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关键词： 可调距螺旋桨   动力学分析系统   参数化设计   知识工程   结构框架  

摘要： 随着我国海洋事业发展，对船舶建造相关设备反应速度要求越来越高。可调距螺旋桨作为船舶领域常用的推进器具有便捷性、操纵性、快速性等优点，但因其结构复杂，设计周期较长，所以，是否能够进行快速设计对企业来说尤为重要，甚至影响企业的生存能力。本研究以可调距螺旋桨为目标对象，通过开发一套带有知识工程技术的可调距螺旋参数化设计和动力学分析系统，来满足企业需求。具体工作内容如下：　　（1）研究系统所涉及的关键技术，如知识工程技术中的知识获取、表示和推理等，以及SolidWorks和Adams二次开发技术。　　（2）分析了调距桨的整体结构和传动原理，并重点分析相关零部件的设计知识，包括几何参数、校核计算、性能方面等。研究了知识库的结构框架以及实现方式，实现了以知识库为基础来驱动系统进行参数化设计的方法。　　（3）研究调距桨参数化建模系统需求，系统整体结构的组成，完成基于知识工程技术的系统各模块功能开发。　　（4）在参数化设计系统的基础上，继续实现调距桨的参数化动力学分析系统开发，搭建一个友好的图形用户界面，使用户能够在界面中完成调距桨动力学仿真的全过程，最后以苏船SRP1450-FP调距桨模型为例，分析验证系统的可行性。　　将知识工程技术融入到设计过程当中，通过重复利用设计知识，改善设计流程，提高了设计效率，为企业带来了极大的便利性。

关键词： 左心室辅助装置   搏动性   脉动泵速模式   血流动力学参数  

摘要： 心力衰竭的患病率正在逐渐攀升,而左心室辅助装置(left ventricular assist device,LVAD)即人工心脏近年来已经成为治疗心力衰竭的一种重要手段。然而,目前使用较多的连续流LVAD(包括离心式和轴流式血泵)一般都是在恒定血泵转速下工作,持续泵出恒定的血流量,不但不能满足不同生理活动下的血液灌注需求,还会造成血流动力学信号的搏动性降低,导致外周血管和其他器官各种不良事件的风险增加。因此,本论文利用零维集中参数模型提出脉动泵速控制算法解决上述问题,并在此基础之上利用三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真在真实主动脉模型上比较不同血泵类型和工作模式下的血流动力学效应,即从多尺度分析人工心脏不同工作模式对血流动力学参数的影响。 首先,本研究搭建了基于人体心血管系统和人工心脏的耦合集中参数模型,在此基础上提出了一种无需额外传感器的人工心脏反馈控制策略,该算法利用增益调度比例积分控制器使实际泵速差在高泵速差参考值和低泵速差参考值之间切换,并获得轴流式LVAD在恒定和脉动泵速模式下的血流动力学参数;其次,基于患者的临床CT图像提取并处理主动脉弓三维模型,并采用离心式LVAD动物实验的数据作为边界条件,构建了适合进行CFD仿真的真实数据和模型;最后实施CFD仿真,定量地阐明不同人工心脏类型和泵速工作模式对临床患者特异性主动脉模型的血流动力学影响,计算压力分布、壁面剪切应力、时间平均壁面剪切应力、震荡剪切指数和血流速度,比较离心式和轴流式LVAD支持时恒定泵速和脉动泵速模式下的各种血流动力学差异。 结果表明,在LVAD恒速支持下的主动脉脉压明显减小,所提出的脉动泵速控制策略在休息和运动状态下均将主动脉脉压恢复到正常生理范围,即提高了血流动力学信号的搏动性,并且没有发生由于泵速设置不当等原因导致心室塌陷的抽吸现象;而在三维CFD仿真结果中,两种类型的LVAD在脉动速度下的主动脉脉压均大于恒速模式,且与恒速相比脉动速度还增强了峰值壁面剪应力。另外,不论何种LVAD及工作模式,高TAWSS区域均出现在左颈总动脉和远端主动脉分支附近,同时这些区域也具有低OSI。 本研究在零维和三维尺度下全面地探究了LVAD类型和泵速工作模式对血流动力学信号的搏动性及其他血流动力学参数的影响,可为科学合理地选择用于治疗心力衰竭的LVAD和其脉动泵速模式提供有效的参考依据。

