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关键词： 惯性神经网络   全局指数稳定性分析   参数化直接方法   拟不变集   时变传输时滞   无限分布时滞  

摘要： 神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征的数学模型.这种网络自身结构相当的复杂,通过调整内部大量节点之间的相互影响,从而能够达到模拟和解决复杂系统的相关问题.随着科技的发展,神经网络逐渐与医学、工程学、物理学、经济学以及其他新兴智能产业相结合.因此,神经网络的研究内容相当广泛,并且在许多领域中获得了很好的应用,如自主机器人、安全通信、模式识别、信号和图像联想记忆、优化等.与普通神经网络模型相比,引入了二阶导数的惯性神经网络有更好的性能,能更好地适用于处理工程中更为复杂的问题.此外,在两个神经元之间的信息传递过程中,动作电位传导速度或信号传播速度是有限的,即是出现时间延迟现象,因此,研究具有时滞的惯性神经网络是科学研究的热点问题之一,并且至今热度未减.本文主要研究了具有多时滞的惯性神经网络的两个动力学特性,分别为全局指数稳定性和拟不变集,主要研究内容如下:研究了具有时变传输时滞的惯性神经网络的全局指数稳定性分析问题.通过提出基于系统解的参数化方法降低了理论证明和计算方面的复杂度.并且所获得的全局指数稳定性判据仅由几个简单的线性标量不等式构成,这可以使用标准的软件工具进行快速验证.此外,稳定性判据中的参数可用来改进神经元状态的收敛速度.通过一个数值算例的两组数据验证了所提出方法的有效性.在考虑了时变传输时滞、无限分布时滞和外部扰动对惯性神经网络的影响下,研究了具有多时滞惯性神经网络的拟不变集刻画问题本文提出的基于系统解的参数化方法,给出了所讨论系统的拟不变集存在的充分条件.此外,还给出了所考虑系统拟不变集的刻画.直接从拟不变集的定义本身出发来研究问题.这降低了计算的复杂度,简化了理论分析,所得的充分条件便于求解.通过一个具有代表性的数值算例证明了所提方法的有效性.与前人的成果相比,本文的创新性如下:(1)得到的全局指数稳定判据和拟不变集存在性判据只需要验证几个参数相关的线性标量不等式,且该判据中需要求解的变量数量较少,故所建立的判据易于求解;(2)避免了Lyapunov-–Krasovskii:(L–K)泛数的构造;(3)所提出的参数化直接方法可扩展到大多数具有多时变时滞的神经网络模型的动力学研究.

