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关键词： 自行车   运动生物力学   下肢动力学模型   车架结构参数优化   回归分析  

摘要： 随着生活水平的提高,自行车的设计定位从过去作为重要的交通工具扩展至如今的休闲、健身运动工具。在设计自行车时充分考虑骑行者的需要,把人与自行车密切结合起来,将是未来自行车领域发展趋势。本文基于人体运动生物力学与人机工程学,提出以人体下肢三关节总机械功最小为优化目标的自行车结构参数优化设计,为休闲自行车的定制化提供设计依据。课题开展的主要研究内容有: 首先搭建了同步采集骑行运动学与动力学数据的参数化调节试验台,并建立了相应的数据采集与处理流程;其次采用牛顿-欧拉动力学方法建立人体下肢三刚体的二维动力学模型,通过输入各关节运动学数据及脚踏板末端受力情况求解各关节力矩;最后利用数值积分法计算单关节单个踩踏周期内的总机械功。 本文选取6名健康受试者分别进行不同鞍座高度(90%、95%和100%大转子高)与不同座管角度(65°、70°和75°)的骑行试验,采用单因素重复测量方差分析鞍座高度和座管角度对人体下肢三关节运动学特征(关节角度和活动度)和动力学特征(关节力矩和机械功)的影响。研究结果表明,鞍座高度的变化对整个踩踏周期内髋关节最大和最小角度,对膝关节与踝关节的最大角度和关节活动度,以及下肢三关节总机械功具有显著影响。座管角度的变化对髋关节机械功及总机械功具有显著影响,其做功差异主要发生在座管角度为70°与75°之间。研究结果可为优化自行车车架结构参数提供理论与数据支撑。 基于骑行运动学和动力学特征,选取鞍座高度和座管角度作为自行车车架结构参数优化的设计变量,采用均匀试验方法设计试验方案,借助人体下肢三刚体动力学模型,通过非线性回归分析方法建立骑行者下肢三关节总机械功和车架结构参数之间的数学模型,并以人体下肢三关节总机械功最小为优化目标,利用Matlab遗传算法对所建立的数学模型进行优化,得到使特定骑行者具有最低能量消耗的鞍座位置参数。其次,对不同骑乘人开展试验,获得不同人体特征参数具有最低能量消耗的车架结构参数,通过回归分析建立起人体特征参数与最佳车架结构参数之间的数学模型。最后,对数学模型开展验证试验,证明方程的有效性与适用性。

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。

关键词： 滑雪模拟器   混联机构   动力学分析   洗出算法   感知逼真度评价   参数优化  

摘要： 随着2022年北京冬奥会的成功举办,冰雪运动在中国迅速普及,滑雪运动作为其中的重要组成部分,吸引了大量民众参与。同时由于滑雪运动存在危险性和训练场地的限制,促使了滑雪模拟器的研究与发展。本研究针对双板滑雪模拟平台,旨在通过运动学分析、动力学分析以及洗出算法参数优化,旨在提高滑雪模拟器的性能,为用户提供接近真实的滑雪体验;同时针对洗出算法性能的评价缺乏统一且有效的指标,本文以感知逼真度作为基础进行研究,制定可量化分析洗出算法性能的感知逼真度综合评价指标。 对本课题所研究的混联滑雪机构进行运动学分析,基于GF集理论分析其自由度,同时采用闭环矢量法计算机构的反解以及各并联支链的速度及加速度,求解混联机构工作空间,并通过ADAMS仿真软件进行相关验证。 采用牛顿-欧拉法建立滑雪平台机构并联部分的动力学模型,求解驱动力,并进行仿真验证。同时介绍人体的运动感知系统,明确人体运动感知机制及数学模型,为洗出算法的优化提供理论依据。 在洗出算法研究方面,本文在MATLAB/Simulink中搭建经典洗出算法模型,并结合平均绝对误差及皮尔逊相关系数,利用组合权重,制定感知逼真度综合评价指标。通过试值法、基于自适应遗传算法的单目标优化与多目标优化,分别得到三组经典洗出算法滤波器的相关参数。 介绍双板滑雪模拟器的组成部分,搭建控制系统模型。利用Unity3D虚拟滑雪场景,进行经典洗出算法优化有效性实验,通过感知逼真度综合评价指标对实验结果进行量化分析,获得三组洗出算法的感知逼真度指标值,验证基于自适应遗传算法的滤波器参数单目标优化与多目标优化的有效性。

