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关键词： 协作机器人   动力学参数辨识   人机交互  

摘要： 人机协作是当今机器人研究的热点方向之一。本文以自建六轴协作机器人平台为对象,围绕协作机器人的关键技术展开研究:在机器人运动学和动力学建模基础上,开展机器人动力学参数辨识研究;利用观测器估计交互力,然后对交互意图判断、柔顺控制等人机交互技术开展研究。本文主要包含以下研究工作: (1)六轴协作机器人运动学、动力学建模和动力学参数辨识分析。基于MDH法对机器人进行了运动学建模。然后对机器人动力学方程的线性化和线性重组进行了分析,获得了满秩的动力学线性方程组和机器人动力学最小参数集。最后基于有限傅里叶级数设计和优化了激励轨迹。为机器人动力学参数辨识和人机交互控制打下了基础。 (2)提出了一种改进的机器人动力学参数辨识方法。首先针对传统库伦-粘滞模型和Stribeck模型对关节摩擦力拟合不准确的问题,提出了多项式关节摩擦模型。针对传统最小二乘法未保证机器人动力学参数具备物理可行性的缺陷,利用线性矩阵不等式(LMI)对动力学参数添加了物理可行性约束,并将机器人动力学参数辨识问题转换为一个半正定规划问题(SDP)。基于MATLAB和SolidWorks联合仿真,开展机器人动力学参数辨识仿真实验,验证了LMI＿SDP法对动力学参数计算结果物理可行性约束的有效性。 (3)针对位置数据二次差分后得到的加速度信息噪声太大,导致直接基于动力学模型的外力估计方法不可行的问题,提出了基于广义动量的扰动观测器的人机交互力的估计方法。针对扰动观测器未对人机交互意图进行区分的问题,分析了不同意图下的交互力的功率谱密度差异,并设计带通滤波器用于区分人机交互意图。基于导纳控制原理,设计了机器人柔顺控制器,实现机器人末端的柔顺拖动示教功能。 (4)六轴协作机器人平台搭建与实验。基于嵌入式开发板和实时以太网(EtherCAT)总线搭建了协作机器人实验平台。在此平台上开展了机器人动力学参数辨识实验和人机交互实验:动力学参数辨识实验表明了本文提出的基于多项式摩擦模型的LMI＿SDP动力学参数辨识方法,能够在保证动力学参数物理可行性的前提下,提高机器人动力学参数辨识的精度。人机交互实验包括交互外力的估计实验、交互外力意图判断实验和机器人末端柔顺拖动实验,实验结果表明了本文人机交互方法的有效性。

关键词： 泥石流活动性预测   启动物源   动力学参数   数值模拟   暴雨  

摘要： 泥石流是最频发的地质灾害类型之一。泥石流活动性预测是泥石流灾害风险评价和防治工程设计的基础。本文以甘肃兰州阿干镇为研究区,以区内两条典型的泥石流沟铁冶沟和大西沟为研究对象,在现场详细调查的基础上,采用动态固体物源与泥石流动态相耦合的数值模拟手段,预测不同暴雨工况下的泥石流活动性。其中,采用适合浅层降雨滑坡的数值模拟软件TRIGRS软件预测为泥石流提供物源的失稳斜坡区段,基于崩滑面积与体积经验公式估算泥石流启动物源量;采用RAMMS、FLO-2D两个泥石流动态数值模拟软件,模拟泥石流流速、泥深、堆积范围和堆积厚度等动力学参数,基于实际调查数据验证,确定两条沟谷最可能的动力学参数。研究取得的主要认识如下: 1、20年、50年、100年一遇暴雨工况下,TRIGRS的模拟结果显示,铁冶沟流域内失稳斜坡面积分别为12.64×10~4m2、32.52×10~4m2、73.28×10~4m2,大西沟流域内失稳斜坡面积分别为11.68×10~4m2、29.84×10~4m2、56.64×10~4m2。依据阿干镇崩滑失稳面积与体积间的关系,估算三种暴雨工况下铁冶沟流域内泥石流启动物源量分别为18.16×10~4m3、43.18×10~4m3、87.03×10~4m3,大西沟流域内泥石流启动物源量分别为20.35×10~4m3、39.27×10~4m3、78.35×10~4m3。 2、20年、50年、100年一遇暴雨工况下,基于FLO-2D的模拟结果显示,铁冶沟内泥石流最大流速分别为5.72m/s、6.63m/s、6.74m/s,最大泥深分别为4.37m、4.88m、6.64m;大西沟内泥石流最大流速分别为4.11ms/、4.55m/s、4.93m/s,最大泥深分别为4.23m、4.27m、4.86m。基于RAMMS的模拟结果为,铁冶沟内泥石流最大流速分别为4.61m/s、5.24m/s、6.06m/s,最大泥深分别为1.22m、1.71m、3.13m;大西沟内泥石流最大流速分别为4.53m/s、5.42m/s、6.45m/s,最大泥深分别为0.80m、1.67m、2.54m。 3、将模拟结果与铁冶沟和大西沟经历的极端暴雨时泥石流灾害访问数据对比,RAMMS反演所得的铁冶沟泥石流活动参数与调查数据更接近,而FLO-2D反演所得的大西沟泥石流活动参数更准确。因此,推荐将基于RAMMS的模拟结果用于铁冶沟泥石流灾害评价,将基于FLO-2D的模拟结果用于大西沟泥石流灾害评价。