关键词： 刮板输送机   链传动系统   软件二次开发   参数化设计   动力学分析  

摘要： 链传动系统是刮板输送机的核心子系统之一,该系统直接与煤炭接触,其动力学特性对输煤效率影响极大。而常用的三种链传动系统(中单链、中双链、边双链)种类繁多,加工制造较为困难,因此有必要对其进行参数化设计并进一步的对多工况下的动力学特性进行研究并优化结构,对提高该系统关键部件的研发制造及安全可靠运行具有重要意义。因此,本文基于参数化设计法及多体动力学理论,采用“理论-仿真-试验”相结合的方式对链传动系统的建模及动力学特性进行研究。 首先,对链传动系统的结构及动力学特性理论研究并进行相关公式的推导,为后续的参数化建模及软件开发等工作提供理论基础。基于ADAMS多体动力学软件的二次开发功能,对链传动系统进行了参数化三维建模、参数化仿真、参数化结果输出等功能程序的编写。针对链轮和链环的三维建模,分别提出了基于叠加法和分段式建模的方法,为链传动系统的研发制造及仿真研究提供了基础。 其次,基于VC++MFC、SQL Server数据库开发了链传动系统动力学分析软件,将链传动系统的动力学理论分析及参数化设计功能封装集成到该软件中,提高了理论公式及程序的实用性,并通过实例验证了公式推导的正确性。进而通过理论分析发现,链传动系统在双端驱动时链环的安全系数提高了9.43%;中双链系统具有较好的稳定性。该软件为产品的设计计算提供理论参考,为仿真研究提供了便利。 再次,对比研究了三种链传动系统在正常工况、冲击工况、断链工况时的动力学特性。发现中双链系统在双链间距与中部槽宽度之比为21.875%、齿数在7、8、9时传动效果最佳。对比可知中双链系统整体表现最好。在运行方向上,中单链接触力均值比双链模型增加了16.75%;接触力对链环运行方向的动态特性影响最大,其次是纵向,最小的是横向。链环与从动链轮啮合力变化呈现“M”形,主动链轮啮合接触力波动最为明显。冲击工况下,冲击载荷会对中单链的接触力造成二次冲击,均会使三种模型的刮板剧烈振动。断链工况下,边双链模型恢复到正常转速的时间比中双链模型增加了64.58%;边双链的刮板扭转角度大于中双链模型;双链模型的链环在运行方向、纵向上的振动减弱,横向振动加强。 最后,基于搭建的试验台,模拟了变链速工况、变载荷工况、地表起伏工况,对相邻刮板间链环的动力学特性进行研究分析。发现链速、载荷、地表起伏均对链环的振动有激励作用,且载荷激励对链环横向的振动影响最大;相邻刮板中间链环的振动最为严重;刮板对链环的振动具有抑制作用。地表起伏工况下,链环在运行方向上的振动变化趋势为“N”形;下坡时链环的振动大于上坡振动。此外,采用“理论-仿真-试验”相结合的方式验证了三种链传动系统仿真模型的正确性。

关键词： 采煤机摇臂   滚筒三向载荷   齿轮故障   故障啮合力特征  

摘要： 采煤机作为煤炭开采中不可或缺的主力大型机械设备,其安全运行和可靠性工作对于矿井的安全、高产、高效生产具有重要的保障作用。然而,由于采煤机长期受到恶劣作业环境和交变载荷的影响,易出现机械故障、电气故障和液压故障问题。特别是摇臂齿轮系统,其作为采煤机中最重要的动力传递部件,由于直接承载着截割滚筒所传递的复杂多变的非线性三向截割载荷,却也是采煤机中最易发生故障的部件之一。鉴于此,本文从采煤机滚筒截割煤岩的实际工况出发,在实施滚筒-煤岩耦合截割载荷分析、采煤机摇臂齿轮传动系统刚柔耦合动力学建模的基础上,合理构建齿面点蚀、齿根裂纹、断齿和磨损等典型故障的几何形态,开展在这些故障下的采煤机摇臂齿轮传动系统动力学特性研究。本文的主要研究内容如下:(1)对实际使用的某型采煤机滚筒进行了三维建模,并将其导入到ABAQUS中开展了采煤机滚筒在常见工况下截割煤岩过程的仿真分析,获得滚筒在截割煤岩过程中的截割载荷。(2)基于ADAMS通过定义部件之间的约束关系与接触关系,得到摇臂齿轮系统的刚体模型;在此基础上,考虑了轴承的柔性支撑及部分部件的柔性化处理,并完善了负栽边界,最终建立了摇臂齿轮系统的刚柔耦合模型;通过对摇臂齿轮系统中行星轮系的转速及啮合力分析,验证了模型的可靠性。(3)选取故障率较高的行星齿轮通过改变几何形态的方式注入故障,同时设定了四种故障类型。基于XFEM理论分析裂纹的扩展路径以此构建裂纹故障模型;采用裂纹起始点到齿顶方向延伸切割来构建断齿故障模型;采用点蚀概率分布模型,并考虑点蚀生长与传播,来构建点蚀故障模型;运用Archard黏着磨损计算模型,计算齿面磨损分布以此构建磨损故障模型。(4)在以上工作的基础上,开展行星齿轮内啮合力时频域分析。对比不同故障类型下的时频域波形,分析其故障波形特点。并对时频域啮合力进行统计,得到不同故障程度时的统计指标变化情况。本文研究结果表明:对于裂纹、断齿和点蚀等局部式故障,其在时域中通常表现为在每个行星齿轮相对转动周期内出现一次或两次明显的冲击。在频域方面则会出现以啮合频率及其倍频为中心、以相对转频为间隔的边频带。这些故障之间的区别在于他们的时域冲击波形各不相同,以及在频域中的相对转频成分的分布情况不同。而对于磨损这类分布式故障,其在时域中总体能量以及振动程度变化较大,在频域中则会增加啮合频率及其高次谐波分量的幅值,但不会产生边带。所有故障类型的时域统计指标中,有量纲指标里偏斜度与峭度比较敏感,无量纲里偏度因子与峭度因子比较敏感,并且在变载下仍然保持变化规律;在频域中,裂纹、断齿和点蚀等故障可采用边带主频幅值比来表征故障程度,磨损故障可通过齿轮啮合频率幅值的变化来表征故障程度。本文研究工作构建了从滚筒截割煤岩过程仿真→摇臂齿轮传动系统刚柔耦合动力学建模→齿轮故障模型建立→啮合力时频域分析的采煤机摇臂齿轮传动系统故障动力学分析的完整技术路径,为后续采煤机摇臂齿轮传动系统状态监测与故障诊断技术及系统开发奠定理论及技术基础。