关键词： 离心泵   转子动力学   不确定性分析   不平衡响应   流致振动  

摘要： 离心泵是将机械能转换为流体势能以及动能的重要设备,在石油、化工、航空、船舶等领域均被广泛的应用。转子系统是离心泵的核心部件,在离心泵的运转过程中不仅受到不平衡力的作用,还会受到流体激振力的影响。离心泵轴系的动力学行为直接地影响着离心泵的工作性能以及安全性,因此对其进行动力学建模以及特性研究具有重要的实际意义。传统的离心泵轴系动力学模型是基于各项参数的名义值建立的,而本文所研究的离心泵为立式长轴离心泵,其结构形式特殊,工作在液体介质中,并且多用于船舶海上运输,工作环境较为恶劣,其结构参数可能因此偏离名义值,导致振动响应超标以及预留安全裕度不足,因此确定性参数的转子模型难以满足实际情况的需要,需要对其开展不确定性分析。本文的主要工作与成果包括: (1)以立式长轴离心泵的转子系统为研究对象,基于Timoshenko梁理论建立了离心泵转轴的梁单元模型,将叶轮简化为刚性圆盘,推导了其运动方程,并计算了各轴承刚度,基于有限元思想对各单元矩阵进行了装配得到了离心泵轴系的动力学模型,在此基础上对其进行了临界转速的计算,通过与离心泵振动响应测试试验结果的对比,验证了所建立的离心泵轴系动力学模型的准确性。 (2)离心泵轴系的动力学特性受到多个不确定性参数影响,并且参数之间也存在着不同程度的交互效应。为了对多个不确定性参数进行筛选以及分类,对离心泵轴系展开了Sobol敏感性分析,研究了离心泵轴系中,各轴承刚度,转轴材料弹性模量、密度以及各参数之间的组合对离心泵轴系前两阶临界转速的影响,结果表明转轴材料弹性模量以及密度的影响较大,而轴承刚度主要影响二阶临界转速,并且根据各参数之间的交互效应将其分为两类,分别为轴承刚度不确定性以及转轴材料参数不确定性,为后续的不确定性分析提供了基础。 (3)对离心泵轴系展开了不平衡响应分析,不平衡力是一类典型的简谐激励,因此本文选用了模态叠加法计算转子振动响应。通过一个简单函数案例对比了不同包含函数的性能,结果表明Chebyshev包含函数能够更好地控制过估计现象。将Chebyshev区间分析方法与模态叠加法相结合构建了不平衡响应的区间法模型,通过与Monte Carlo仿真对比,表明该方法在保证分析精度的同时具有较高的计算效率。通过该区间法模型计算了不平衡响应在不同不确定性参数影响下的区间范围,研究结果表明,在参数不确定情况下,离心泵轴系的不平衡响应具有明显的区间特性,并且转轴材料参数是影响不平衡响应的主要参数。 (4)采用计算流体力学(CFD)对离心泵开展了离心泵内流场的仿真分析。通过定常仿真分析结果验证了所选取边界条件的正确性,以此为初始条件进行了离心泵内流场非定常仿真并得到了叶轮所受流体激振力的时域曲线与频谱图。将该流体激振力作为离心泵轴系动力学模型所受外力,进行了瞬态动力学仿真,得到了叶轮处的振动位移响应以及靠近叶轮轴承处的振动速度响应,结果表明在流体激振力作用下离心泵轴系发生了一定的共振现象。将瞬态动力学仿真与Chebyshev区间分析方法相结合,计算了振动频响曲线的区间边界,并且针对共振响应上界的过估计现象,提出了基于固有频率的共振响应区间分析方法,有效地抑制了过估计现象。为表征不确定性参数对离心泵轴系动力学特性的影响,选取了数个性能指标,并通过区间分析方法得到了其区间边界,结果表明在不确定性参数影响下,离心泵轴系的流致振动响应会出现较大范围的波动,其固有频率可能与流体激振力脉动频率重合导致剧烈的振动。

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： 无创血流动力学   超声心动图   射血分数保留型心力衰竭  