关键词： 三稳态   振动能量捕获   正态分布   简谐激励   分岔   高斯白噪声激励  

摘要： 近几十年来,探寻新型能源已称为公众关切的重大议题之一。振动发电指把振动机械能转换为电能,这种新式能源的利用不仅是一种节能环保措施,也可替代传统化学电池为微电子设备提供可持续电源,因此国内外学这围绕振动能量收集开展了大量研究。本文以三稳态振动能量捕获系统为研究对象,深入研究了在简谐激励和白噪声激励下,结构参数随机变化对三稳态振动能量捕获系统动力学特性影响,本文主要研究内容有: 对三稳态振动能量捕获系统进行平衡点静态分岔分析,研究了结构参数a、b、c随机变化符合正态分布时,不同方差对系统势能函数的影响。结果表明系统稳态变化存在两种不同的分岔方式,参数方差的变化对三稳态势能函数势阱深度和势阱宽度有较大的影响。 研究了简谐激励下,参数符合正态分布时,分别以激励幅值和激励频率为分岔参数,结构参数方差对系统动态分岔特性的影响。研究了参数a符合正态随机分布时,得出a方差对系统分岔特性影响较小;参数b符合正态分布时,得出随着b方差的增大,系统混沌运动区间大幅减小,原本连续的混沌区间变得不连续,且出现了多种周期运动,b方差对系统分岔特性影响较大;参数c符合正态随机分布时,随着c方差的增大,发生混沌运动的阈值不断提前,且周期运动区间大幅增加。随着c方差增大,混沌运动频率带宽大幅减小,周期运动消失,c方差对系统分岔特性影响较大。 通过数值仿真研究了白噪声下结构参数随机变化对三稳态振动能量捕获装置动力学及发电特性影响。首先分析了不同噪声强度对发电特性的影响,得出输出功率随噪声强度的增加而增加,最后趋于稳定。研究a均值对输出功率的影响,得出在三稳态区间时,系统输出功率最高,在此基础上,分析a方差对输出功率的影响,输出功率随a方差的增大输出功率先增大后减小的趋势。研究b均值对输出功率的影响,均方根功率随b均值增大呈现出先增大后减小的趋势,通过分析b方差对发电性能的影响,得出在此参数下系统在三稳态时输出功率较高。研究c均值对输出功率的影响,均方根功率随c均值增大呈现出先增大后减小的趋势,通过分析c方差对发电性能的影响,得出了系统较好发电效果时的方差范围。

