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关键词： 新型减振器模型   阻尼   载荷特性   动力学性能   节点刚度  

摘要： 在现今高速列车技术飞速进步的时代背景下,公众对列车行驶的平稳性、稳定性和安全性抱有愈发严苛的期待。鉴于减振器在决定列车整体动力学表现方面扮演着核心角色,因此本研究以高速动车组为参照体系,构建了新型减振器模型,深入探究了各类减振器阻尼及节点刚度对其所承载列车动力学特性的具体贡献,并以此为契机推动我国高速列车减振器自主研发与产业化的进程。本文主要工作如下: (1)调研了相关文献,总结了减振器发展进程以及前人对多种类型减振器计算方法和试验测试手段,获得了国内外在减振器理论计算、仿真模拟以及实验方法等方面研究进展。探讨了减振器构造与设计原理,明晰了减振器各组成部分及其功能,研究了不同类型减振器在实际应用中的效能,提出阻尼力进行了精确量化计算方法。 (2)构建了新型减振器模型和车辆系统动力学模型,研究了新型减振器模型与简化模型下车辆的动力学性能,获得了车辆参数对系统振动的影响规律,结果表明两种减振器模型对车辆运行稳定性方面影响不明显。 (3)探究了减振器阻尼参数和节点刚度对车辆动力学性能的影响,获得了不同节点刚度和阻尼参数下减振器的振动特性,结果表明,抗蛇行减振器对车辆动力学性能影响明显,当阻尼值为原始阻尼的40%及节点刚度为2MN/m及以下时,车辆各性能指标明显恶化;轴箱垂向减振器和二系垂向减振器对垂向性能影响较大,二系横向减振器对横向性能影响较大。 图80幅,表4个,参考文献52篇。

关键词： 直拉娃单晶   氧碳杂质   分子动力学模拟   机器学习   工艺优化  

摘要： 本研究以直拉硅单晶生长微观动力学模拟与参数为研究对象,通过跨尺度计算模拟和实验验证,深入分析其动力学参数,旨在为单晶生长工艺优化提供理论支持。随着半导体技术的飞速发展,对硅单晶材料的纯度与缺陷控制提出了更高要求。直拉法(Czochralski,CZ法)生长的硅单晶中,氧和碳杂质的引入对晶体质量有显著影响。氧杂质主要来源于石英坩埚与熔融硅的反应,而碳杂质则来源于石墨加热器的挥发和原料污染。这些杂质在晶体生长过程中表现出复杂的动力学行为,影响晶体的机械性能、电学性能和光学性能。 本研究利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)实验,明确了硅单晶中的一些常用的参数(晶格常数、晶面指数等),分析了缺陷的样品中氧和碳杂质的含量,并描述了其产生的原因。在仿真模拟方面,首先研究硅单晶的三种晶向以及这三种晶向在拉晶过程中采用垂直工艺所得来的同名晶面的不同性质,探究了氧和碳原子在硅晶胞中的嵌入位点、探究了氧和碳不同的嵌入方式及所带了的体积变化,分析了氧原子、碳原子从低到高嵌入硅晶胞过程中所带了的硅单晶的机械性能、电学性能、光学性能的变化。详细阐述了氧原子、硅原子产生的过程及硅晶胞中存在的形式和分布。在此基础上利用分子动力学仿真(MD)建立固液界面的微观结构和一氧化硅分子、一氧化碳分子、硅原子的动力学行为。 在模型预测方面,本研究构建了基于TCN-BIGRU网络模型的微观动力学原子坐标预测模型。通过大量分子动力学模拟数据的训练,该模型能够高精度预测硅单晶原子坐标数值。实验结果表明,TCN-BIGRU模型在训练集和测试集上的拟合效果较好,误差指标均在合理范围内,表明模型具有较高的预测精度和泛化能力。 在模型辨识方面,详细阐述了拉晶过程中应力与应变的关系,并根据MS仿真实验模拟了不同温度下应力、应变、弹性模量三者在弹性阶段的关系。在此基础上建立数学模型,预测某一温度下应力对应的应变,确定了不容易产生晶格畸变的温度变化范围。 本研究通过实验与分子动力学模拟揭示了直拉硅单晶中氧、碳杂质的来源及其动力学行为:结合XRD和XPS实验量化了杂质含量,阐明了石英坩埚和石墨加热器分别主导氧、碳的引入机制;通过模拟发现杂质嵌入导致晶格畸变与体积变化,并揭示了其对机械、电学性能的退化规律;创新性构建TCN-BiGRU原子坐标预测模型,实现固液界面动力学的高精度预测;建立应力-应变模型,提出可抑制晶格畸变的温度区间。下一步,将优化模型以解析多杂质协同效应。