关键词： 填充床介质阻挡放电   粒子模拟   时空演化   介电常数   介质形状   放电间隙  

摘要： 填充床介质阻挡放电是一种产生非热等离子体的有效放电形式,它结合了催化技术和等离子体技术的优点,在环境、能源和化学合成等工业生产领域具有广阔的应用前景。论文选题属于低温等离子体的前沿热点研究领域。本论文采用商用软件VSim,利用二维粒子模型对单个介质填充的填充床反应器中介质阻挡放电的特性进行了数值模拟研究。论文主要内容如下。 采用针—板介质阻挡放电结构,模拟研究了在14 k V的正脉冲电压激励下,改变填充介质珠介电常数(ε)对反应器内放电时空演化的影响。在介质珠介电常数较高(ε=25)的情况下,电子雪崩最先在针尖产生,然后以沿面正流光的形式沿介质珠表面向下传播。在流光传播过程中,介质珠与介质板的接触点附近产生了局部放电。局部放电在接地的介质板上建立了一个具有水平分量的电场,在该电场作用下局部放电沿介质板表面以沿面放电的形式向外发展。此后,沿面流光与沿面放电连接,且连接部分的放电体积随时间不断增大。当介质珠介电常数较低(ε=2)时,针尖附近产生电子雪崩的时间延迟。相比于高ε的情况,沿面流光在珠表面以较慢的速度传播,流光通道更粗,接触点附近的局部放电几乎观察不到。当沿面流光越过珠表面中点后,将竖直向下传播到介质板。在流光传播过程中,流光头径向尺度不断增大。当放电传播到介质板后,会以沿面放电的形式向介质板两边传播。模拟结果表明: (1)ε越高,空间电场更强,反应器内放电产生的等离子体密度也更高。 (2)提高电压幅值时,反应器内等离子体密度会增加。 (3)当电压改变为负极性时,在反应器内很难产生沿介质珠表面传播的负流光,此时的放电只出现在针电极附近。 采用平行平板介质阻挡放电结构,研究了填充介质形状对放电特性的影响。当采用圆形介质填充时,反应器内的放电首先从圆形介质顶部产生并向上发展。当放电向上传播到高压电极后,在圆形介质顶部形成沿面流光并沿介质表面向下发展。在沿面流光发展过程中,局部放电在圆形介质与下介质板接触点附近产生,并在水平分量电场的作用下发展成为沿介质板表面传播的沿面放电。当采用方形介质填充时,介质与高压电极之间的放电通道更宽,通道内等离子体密度更低,且在填充介质与下介质板的接触点附近没有局部放电的产生。此外,还研究了放电间隙对反应器内放电特性的影响。模拟结果表明,当填充介质与顶部高压电极的距离等于介质高度时,反应器内等离子体密度达到最大值。