关键词： 裂纹呼吸效应   旋转载荷激励   耦合方法   动力学响应   参数识别  

摘要： 在线振动监测是一种对转子裂纹故障进行及时诊断的有效方法,该方法的本质思想是裂纹的出现会使得转子振动异常,故对裂纹转子系统动力学行为进行深入研究至关重要。长期以来相关研究表明,重力将导致转子裂纹产生呼吸效应。然而,运行中的转子无法避免旋转载荷激励,对于航空发动机和轻型燃气轮机转子而言,旋转载荷的存在会使裂纹的呼吸效应更加复杂。为此,应采用恰当的模型考虑旋转载荷激励下的裂纹呼吸行为,这直接影响着裂纹转子系统的动力学特性。 针对上述问题,本文以旋转载荷激励下的呼吸型裂纹转子系统为研究对象,建立了转子系统的动力学模型,并围绕着转子系统的动力学特性展开了仿真分析与试验研究。同时,以克里金预测模型对旋转载荷激励下的裂纹转子系统进行裂纹参数与旋转载荷参数的联合识别。 对于旋转载荷激励下的呼吸型裂纹转子系统建模问题,本文主要基于有限元方法,其中的关键在于裂纹单元刚度的计算。首先在考虑旋转载荷激励下的裂纹呼吸效应方面,提出以一个极限转速作为分界点。当转子运行转速低于极限转速时,裂纹在重力的主导作用下处于均匀呼吸状态。而当转子运行转速高于极限速度时,旋转载荷将取代重力的主导作用,此时的裂纹将保持屏气呼吸。 而后根据所提出的裂纹呼吸模型推导裂纹单元的刚度,若裂纹保持均匀呼吸状态,则在应变能释放率(strain energy release rate,SERR)理论体系下采用裂纹开闭线位置(crack closure line positions,CCLP)法计算裂纹单元刚度。若裂纹保持屏气呼吸状态,则提出在SERR体系下将CCLP方法与中性轴(Neutral axis,NA)方法相耦合,以此实现对裂纹单元刚度的计算。伴随着关键问题的解决,最终得出了旋转载荷激励下的呼吸型裂纹转子系统动力学模型。 针对裂纹转子系统的动力学特性,依据所建立的动力学模型开展仿真分析。当裂纹的呼吸方式在极限速度处发生了转变,转子系统将发生涡动现象,且该涡动现象在所搭建的裂纹转子试验台上得到了验证。与传统的重力主导下的呼吸模型相比,本文提出的呼吸模型在涡动现象和临界转速响应幅值的描述上更加接近试验数据。 在动力学模型得到了初步的验证后,分别以仿真和试验的方式更为详细的探究了裂纹深度、裂纹位置、旋转载荷激励幅值以及旋转载荷矢量方向等参数对动力学特性的影响,随着各参数的不断变化,裂纹转子系统在亚临界转速区的超谐波响应、极限速度下的涡动特性和临界转速处的动力学行为都将受到不同程度的影响。 通过寻找仿真与试验中存在的一致性规律,可以得出有助于故障诊断的相关结论,即在判断转子是否存在裂纹故障时应结合亚临界转速区的2×超谐波共振现象和呼吸方式转变引发的涡动特性。若已确定转子发生裂纹故障,亚临界转速区的2×和3×响应、涡动特性以及临界转速下的动力学行为可辅助识别裂纹参数和旋转载荷参数。 针对旋转载荷激励下的呼吸型裂纹转子系统参数识别问题,构建了Kriging预测模型,以裂纹参数和旋转载荷参数作为待预测点,而裂纹转子系统的动力学响应幅值则被作为Kriging预测模型的响应函数。研究结果表明:当响应函数为1/2临界转速区2×幅值、1/3临界转速区3×幅值和极限速度下的涡动幅值时,可在旋转载荷干扰下提高裂纹参数的识别准确率。与此同时,并非响应函数的数量越多越有益于准确识别参数。

关键词： 页岩   分子模拟   抗拉特性   弹性参数   微观机理  

摘要： 页岩油气作为非常规油气资源的一种重要类型,蕴藏着巨大的勘探潜力,可压性是页岩油气勘探开发最为关键的内容之一。页岩力学性质下的弹性参数是页岩可压性重要的表征参数。中国广泛发育咸化湖盆页岩油,研究咸化湖盆页岩力学性质在地质条件下的演化特征对明确页岩可压性及甜点预测和提高采收率具有重要意义。目前对页岩力学性质的研究主要集中在页岩抗压特性方面,对其抗拉特性的研究较少。抗拉特性是评估流体注入地层后岩石破裂压力以及裂纹扩展的重要参数。为研究页岩抗拉特性,本论文以吉木萨尔凹陷页岩为例,结合实际地质条件采用分子模拟的方法研究页岩的拉伸力学性质,利用分子动力学模拟的手段总结研究了温度、压强、孔隙结构、矿物组成及不同流体对页岩拉伸力学性质的影响及其微观机理,结果表明,温度与页岩抗拉特性呈负相关,压强与页岩抗拉特性呈正相关;孔隙越大,页岩抗拉能力越弱,同孔隙体积下,三角形孔隙形状相对于其它孔隙形状分散应力的能力最强,抗拉能力强;石英等抗拉能力强的矿物则增加页岩的抗拉强度;水对页岩抗拉能力的降低最为明显,天然气其次,油最小。该研究成果对于从微观层面研究页岩的抗拉特性以及页岩油气的勘探开发具有一定指导意义。