关键词： CMOR机器人   机器人动力学   扰动观测器   模糊自适应导纳控制  

摘要： 中国聚变工程实验堆(Chinese Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)装置的维护过程中,作业环境通常伴随高辐射、高温和狭窄空间等极端条件,传统人工维护操作面临较高的安全风险与技术难度。为此,智能维护系统(CFETR Multipurpose Overload Robot,CMOR)采用宏-微复合机械臂协同执行维护任务,其中微臂采用轻型臂,用于执行具体作业。然而,复杂工作空间的不确定性使得传统刚性控制策略在灵活性与安全性方面存在显著不足,制约了机器人维护效能,因此柔顺控制的研究至关重要。本文主要研究轻型臂机器人的动力学参数辨识及柔顺控制问题,主要内容如下: (1)设计了一种结合模型降维与智能算法的机器人动力学参数辨识方案。通过拉格朗日建模及最小惯性参数集实现动力学模型简化,并采用Stribeck模型描述关节摩擦特性。在此基础上,采用约束最小二乘法辨识惯性参数,确保辨识结果的物理可行性。并结合DBSCAN聚类算法与自适应粒子群算法对非线性摩擦模型进行辨识,以提高摩擦模型的辨识精度。 (2)基于傅里叶级数设计激励轨迹,并完成参数辨识实验与验证。在满足关节运动约束的基础上优化观测矩阵条件数,构建了适用于辨识的傅里叶级数作为激励轨迹,并在新松DUCO GCR12-1300协作机器人上开展实验。结果表明,引入物理约束的辨识结果仍能保持较高的力矩估计精度,且Stribeck模型相比库仑-粘滞模型具有更高的摩擦拟合精度。并在验证轨迹上进一步证明了所辨识模型的良好泛化能力 (3)设计了无传感器的机器人柔顺控制器。首先,结合传统动量观测器与扩张状态观测器的优点,提出了改进扩张状态观测器,实现了无传感器的扰动力矩估计。接着,通过分析阻尼参数对导纳控制的影响,设计了基于模糊控制的自适应导纳控制策略,提高了系统的柔顺性和响应速度。 (4)基于Simulink平台,完成了改进扩展状态观测器和自适应导纳控制器的仿真,并在真机上进行了实验验证。仿真与实验结果表明,相比于传统动量观测器,扩展状态观测器能够有效抑制噪声对估计结果的影响。同时,相比于恒定参数导纳控制,模糊自适应导纳控制有效提高了人机交互过程中的柔顺性与操控性能。 本研究针对轻型臂机器人开展了动力学参数辨识,并设计了模糊自适应导纳控制算法,实现了机器人的柔顺控制。为未来CMOR系统末端微臂在智能维护任务中的安全运行奠定了基础。