关键词： 耐力跑步   跑步经济性   运动学   动力学   时空步态特征  

摘要： 研究目的:跑步经济性（Running Economy,RE）被公认为能够反映在次极限负荷运动中跑者的氧耗水平,是进一步提高跑步耐力表现的核心因素。其中,跑步生物力学因素对RE有重要的调节作用。然而,先前关于RE与生物力学的研究较多地集中在高训练水平跑者,关于大学青年跑者RE与运动学、动力学和时空步态特征之间关系的研究十分有限。基于此,在本研究中,我们旨在探究青年跑者RE与下肢髋、膝、踝关节矢状面角度、地面反作用力、下肢刚度、触地/腾空时间、触地指数等指标之间的关系。为进一步理清跑步生物力学因素调节RE的机制提供理论依据,为跑者安排训练提供新的实践方法与手段。研究方法:招募30名上海体育学院男性青年跑者(年龄:21±1岁,VO2max:54.61±5.42ml·kg-1·min-1)在实验室中进行3项独立的测试。第2项与第3项测试之间间隔48h。在每项测试前,要求受试者24h内避免剧烈运动以及至少8h的充足睡眠,机体处于非疲劳状态,确保他们没有任何肌肉酸痛或疲劳。在第1项测试中,测量受试者的身体成分指标;在第2项测试中,测量受试者在10、12km·h-1速度下的RE和VO2max等生理学指标;在第3项测试中,采集受试者在10、12km·h-1速度下的髋、膝、踝关节矢状面运动学指标、地面反作用力等动力学指标和触地/腾空时间等时空步态指标。研究结果:（1）在10km·h-1跑速下的RE与对应触地时间（r=-0.405,P=0.027）、腾空时间（r=0.405,P=0.027）和触地指数（r=-0.451,P=0.012）呈中度相关,与对应步频、步长和质心垂直振幅均无显著相关关系;在12km·h-1跑速下的时空步态参数与RE均不相关。（2）在跑步支撑阶段,12km·h-1跑速下的RE与对应离地时髋关节屈曲角度（r=0.374,P=0.042）、髋关节屈曲峰值（r=0.381,P=0.038）、离地时膝关节屈曲角度（r=0.405,P=0.026）、触地时踝关节背屈角度（r=0.423,P=0.020）呈中度相关;10、12km·h-1跑速下的RE与支撑阶段踝关节背屈峰值（r=0.397,P=0.030;r=0.383,P=0.037）呈中度相关。（3）在跑步腾空阶段,10km·h-1跑速下的RE与对应膝关节屈曲峰值（r=0.457,P=0.011）和膝关节伸展关节幅度（r=0.439,P=0.015）呈中度相关;12km·h-1跑速下的RE与对应髋关节屈曲峰值（r=0.367,P=0.046）、膝关节屈曲峰值（r=0.416,P=0.022）和踝关节背屈峰值（r=0.389,P=0.034）呈中度相关。（4）在跑步支撑阶段,10km·h-1跑速下的RE与对应主动力峰值（r=0.434,P=0.017）、推进力峰值（r=0.453,P=0.012）、制动力峰值（r=-0.428,P=0.018）和垂直刚度（r=-0.362,P=0.049）呈中度相关;12km·h-1跑速下的RE与对应冲击力峰值（r=0.429,P=0.018）和制动力峰值（r=-0.496,P=0.005）呈中度相关。研究结论:（1）在跑步过程中,触地时较小的踝关节背屈角度,离地时较小的髋、膝关节屈曲角度,支撑阶段较低的髋、踝关节屈曲（背屈）峰值;以及腾空阶段髋、膝、踝关节屈曲（背屈）峰值的减少和腾空阶段膝关节较小的伸展幅度,提示有利于改善跑者的RE,促进耐力运动表现的提高。（2）较高的垂直、水平地面反作用力以及较小的垂直刚度可能对RE产生负面影响。（3）低速度下较长的触地时间以及通过增加触地指数可能是跑者以达到低能量消耗的一种新的有效策略。

关键词： 时差成像技术   形态动力学参数   囊胚质量   颗粒细胞   高尔基磷酸化蛋白3   哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路  