关键词： 并联平台   改进差分进化算法   模态空间   线性扩张观测器   滑模控制  

摘要： 六自由度并联平台是实现模拟飞机驾驶、汽车行驶以及空间站对接实验等应用场景的重要设备,给定并联平台不同的位姿,实现不同轨迹的运动。为了保证六自由度并联平台实现模拟运动的准确性以及较好的动态响应特性,于是对并联平台的精度、动态性能等指标提出了更高要求。六自由度并联平台是一个多输入多输出的非线性复杂系统,当自由度空间进行单自由度运行时,会对其余自由度产生影响,也就是耦合效应。此外,六自由度并联平台中动平台的重力以及虎克铰的间隙和摩擦等,也会对控制精度产生一定影响。因此本文以高精度、高响应以及低耦合为目标对六自由度并联平台展开以下研究: (1)对六自由度并联平台的运动学、动力学和伺服电动缸的相关数学模型进行推导,为动力学参数辨识和控制提供理论基础。在Solid Works中利用Simscape Multibody Link插件将三维模型导入MATLAB/Simulink中形成物理仿真模型,通过仿真验证运动学和动力学建模的准确性。 (2)对六自由度并联平台进行动力学参数辨识既有利于实现基于模型的控制,又能实现物理空间到模态空间的转换。首先分析参数辨识的影响因素和动力学的主要参数,然后推导动力学参数的辨识模型,由于数据的平稳性和内存消耗等原因,使递推最小二乘的辨识效果存在一定的局限性,因此引入基于种群的全局搜索策略改进差分进化算法,最后根据仿真对比分析得出改进差分辨识算法的优越性。 (3)对六自由度并联平台模态空间的控制进行研究,由动力学参数辨识得到惯性矩阵,由此转换至关节空间后经奇异值分解,接着把特征向量单位化、正交化得到单位正交矩阵,该矩阵用于实现物理空间至模态空间的转换,从而有利于提出模态空间下的控制算法。首先在物理空间中进行PID控制仿真实验展现并联平台的耦合效应,其次依据模态空间变换理论分析并联平台的解耦特性和物理空间解耦条件,然后提出模态PID控制算法并仿真验证其解耦效果,但在动态响应存在一些差距,最后基于此提出模态空间下基于线性扩张状态观测器的滑模控制,提高并联平台的动态响应并降低耦合效应。 (4)对动力学参数辨识和控制进行实验验证。开发基于x PC控制系统的硬件与软件系统,利用实验平台进行最大运动范围实验、动力学参数辨识实验、定位精度、耦合测试和动态响应测试实验,验证辨识算法与模态空间控制算法的有效性。