关键词： 血友病A   药代动力学   变异系数   膝关节  

摘要： 目的：了解血友病A患者输注凝血因子Ⅷ（FVⅢ）后药代动力学（pharmacokinetic,PK）分布的差异性情况，探索个体化康复训练的临床疗效。方法：于2021年3月—2022年5月期间纳入13例诊断为血友病A患者为研究对象，通过myPKFiT软件监测并计算患者输注FVⅢ后的PK参数分布特征情况，根据患者个体特征开展个体化的康复训练指导，评价康复训练后年出血次数（ABR）、年关节出血次数（AJBR）、关节健康评分（HJHS），以及功能独立性量表（FIM）评分的改善情况。结果：血友病患者输注FVⅢ后清除率、稳态分布容积、FVⅢ半衰期的均数及95%CI依次分别为0.03(0.02—0.03)dl/h/kg、0.49(0.46—0.52)dl/kg、14.05(12.19—15.92)h，变异系数（CV）依次分别为23.93%、10.03%和21.97%。符号秩和检验结果显示myPKFiT指导康复训练后患者的ABR、AJBR、HJHS和FIM等临床症状指标评分均有显著的改善（P<0.05）。结论：血友病患者输注凝血因子后药代动力学呈现不均匀的个体间差异性分布，开展个体化康复训练能够显著改善患者的临床症状。

关键词： 下肢外骨骼   能量代谢   肌肉激活   平衡   地面反作用力  

摘要： 目的:通过对比分析在未穿戴主动式下肢外骨骼（NO-EXO）、穿戴主动式下肢外骨骼未助力（EXO-OFF）和穿戴主动式下肢外骨骼助力（EXO-ON）的三种外骨骼条件下分别进行低速与正常速度步行时的能量代谢与肌肉激活差异,同时辅助对比平衡以及地面反作用力差异。综合评估主动式下肢外骨骼在步行中对能量代谢的影响与助力效果,为后期外骨骼改进及康复医学中的应用提供一定理论基础。 方法:本研究纳入受试者共计24名,进行三种外骨骼条件的前后对照实验。受试者在6min静息测试后分别采用0.5m/s与1.0m/s两种步行速度进行三种外骨骼条件下的6min的步行,在步行过程中同时采集能量代谢与肌肉激活数据。（1）采用Meta Lyzer?3B气体代谢分析仪收集受试者的摄氧量及呼吸交换率,公式转换后得到二氧化碳生成量,再通过计算获得能量代谢成本,同时使用心电系统采集受试者心率。（2）采用Noraxon DTS无线表面肌电采集受试者胫骨前肌（TA）、股直肌（RF）、腓肠肌外侧头（LG）与股二头肌外侧头（BF）的积分肌电（i EMG）与均方根振幅（RMS）。（3）采用Biodex?Balance System SD平衡系统采集受试者姿势稳定性、稳定极限（LOS）及运动单腿稳定性（ASL）。（4）采用Bertec Force Plates测力板采集受试者正常步行下的地面反作用力（Fx、Fy、Fz）。本研究使用SPSS 29.0对数据进行统计分析处理,使用Graph Pad Prism 10对结果进行图表绘制。 