摘要： 目的: 1.利用Time-Lapse系统研究胚胎发育形态动力学参数与囊胚质量的关系。 2.探讨卵丘颗粒细胞内GOLPH3/mTOR信号通路表达对受精卵发育形成优质囊胚的影响。 方法: 1.根据纳排标准收集因男性不育症行ICSI(Intrcytoplasmic Sperm Injection,卵胞浆内单精子显微注射技术)助孕的24对夫妇的病例资料,对其第5天囊胚(共80个)进行形态学评分,回顾TLS(Time-lapse Systems,Time-lapse系统)全程记录的胚胎发育形态动力学参数,记录胚胎发育过程中特定胚胎发育事件及其发生时间。比较优质囊胚组和非优质囊胚组形态动力学参数的差异,并使用ROC(Receiver Operating Characteristic Curve,接受者操作特性曲线)评估胚胎形态动力学参数预测优质囊胚形成的能力,确定AUC(Area Under the Curve,曲线下面积),寻找具有最佳区分能力的临界值。 2.通过横断面研究,从119例接受ICSI助孕的女性患者中收集456个卵冠丘复合体中卵丘颗粒细胞,应用ICC(Immunocytochemistry,细胞免疫化学)和WB(Western Blotting,蛋白质印迹)检测颗粒细胞GOLPH3(Golgi Phosphoprotein 3,高尔基磷酸化蛋白3)/mTOR(Mammalian Target of Rapamycin,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)信号分子蛋白的表达,采用Real-time PCR(Real-time Reverse Transcription-polymerase Chain Reaction,实时荧光定量逆转录聚合酶链式反应)检测GOLPH3/mTOR信号分子m RNA(Messenger Ribonucletic Acid,信使核糖核酸)。比较分析ICSI后受精卵发育形成优质囊胚组与非优质囊胚组中卵丘颗粒细胞的GOLPH3、mTOR、P-P70-s6k及Caspase 3等信号分子表达差异。 结果: 1.在80个第5天囊胚中,优质囊胚数为35个,形成率为43.75%;非优质囊胚数为45个,占56.25%。研究发现t6、t7、t8、t SC、ECC3和S3等6个参数对预测优质囊胚形成有统计学意义,且优质囊胚中的t6、t7、t8、t SC、ECC3和S3均小于非优质囊胚组(P<0.05)。对以上参数进行ROC曲线分析其AUC值均>0.5,其中t SC的辨别能力最佳(AUC=0.666,95%CI 0.546-0.786),且t6<52.58 h、t7<54.87h、t8<58.95 h、t SC<79.79 h、ECC3<22.17 h和S3<7.62 h均可作为独立因子预测优质囊胚的形成。 2.在456个卵母细胞中,共138个卵母细胞经ICSI治疗后发育形成优质囊胚,318个卵母细胞ICSI后未发育成优质囊胚。ICC、WB和Real-time PCR分析结果均显示,优质囊胚组中颗粒细胞的GOLPH3/mTOR/P-P70-s6k等蛋白分子的表达均高于非优质囊胚组,并且其m RNA转录水平升高,而优质囊胚组中Caspase 3表达明显低于非优质囊胚组,组间差异均具有统计学意义(P<0.01)。 结论: ***-Lapse系统形态动力学参数有助于预测优质的囊胚形成,为选择囊胚移植提供参考。 2.卵丘颗粒细胞GOLPH3/mTOR信号通路分子与卵母细胞质量存在相关性,可能影响受精卵发育形成优质囊胚。