关键词： 颅内动脉粥样硬化性狭窄   支架内再狭窄   定量数字减影血管造影   血管几何形态   单核细胞与高密度脂蛋白胆固醇比值  

摘要： 目的:颅内动脉粥样硬化性狭窄（intracranial atherosclerotic stenosis,ICAS）是缺血性卒中的主要原因之一,除了规范的药物治疗以外,支架置入或可考虑作为部分高风险症状性ICAS患者的一个备选方案。然而,在介入治疗术后随访过程中部分患者可能会出现支架内再狭窄（in-stent restenosis,ISR）,ISR的发生会增加随访期间患者卒中风险,影响支架置入远期效果。本研究拟从定量数字减影血管造影（quantitative digital subtraction angiography,QDSA）血流动力学参数、血管几何形态、新型炎症指标等方面探究影响ISR的独立危险因素,并尝试构建一种应用于早期识别ISR实现患者风险分层的综合评估新模型。 方法:回顾性收集2012年2月至2021年11月前瞻性数据库南京卒中登记系统中接受支架治疗的重度ICAS（70%-99%）患者的临床资料,基于DSA影像后处理分析评估患者血管几何形态以及QDSA血流动力学参数。其中血流动力学参数分别为达峰时间（time to peak,TTP）、曲线下面积（area under the cur ve,AUC）、峰值（peak value,PEAK）。于靶血管狭窄部位近端和远端选择4个感兴趣区域（region of interest,ROI）由近及远端依次标记为ROI1到ROI4。以ROI1作为参照点计算各QDSA参数的相对值进行标准化,如相对达峰时间(rTTPn-1,rTTPn-1=TTPROIn-TTPROI1),相对曲线下面积(rAUCn/1,rAUCn/1=AUCROIn/AUCROI1)。通过计算治疗前后参数的相对值进一步标准化,如相对达峰时间差(ΔrTTPn-1,ΔrTTPn-1=术前rTTPn-1-术后rTTPn-1),相对曲线下面积相对值(Relative rAUCn/1,Relative rAUCn/1=术后rAUCn-1/术前rAUCn-1)。根据患者住院随访时DSA影像评估其是否发生ISR并分为两组,探究QDSA血流动力学参数、血管几何形态、新型炎症指标与ISR之间的相关性,为ISR早期识别风险综合评估构建新型模型。 结果:共收集312例患者,经纳排标准筛选最终106例纳入分析[年龄61.0（53.8,66.3）岁,男性83例（78.3%）]。其中22例（20.8%）患者发生了IS R,中位随访时间为6.6（6.1,8.8）个月。单因素分析结果显示残余狭窄、单核细胞与高密度脂蛋白胆固醇比值（monocyte to high-density lipoprotein cholest erol ratio,MHR）、高血糖、术后相对长度(RLpost)、术后三角指数(TIpost)、术后rTTP4-1、术后rAUC2/1、ΔrTTP4-1、Relative rAUC2/1与ISR显著相关（P<0.05）。多元logistic分析结果显示残余狭窄（OR=1.107,95%CI 1.028-1.193,P=0.007）、MHR（OR=1.031,95%CI 1.003-1.061,P=0.032）、高血糖（OR=5.695,95%CI 1.393-23.277,P=0.015）、RLpost（OR=0.802,95%CI 0.656-0.981,P=0.032）和ΔrTTP4-1（OR=6.995,95%CI 1.638-29.873,P=0.009）是ISR的独立预测因素。 结论:对于症状性重度ICAS接受支架介入治疗的患者,RLpost、ΔrTTP4-1、MHR、残余狭窄和高血糖这些因素对ISR具有显著的预测价值,结合QDSA血流动力学参数、血管几何形态、新型炎症指标等构建的新型综合评估临床预测模型对颅内动脉ISR具有较高的预测效能。

关键词： 反手拧拉   动作捕捉技术   地面反作用力  

摘要： 本研究通过使用动作捕捉系统来比较乒乓球业余运动员和专项运动员在完成反手拧拉技术动作的不同阶段中,关节角度、角速度、移动速度和地面反作用力的变化情况,,究业余运动员完成反手拧拉技术动作时的变化特征及影响因素。 首先搭建动作捕捉系统,调试好测试环境后。通过动作捕捉系统对5名专项运动员的反手拧拉动作技术进行测试。在收集数据后,对这些数据进行了严谨的分析与处理。最终,建立了一套关于专项运动员完成反手拧拉动作技术时各关节角度、角速度、移动速度以及地面反作用力的标准数据范围。 然后通过动作捕捉系统对10名业余运动员进行第一次反手拧拉动作技术测试,将业余运动员的动作数据与标准数据范围进行对比分析,得出结论发现业余运动员在完成反手拧拉动作技术时,腕关节、髋关节和膝关节角度的变化小于专项运动员。肘关节、肩关节和膝关节的角速度大于专项运动员,而腕关节、髋关节和踝关节的角速度则小于专项运动员。腕关节、肘关节和踝关节的移动速度低于专项运动员。垂直方向和前后方向上受到的地面反作用力小于专项运动员,业余运动员在左右方向上受到的地面反作用力略小于专项运动员。这些结果表明业余运动员在完成反手拧拉技术时,在控制球拍的角度和方向上、动作节奏和力量控制上、重心变化与脚上发力、调整身体位置关系和保持身体平衡以及各关节协调配合上存在问题。 随后对业余运动员和专项运动员反手拧拉动作技术存在的差异进行深入分析,提出改进建议和训练方案,并进行了相应的训练。训练后,对业余运动员进行了第二次反手拧拉动作技术测试,并将前后两次测试的各项数据与标准数据范围进行了对比分析。通过对比分析,发现业余运动员在反手拧拉动作技术的各项数据指标上有了明显的提升,更加接近专项运动员的标准数掘范围。证明了业余运动员的技术水平在经过本研究对比和分析的指导和训练后,得到了明显提高。凸显了动作捕捉系统在分析动作技术方面的准确性与可靠性,为业余运动员技术水平的提升提供了有力帮助。