结果:（1）能量代谢结果:速度为0.5m/s时的EXO-OFF与EXO-ON较NO-EXO的心率显著性增加（p<0.05）,EXO-OFF较NO-EXO的摄氧量、二氧化碳生成量与能量代谢成本非常显著性增加（p<0.01）,EXO-ON较NO-EXO的摄氧量、二氧化碳生成量与能量代谢成本极其显著性增加（p<0.001）;速度为1.0m/s时的EXO-OFF与EXO-ON较NO-EXO的能量代谢结果均极其显著性增加（p<0.001）;速度为1.0m/s时三种外骨骼条件下的能量代谢结果与0.5m/s相比显著性增加（p<0.05）。（2）肌肉激活结果:速度为0.5m/s时的EXO-ON相比于EXO-OFF和NO-EXO的TA的i EMG和RMS极其显著性降低（p<0.001）,LG非常显著性降低（p<0.01）;EXO-OFF相比于NO-EXO的TA的i EMG和RMS非常显著性增加（p<0.01）。速度为1.0m/s时的EXO-ON相比于EXO-OFF的TA的i EMG与RMS极其显著性降低（p<0.001）,LG非常显著性降低（p<0.01）,BF的i EMG极其显著性降低（p<0.001）,RMS非常显著性降低（p<0.01）;EXO-ON相比于NO-EXO的TA的i EMG与RMS非常显著性降低（p<0.01）,LG显著性降低（p<0.05）;EXO-OFF相比于NO-EXO的TA的i EMG与RMS极其显著性增加（p<0.001）,LG的i EMG显著性增加（p<0.05）,BF的i EMG显著性增加（p<0.05）,RMS非常显著性增加（p<0.01）。速度1.0m/s与速度0.5m/s相比时NO-EXO的TA与LG的i EMG与RMS极其显著性增加（p<0.001）,RF显著性增加（p<0.05）,BF非常显著性增加（p<0.01）;EXO-OFF的TA、RF、LG与BF的i EMG与RMS极其显著性增加（p<0.001）;EXO-ON的TA、RF与LG的i EMG与RMS极其显著性增加（p<0.001）,BF显著性增加（p<0.05）。（3）平衡能力结果:姿势稳定性测试中的左右稳定指数显著性下降（p<0.05）;LOS的总体、前、左和后右的得分显著性增加（p<0.05）,前右的得分非常显著性增加（p<0.01）;ASL左腿为支撑腿时的总体与左右稳定指数显著性下降（p<0.05）。（4）地面反作用力结果:EXO-OFF与EXO-ON条件下的左侧与右侧腿分别经过测力板的地面反作用力垂直方向分力（Fz）较NO-EXO极其显著性增加（p<0.001）。 结论:（1）以低速与正常速度行走时穿戴外骨骼会使能量代谢增加;在三种外骨骼条件下,能量代谢随行走速度增加而增加。（2）以低速行走时穿戴外骨骼助力会使胫骨前肌与腓肠肌外侧头激活降低;以正常速度行走时穿戴外骨骼助力会使胫骨前肌、腓肠肌外侧头与股二头肌外侧头激活降低;在三种外骨骼条件下,胫骨前肌、股直肌、腓肠肌外侧头与股二头肌外侧头激活程度随速度增加而增加。（3）穿戴外骨骼会增加人体平衡能力,尤其是左右方向的平衡能力。（4）穿戴外骨骼会增加垂直方向的地面反作用力,对前后方向与左右方向的地面反作用力无明

