为此,本文以机械系统中受到冲击载荷的杆与功能梯度梁为对象,试图建立更为精确的非线性波控制模型并对其进行动力学研究,主要内容与结果见下:(1)考虑有限变形和泊松效应,使用广义哈密顿原理导出了冲击机械杆部件中非线性波控制方程。在不减少基本解形式的基础上,简化辅助方程,结合B?cklund变换,提出了延拓的极简(G'/G)函数展开法并从理论上对解法进行了分析。应用延拓的极简(G'/G)函数展开法获取了非线性波控制方程的位移梯度精确行波解,这个实例求解得到的结果与关于延拓的极简(G'/G)函数展开法的理论分析一致。结合用位移梯度表示的轴向应变公式,得出了对应的非线性应变波函数,并借助数值模拟方法揭示了在杆缺陷处的应变(应力)会发生突变的机理。(2)借助考虑了泊松效应与有限变形的非线性波控制方程的精确行波解,研究了该非线性波的传播特性,进而建立了基于该非线性波的一元冲击机械系统的动力学方程。基于该动力学方程,分别在塑性和弹性工作介质下得到了冲击机械系统的工作效率、最大击入量和冲击部件的最大应力关于杆构件半径、冲击速度、锤杆与锤头质量比、介质加载刚度或塑性极限阻力等的解析公式。通过数值模拟发现提高冲击速度使最大击入量增加的同时,不能简单的通过增加杆半径来减小由于冲击速度提高而引起的最大应力增加。(3)把具有层状结构和多孔特征的功能梯度梁看成分形梁,基于给出的分形导数理论框架下的欧拉-拉格朗日公式和链式法则,推导出了机械构件梁中的分形非线性弯曲波的传播控制方程,并使用延拓的极简(G'/G)函数展开法,获取了此方程的精确行波解。借助数值模拟分析了分形维数变化对扭结行波解的波形的影响,并把分析结果与其他文献中使用不同方法建模分析的结果进行对比分析,得出分形维数与梯度功能材料的参数对于改变波形具有同等的作用,这为功能梯度梁的动力学性能分析提供一种新的思路。本文从数学的角度分析了机械系统中受载杆、梁构件在服役过程中的运动行为,探索性地解析了杆、梁构件受载的变形及运动模型,为建立机械系统的数字孪生体模型提供有益的帮助。