关键词： 五轴铣削   薄壁叶片   变齿距球头铣刀   铣削稳定性   时变模态  

摘要： 薄壁叶片是典型的复杂弱刚度零件,五轴铣削是其主要的加工方式,但是加工过程中容易引发颤振。相关研究表明变齿距刀具能够起到抑制颤振的作用,但是目前关于变齿距刀具铣削稳定性的研究主要集中在三轴铣削加工过程,关于变时滞(采用变齿距刀具)五轴铣削稳定性的研究鲜有报道。此外,薄壁叶片铣削过程中的模态参数具有时变特性,但是目前关于时变模态参数作用下的薄壁叶片五轴铣削稳定性的研究相对较少。因此,本文开展时变模态参数作用下薄壁叶片多时滞五轴铣削动力学建模与稳定性预测研究,主要围绕薄壁叶片五轴铣削加工铣削力系数的标定、多时滞五轴铣削动力学建模、时变模态参数作用下的稳定性预测、五轴铣削薄壁叶片实验验证四个方面展开研究,主要内容如下: (1)提出了基于接触区域分层思想的精确五轴铣削力系数标定方法。基于离散建模思想,建立了五轴铣削力模型,提取了刀具-工件接触区域,将接触区域沿刀具轴向进行分层处理从而计算五轴铣削力系数,对比表明分层处理后得到的铣削力系数更加精确。最后通过仿真与实验验证了基于接触区域分层思想求解五轴铣削力系数方法的有效性和准确性。 (2)建立了考虑刀具齿间角、切削深度、刀轴倾角等多因素影响的薄壁叶片多时滞五轴铣削系统动力学模型。首先建立了薄壁叶片常规刀具五轴铣削动力学模型,随后建立了针对变齿距球头铣刀的多时滞五轴铣削动力学模型,推导了变时滞五轴铣削动力学方程,为后续薄壁叶片五轴铣削稳定性的预测提供基础。 (3)提出了考虑薄壁叶片时变模态特性的五轴铣削稳定性预测方法。求解了铣削过程中随着刀具位置以及材料去除的时变模态参数,基于所建立的薄壁叶片多时滞五轴铣削动力学方程,生成了考虑时变模态参数作用下的五轴铣削稳定性叶瓣图,获得了稳定加工的工艺参数组合,分析了时变模态参数对薄壁叶片五轴铣削稳定性的影响,选择了不同工况下的参数组合进行铣削实验,验证了所提方法的有效性。 (4)开展了薄壁叶片多时滞五轴铣削稳定性验证实验,验证了本文理论模型和所提方法的有效性,揭示了采用变齿距刀具进行薄壁叶片五轴铣削时具有颤振抑制效果。结合薄壁叶片精加工过程,标定了五轴铣削力系数,获取了薄壁叶片的模态参数,通过预测的稳定性叶瓣图选取了不同加工参数组合,对比了常规刀具与变齿距刀具五轴铣削时的稳定性极限,验证了薄壁叶片变时滞五轴铣削时的颤振抑制效果。