关键词： 油气缓冲器   着陆动力学   差分进化算法   灵敏度分析   参数优化   参数修正  

摘要： 支柱式起落架作为当前主流窄体民用客机的核心承载部件,在着陆过程中承担着吸收冲击、减轻结构载荷和保障人员安全等多重任务。围绕该类起落架的动力学建模、仿真分析与优化设计,当前仍面临若干关键问题: 在着陆动力学建模方面,部分研究依赖ADAMS等商用软件,虽具工程适用性,但建模过程封闭不透明,难以支撑理论体系构建;在仿真求解方面,ADAMS求解器的封闭性使其难以与用户自定义算法灵活集成,限制了高阶算法的部署;在灵敏度分析方面,面对高维参数空间和复杂响应,受限于计算资源,难以同时进行多个参数的灵敏度分析;在缓冲器优化设计方面,缺少适应复杂需求的优化算法,优化上限受制于软件平台能力;在参数修正方面,目前仍缺乏通用、高效的全自动修正方法,无法满足复杂工况下的模型快速校准需求。为解决上述问题,主要研究工作如下: 构建了刚性机体飞机对称着陆六自由度动力学模型。模型以物理机制清晰、结构可扩展为目标,对轮胎接地响应、缓冲器泄流过程与摩擦效应进行了细致建模,采用TRR64轮胎模型、泄流系数与油孔收缩比函数及Karnopp摩擦模型。该模型参数可控、结构清晰,为后续研究工作奠定了理论基础。 开发了基于四阶龙格库塔方法的着陆动力学仿真程序并整理了落震试验装置构成、实施流程和工况组成。程序可输出系统各关键作用力的全时域响应,适用于复杂动力学行为的分析与研究。仿真结果与试验数据吻合良好,验证了程序的准确性与可信度,具备良好的开放性与扩展性,为后续算法集成与优化设计提供了稳定高效的支撑平台。 开展了多参数灵敏度分析,得到定性结论:在垂向载荷峰值位于气峰附近的工况下,垂向载荷最大值与气体多变指数正相关,航向载荷最大值与结构阻尼正相关。降低气体多变指数、增大结构阻尼有助于减小载荷合力峰值。采用Sobol序列均匀采样以控制计算量,并结合概率密度估计图与散点图矩阵进行可视化分析。研究成果为着陆载荷设计提供了有益参考。 面向工程需求开发了新型缓冲器参数优化方法。结合工程经验对空气弹簧力曲线进行初步设计,确定缓冲器行程、气体初始填充体积和压强。构建多目标优化函数,采用差分进化算法对油针几何外形进行优化。结果表明:优化后的油针在降低载荷与提升缓冲器效率方面表现良好。研究成果为工程应用中的复杂需求优化提供了一定的解决方案,在灵活性与可扩展性方面表现出了较为明显的优势。 面向工程需求开发了新型缓冲器参数修正方法。结合工程经验,对气体多变指数、正行程油液阻尼力修正系数、支柱刚度修正系数和支柱结构阻尼等参数分别定义误差目标函数,并通过差分进化算法分步调节完成修正。结果表明:该算法在不同工况下均具备良好的修正效果,显著提升了模型校准效率,解决了工程中缓冲器参数全局修正繁琐费时的难题。 综上所述,本文以支柱式起落架飞机为研究对象,开展研究工作,取得的成果包括:刚性机体飞机对称着陆六自由度模型及仿真程序,新型缓冲器参数优化和修正方法。该成果对于解决支柱式起落架相关的若干工程问题,有一定参考价值,有助于提升我国民用飞机着陆系统的设计能力和工程效率。

关键词： 柱形泡动力学   开尔文冲量   双圆柱   高速摄影技术  

摘要： 空化现象是由于液体某处流速过快导致该处液压降低,液体汽化产生空泡的现象。空泡溃灭会释放能量产生冲击波、微射流等现象,对固体材料的表面造成空化侵蚀作用。在水力机械的阀门、喷嘴和轴承等过流部件中,由于流道狭窄引起液体流速过快,会形成空泡并对过流部件表面造成空化侵蚀。同时,由于流道的限制,空泡会呈圆柱状振荡。柱形泡受到各类不同形状的过流部件表面的影响,会导致溃灭时空泡的动力学行为难以预测。而圆柱作为一种非常常见的结构,大量存在于阀门、气缸套、螺旋桨和轴承等机械部件中。 本文基于高速摄影实验和开尔文冲量理论对狭缝内双圆柱附近的空泡动力学行为进行了研究。首先,定性研究了二维流场中,双圆柱对称位置上空泡的形态演变,总结了三种典型的空泡溃灭情形。并探讨了圆柱间距以及在空泡初生位置不同对空泡泡壁变化特性以及空泡周围液体速度的影响。其次,定量讨论了不同圆柱间距和初生位置下空泡泡壁速度的变化情况,并根据空泡周围理论液体速度对泡壁速度进行了验证。最后,展示了不同圆柱间距下的开尔文冲量分布情况,深入分析了冲量的变化情况及其各分量对开尔文冲量的贡献。本文的工作和主要结论如下: (1)当空泡位于双圆柱对称位置时,随着空泡远离双圆柱,三种典型空泡溃灭情形被归纳如下:距离较近时,泡壁未产生凹陷,空泡表面形成液膜;距离中等时,空泡左右两侧泡壁形成程度相当的凹陷;距离较远时,空泡左右两侧泡壁产生凹陷,左侧凹陷程度变小,右侧凹陷程度变大。 (2)双圆柱的间距以及空泡初生位置会显著影响着空泡在溃灭阶段的动力学行为和液体流场速度分布。在双圆柱对称位置,圆柱间距的增大对削弱空泡溃灭时的剧烈程度,而空泡横坐标的变化会导致空泡附近液体速度的下降。 (3)开尔文冲量可以有效预测空泡形心运动。开尔文冲量强度较大的区域分布在圆柱壁面周围,且离圆柱壁面越远,开尔文冲量强度越低,同时,在双圆柱的中心位置存在一个椭圆状低值区,该区域的范围随着圆柱间距的增大而变大。