关键词： 工业机器人   动力学参数辨识   无源控制理论   自适应鲁棒控制  

摘要： 工业机器人作为多输入、多输出、智能化的高端加工制造装备系统,具有适用性强、效率高、经济性好等特点,被广泛应用于汽车、航空、航天等领域。上述领域产品在加工制造时具有尺寸大、结构复杂、载荷重等特点,工业机器人经常需要在高速、重载工况下运行,其动力学特性对控制系统精度的影响较大。因此,有必要将机器人的动态特性考虑进机器人的控制当中,即对机器人进行基于动力学模型的控制。然而,工业机器人的动力学模型具有高非线性和强耦合的特点,其参数解耦和辨识困难,参数辨识误差和负载干扰等不确定性对动力学控制精度影响较大。鉴于此,本论文对工业机器人动力学模型参数辨识和动态鲁棒控制方法进行了研究。首先,本文以SNR6工业机器人为研究对象,分析计算其正逆运动学模型,利用欧拉-拉格朗日方法建立含摩擦项的SNR6工业机器人动力学模型;其次,采用最小二乘法对机器人动力学模型的最小参数集进行辨识,分析参数线性化前后的机器人动力学模型,求解机器人动力学全参数模型;再次,对机器人模型参数辨识误差和负载干扰进行分析,建立了具有不确定性的SNR6工业机器人动力学模型,基于无源控制理论设计了一种SNR6工业机器人的无源鲁棒控制器,该控制器包含了基于机器人动力学辨识模型设计的无源控制部分和基于在线辨识不确定性边界信息设计的自适应鲁棒控制部分,利用有界性理论证明了所提控制器的稳定性;然后,借助Solidworks与Simulink的联合仿真,模拟不同工况,对所提控制方法进行了数值仿真,初步验证所提控制方法的有效性;最后,基于Twin CAT3搭建了SNR6工业机器人控制系统的实验平台,完成了控制系统主要功能模块的开发,设计了不同工况的实验验证方案,通过与基于逆动力学的PID控制方法对比,进一步验证了所提控制方法的可行性和先进性。

关键词： 车轮多边形   磨耗踏面表征参数   轮径差   神经网络   动力学性能预测  

摘要： 车轮作为转向架的关键零部件,其外形特征影响着车辆稳定性、安全性和平稳性。随着动车组服役里程增加,车轮会出现圆周磨耗、踏面磨耗等情况,恶化了轮轨接触关系。而当前关于车轮磨耗对动力学性能影响研究集中在常规动力学仿真方面,未考虑边界条件的随机因素,并且每次进行数值仿真的计算效率较低,难以实现工程化应用。因此本文基于路局丰富的镟床数据,分析车轮圆周磨耗和踏面磨耗特征,对车轮多边形和影响车辆动力学性能的车轮踏面尺寸展开研究,最终建立基于神经网络的车辆动力学性能预测模型,主要开展以下研究: (1)对四种车型动车组镟床数据进行分析,首先统计了车轮多边形发生率以及阶次分布情况,其次统计了车轮踏面磨耗和凹磨分布规律,最后阐述了两种车轮磨耗踏面表征参数。结果表明:中间车厢的多边形发生率高于头尾车厢,各动车所车辆的车轮主要表现为低阶不圆,高阶多边形数量较少。 (2)通过UM建立车辆系统动力学模型,采用FASTSIM快速算法计算接触斑状态以及USFD模型计算瞬时磨损量,以实测车轮多边形数据为输入实现其磨耗仿真研究,并结合谐波函数研究车轮多边形对轮轨系统动态响应的影响。结果表明:随着运行里程的增加多边形存在波峰和波谷磨耗加快情况,且最后圆周轮廓与初始廓形有相位差;径跳值和多边形阶次对轮轨垂向力、轮对和轴箱的垂向加速度影响明显,对构架和车体的垂向加速度影响较小。 (3)从轮径差、轮缘厚以及车轮磨耗程度研究其对车辆对应性能的影响,筛选车轮尺寸对车辆系统响应的关键影响因素。搭建UM和MATLAB的联合仿真模型,编写迭代控制程序,考虑悬挂参数、轮轨参数以及线路条件等随机影响参数,完成高速列车动力学分析,以车轮磨耗踏面的表征参数、实测车轮轮径差和径跳值为输入集,动力学计算结果为输出集,设置对应神经网络结构,实现车辆动力学性能预测,并通过数据验证了模型的有效性。搭建车轮磨耗参数预测模型,使性能预测模型能有效地评估车辆镟修前的状态。