摘要： 背景: 在心力衰竭（HF）进展阶段,不同的治疗方式应被应用在不同的心衰进程。且心力衰竭患者可通过早期诊断并及时治疗延缓其疾病进展过程。目前对于心力衰竭早期患者的研究较少,本研究用无创血流动力学检测仪观察射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）患者的血流动力学特点。 目的: 通过对比实验组（明确诊断为HEpEF的患者）与对照组（NYHA分级I级,心衰分期A期及B期）的无创参数、心脏超声、B型钠尿肽（B-type natriuretic peptide,BNP）等指标,探讨无创血流动力学参数对射血分数保留型心力衰竭患者的意义及与心脏超声、BNP的相关性。 方法: 1研究对象 随机选取2022年11月—2023年4月于我院住院并行无创血流动力学检测的患者407例。根据2018中国心力衰竭指南分为:实验组:HFpEF组303例,根据心力衰竭分期、NYHA心功能分级收录对照组（NYHA分级Ⅰ级,心力衰竭分期A期及B期）共104例。 2基础治疗 根据病情给予利尿剂、肾素血管紧张素系统RAS系统抑制剂（renin-angiotensin system）、血管紧张素受体拮抗剂ARB（Angiotensin Ⅱ Receptor Blocker）、血管紧张素转换酶抑制剂ACEI（Angiotensin Converting Enzyme Inhibitors）、血管紧张素受体-脑啡肽酶抑制剂ARNI（Angiotensin Receptor-Neprilysin Inhibitor）、肾上腺素β受体阻滞剂、钙离子拮抗剂CCB（calcium channel blocker）类药物。 3相关资料 收集入组患者的年龄、性别、体重指数（body mass index,BMI）、肌钙蛋白Ⅰ（Troponin Ⅰ,TnⅠ）、BNP等基线资料。收集肝肾功、血糖血脂、心脏超声指标如左房前后径（Left atrial diameter,LAD）、左室射血分数（Left ventricular ejection fraction,LVEF）、左室舒张末期内径（Left ventricular end diastole fraction diameter,LVEDD）等临床资料。应用无创血流动力学仪器检测并记录无创血流动力学相关参数。 4统计学方法 用SPSS25.0统计软件（IBM,Corporation,Armonk,NY,USA）分析,计量资料满足正态分布的连续变量采用独立样本t检验,否则采用校正t检验,不满足正态分布采用非参数检验进行比较。计数资料采用χ2检验或应用Fisher精确概率法检验。采用Spearman秩相关分析指标（BNP、LVEDD、LAD）与无创参数的相关性。应用Logistic回归分析HFpEF的影响因素,用ROC曲线评价无创血流动力学参数诊断HFpEF的价值。以P<0.05表示差异有统计学意义。 结果: 1.一般资料比较:两组年龄、体重、BMI、尿素、肥胖、高血压、糖尿病病史相比较,差异有统计学意义（P<0.05）。实验组LAD、BNP、LVEDD高于对照组,而实验组EF低于对照组,差异有统计学意义（P<0.05）。 2.无创血流动力学检测指标的比较:实验组SVR、SVRI、SBP、MAP高于对照组,实验组CO、CI低于对照组,差异有统计学意义（P<0.05）。 ***与无创参数指标相关性分析:CO与BNP呈负相关（r=-0.301,P<0.05）、CI与BNP呈负相关（r=-0.254,P<0.05）,SVR与BNP（r=0.239,P<0.05）、SVRI与BNP（r=0.183,P<0.05）、SBP与BNP（r=0.134,P<0.05）呈正相关。 ***与无创参数指标相关性分析:CO与LAD（r=-0.218,P<0.05）、CI与LAD（r=-0.341,P<0.05）呈负相关,SBP与LAD（r=0.230,P<0.05）、SVR与LAD（r=0.268,P<0.05）、SVRI与LAD（r=0.350,P<0.05）、MAP与LAD（r=0.117,P<0.05）呈正相关。 ***与无创参数指标相关性分析:CI与LVEDD呈负相关（r=-0.151,P<0.05）,SVRI与LVEDD（r=0.195,P<0.05）、SBP与LVEDD（r=0.123,P<0.05）呈正相关。 6.无创血流动力学指标对HFpEF影响多因素Logistic回归分析:SVRI是HFpEF的危险因素（p<0.05）。 7.无创血流动力学指标对HFpEF影响多因素Logistic回归分析BMI是HFpEF的危险因素（p<0.05）。 ***、SVRI对HFpEF的受试者工作曲线（ROC）

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。