关键词： 蔡氏电路   储备池计算   参数重构   倍周期分岔图  

摘要： 蔡氏电路因其丰富的动力学行为,如倍周期分岔、混沌现象及初值敏感性等,在非线性科学研究和工程应用中具有重要价值。然而在蔡氏电路的实验教学过程中,受限于测量设备的分辨率和数据获取能力,完整记录电路系统所有状态变量的难度较大,使得动力学行为的精确描述变得困难。并且由于测量精度、数据噪声以及部分观测变量的缺失,蔡氏电路的理论模型无法与实验数据匹配,导致实验结果难以准确复现。因此,如何在有限实验数据条件下有效重构系统的动力学特征,准确刻画系统的非线性行为,成为蔡氏物理实验教学中的关键问题。针对这一问题,本文先后采用数值计算与机器学习的方法,对蔡氏电路的动力学行为进行重构,旨在提高蔡氏电路实验数据的利用率,并增强动力学重构方法在实验数据不完备情况下的适用性和准确性。 本文第一部分采用数值计算方法对蔡氏电路的动力学特征进行了重构。基于蔡氏电路的理论方程,利用最小二乘法(Least Squares Method,LSM)对系统动力学参数进行拟合,并通过计算相对误差评估重构精度。在数据完整的情况下,该方法能够较准确地恢复系统的分岔结构和吸引子形态,说明最小二乘法在理想数据条件下具备较高的准确性与可行性。但在实验数据缺失的情况下,尤其是电感电流测量不可得时,最小二乘法的重构精度显著下降,部分参数估计出现较大误差,导致分岔点位置发生偏移,周期窗口的结构性特征无法准确刻画。这一现象表明,传统数值方法在实验数据不完备的情况下存在一定的适用性局限,需要引入更为灵活的建模策略,以提高系统动力学行为的重构精度。 为克服实验数据缺失导致的重构精度下降问题,本文第二部分采用机器学习方法对蔡氏电路的动力学特征进行了重构。结合储备池计算(Reservoir Computing,RC)方法,本文采用了一种参数感知储备池计算(Parameter-Aware Reservoir Computing,PARC)框架,以提升模型在实验数据缺失情况下的预测能力。PARC方法通过在储备池计算的输入层额外引入参数通道,使得模型能够同时学习系统状态变量与电阻等电路参数之间的关系,从而在数据缺失、参数不确定及实验噪声干扰的情况下,仍然能够利用少量数据有效推断未知状态下的吸引子形态,并重构系统的分岔图,表现出更强的鲁棒性和泛化能力。特别是在电感电流数据不可得的情况下,PARC方法仍能准确捕捉系统的周期窗口结构及分岔点位置,实现对实验系统更精细的动力学描述。这一方法不依赖于严格的理论方程,通过学习实验数据中的动力学模式,实现对系统行为的有效预测,从而在实验数据有限且部分观测变量缺失的条件下,依然能够获得较高精度的动力学重构结果。 本文采用数值计算与机器学习方法,利用少量数据对蔡氏电路系统的相图与分岔结构等动力学特征进行重构,克服实验数据缺失带来的精度下降问题,建立实际实验与理论模型的联系,为非线性物理实验教学提供辅助工具,增强学生对动力学行为的理解。