关键词： 车桥耦合振动   高速铁路   多体动力学   柔性车体   参数分析  

摘要： 高速列车与铁路桥梁之间的耦合振动一直以来是人们关注的重点问题。本文基于多体动力学软件Simpack与有限元软件Ansys,对车桥耦合振动系统的关键参数进行了数值研究。主要研究工作如下: (1)介绍了本文的研究背景及意义,阐述了车桥耦合理论的发展历史以及多体动力学软件Simpack在车桥动力分析中的应用,介绍了本文的研究思路及内容。 (2)基于多体动力学的分析理论,介绍了其与有限元软件Ansys的迭代求解方法,并根据现行规范介绍了车桥动力响应的评价标准。 (3)建立了四种型号列车车辆的多刚体动力学模型和刚柔耦合模型,通过对编组后的车辆模型进行名义力分析、模态分析、临界速度计算、轨道不平顺的设置和走行性能等分析,验证了所建车辆模型的合理性。 (4)以高速铁路跨度32 m简支梁桥为工程背景,对四种列车通过桥梁的全过程进行了计算分析,并对车桥系统关键参数进行了分析,研究了速度参数α、质量参数β、车辆竖向刚度γ、频率参数κ、阻尼参数δ以及车体柔性对车桥系统动力性能的影响。 数值结果表明:1)随着速度参数的增大,桥梁的竖向振动位移、竖向振动加速度及车辆的各项动力指标总体呈增大趋势。2)随质量参数的增大,桥梁的横、竖向振动位移逐渐增大,车辆的脱轨系数、车体竖向加速度和竖向Sperling指标呈减小趋势。3)随着车辆竖向刚度在0.5γ～2γ范围内的增大,桥梁跨中的竖向位移呈小幅增大,车辆的轮重减载率和车体竖向加速度逐渐增大,增幅分别为30%和243%。4)桥梁的动力响应对阻尼参数变化不敏感;随着阻尼参数在0.5δ～2δ范围内的增大,车辆的轮重减载率和车体竖向加速度分别增加了25%和56%。5)考虑车体柔性后,桥梁的动力响应无明显变化,车体加速度和Sperling指标有所增大,安全性指标变化不显著。

关键词： 框架-核心筒结构   扭转地震动   力学模型   参数标定   程序开发  

摘要： 超高层框架-核心筒结构由多个分体系协同承担扭转地震动作用,多重体系内部的损伤发展和破坏直接关系到结构的抗震安全性。然而,现有的扭转控制方法主要关注结构整体扭转规则性,而忽略了地震动扭转分量的影响,以及内部分体系的扭转损伤情况。在扭转地震动作用下对分体系扭转损伤程度的刻画为后续的平扭耦合损伤分析奠定基础。为了明确结构在扭转激励下的动力学特性,本文通过理论推导建立了结构的宏观动力学模型及各分体系的简化恢复力模型,并结合有限元模型验证了动力学模型的准确性。为了选取合适的损伤指标以准确刻画分体系的扭转损伤程度,考虑到刚度退化对于整体结构和各分体系的适用性,本文选择刚度退化系数作为结构进入弹塑性阶段后反映各分体系损伤程度的关键指标。为了确定各分体系恢复力模型的设计参数,本文采用NSGAⅡ遗传算法,以各分体系的初始刚度和屈服强度为优化变量,设计了综合考虑结构成本和整体扭转损伤的优化方案。考虑到弹塑性时程分析的耗时性,独立开发了扭转推覆分析方法并通过时程分析进行了验证。通过引入合理的假设优化算例被设计为仅保留加强层的简化结构。鉴于采用刚性楼板假定难以考虑伸臂桁架在平面内的塑性发展,因此在伸臂与柱端连接处采用集中塑性铰的假设。通过基于扭转推覆分析的多目标优化,成功确定了各分体系的设计参数,并结合Q滞回模型估计了各分体系构件的刚度退化系数。主要完成以下工作: (1)弹塑性有限元程序D-SAP的持续开发。分析算法方面:进行了振型分解反应谱分析方法的集成与验证;在程序中输入形成扭转加速度向量,通过结构的质量矩阵与扭转加速度向量得到扭转激励作用向量,调用内部位移求解器得到结构的扭转时程响应;在已有静力水平推覆分析算法基础上,首先解决了位移推覆分析使用异常的问题,其次通过沿楼层高度在楼层中心施加扭矩分布作用实现了扭转推覆分析的集成。 (2)纯扭激励下框架-核心筒结构宏观动力学模型的建立。针对目前关于超高层框架-核心筒结构扭转响应即破坏相关方面研究的欠缺,为了明晰这类结构在可能的扭转地震动作用下的损伤情况,通过从力学角度入手建立了结构在扭矩作用下的宏观动力学模型并与有限元模型进行了对比验证。 (3)分体系简化恢复力模型的建立。为了对结构各分体系的恢复力设计参数进行标定,通过对分体系构件进行受力状态分析,建立了骨架曲线屈服点的数学表达式,为下文的优化策略奠定基础。 (4)以NSGA-Ⅱ遗传算法为手段标定了扭转响应下各分体系构件的设计参数。选择刚度退化系数作为损伤指标,该系数与恢复力曲线的屈服点和极限点相关。通过结合推覆分析结果可以确定极限点。由于推覆曲线呈曲线状,直接确定屈服点较为困难。为了表达不同系统设计参数,结合前文中数学表达式确定了最佳设计变量,使用NSGA-Ⅱ优化算法进行多目标优化。这一方法使得在不同目标需求下,各分体系恢复力骨架曲线的屈服点能够得到,之后结合极限点及恢复力模型滞回特性实现了刚度退化系数的估计。