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关键词： 串联机器人   动力学模型   参数辨识   误差补偿   支持向量回归模型  

摘要： 串联机器人通常采用闭环反馈控制,该控制方式虽原理简单、便于实现,但机器人在高速运动时,其惯量变化大,且非线性效应较强,若采用闭环反馈控制策略,易出现很大的控制偏差,使得系统动态特性变差。逆动力学前馈控制可以很好地改善机器人高速运动时的动态控制性能,而获取精确的逆动力学模型是实现前馈控制的前提。本文围绕精确逆动力学模型构建问题展开研究,主要内容如下: 首先,研究了经典的的动力学建模方法,选取牛顿-欧拉法实现了机器人动力学模型的构建,并实现了动力学模型的线性化。为减小参数辨识难度,采用参数重组方法推导了机器人的最小惯性参数集。同时,选择库伦-粘滞摩擦模型补偿关节摩擦力,整合以上线性化模型,得到可进行参数辨识的机器人动力学方程。 接着,针对加权最小二乘法辨识方法精度低与传统的库伦-粘滞摩擦模型效果差等问题,为提高动力学模型参数精度,提出选用精度更高的非线性摩擦模型描述关节摩擦特性并采用改进的布谷鸟搜索算法辨识动力学参数,以加权最小二乘法辨识方法获得的结果作为改进布谷鸟搜索算法的初始值,该辨识算法在提升计算效率的同时还可得到更精确的结果。 然后,针对动力学模型存在误差的问题,实现了基于支持向量回归模型的动力学模型误差补偿方法,通过支持向量回归模型建立起动力学模型力矩预测误差与机器人运动状态之间的联系,为进一步提高支持向量回归模型的力矩预测精度,采用改进布谷鸟搜索算法优化模型参数,优化后的模型对关节误差力矩补偿效果更好。 最后,通过机器人实验平台进行了机器人参数辨识与误差补偿实验研究。结果表明,本文提出的参数辨识方法获取的动力学参数精度较加权最小二乘法提高16.73%;支持向量回归模型的误差补偿模型效果良好,误差补偿后的动力学模型精度提高12.04%。

关键词： 快电子碰撞   动力学参数   非共振非弹性X射线散射   核-电子轨道方法   振动效应  

摘要： 原子分子的动力学参数,包括原子分子与电子和X射线的弹性和非弹性散射截面、振子强度和积分截面等,一直是原子分子物理的重点研究内容之一。动力学参数包含了原子分子基态和激发态的波函数信息,而对原子分子波函数的理解和精确描述是研究更大体系以及更复杂物理化学过程的基础。因此,获得原子分子精确的动力学参数有助于我们深入认识物质结构并理解相关物理化学效应。另外,由于原子分子动力学过程普遍存在于核聚变、等离子体、星际空间、化学反应过程中,精确的振子强度和积分截面等动力学参数对理解以及建模这些过程也至关重要。本论文基于上海光源BL15U线站非共振非弹性X射线散射谱仪研究了 N2和CO2分子的内壳层激发广义振子强度,基于高分辨快电子能量损失谱仪研究了 H2S和CCl4分子的价壳层激发动力学参数,并在核-电子轨道框架下发展了NEO-CISD（-）方法,进而开展了 HF2-分子的价壳层激发动力学参数的研究。本论文的具体工作如下:1.在调试成功上海光源BL15U线站非共振非弹性X射线散射谱仪的基础上,测量了 N2分子1s→1πg和CO2分子C1s→2πu*的广义振子强度。由于非共振非弹性X射线散射方法测量的广义振子强度总是满足一阶玻恩近似,本实验结果可以作为电子散射方法测量结果的高能极限,对此前的电子散射测量结果以及理论计算结果进行严格检验。通过与此前的实验及理论结果对比,我们发现对于N2分子的1s→1πg跃迁,3.4keV入射电子能量还不满足一阶玻恩近似。对于CO2分子C1s→2πu*的广义振子强度,此前的理论计算结果在大动量转移区间都偏高,这说明以前所用的波函数精度仍需提高;2.在入射电子能量1500eV且能量分辨70 meV条件下,测量了 H2S分子价壳层激发的广义振子强度。通过分析H2S分子第一个谱峰的中心能量随动量转移的变化,我们发现该峰同时包含了光学允许跃迁4sa11B1和光学禁戒跃迁3b2～1A2,并通过拟合得到了3b2～1A2态的激发能和半高全宽分别为5.85±0.01 eV和0.80±0.01 eV。利用快电子散射方法在非零散射角不受电偶极选择定则限制的优点,本工作还探测到了两个此前在光吸收方法中没有观察到的禁戒跃迁,它们的激发能分别位于7.85eV和8.04eV。通过将广义振子强度外推至动量转移为零,我们得到了 H2S分子价壳层激发的光学振子强度,该结果与dipole（e,e）方法测得的结果符合较好。利用BE-scaling方法我们还得到了 H2S分子价壳层各激发态从激发阈值到5000eV能量区间的积分截面,补充了此前研究中积分截面数据的缺失;3.在入射电子能量1500eV且能量分辨70 meV条件下,测量了 CCl4分子价壳层激发的广义振子强度。实验结果中第一个位于6.15eV的宽峰表现出禁戒跃迁的特性,结合理论计算,我们发现该谱峰对应a1σ←2t1跃迁,并分析了该跃迁中的振动耦合效应。实验发现激发能位于7.0eV附近谱峰的极大值会随动量转移的增大向着低能方向移动。结合理论计算,我们发现该区间存在偶极允许跃迁a1σ*←2e和偶极禁戒跃迁a1σ*←7t2。此外,在大动量转移的电子能量损失谱中,我们还观察到了位于9.97eV和10.26eV处的两个新跃迁。通过将广义振子强度外推至动量转移为零,我们得到了 CCl4分子价壳层激发的光学振子强度,该结果与此前的光吸收方法测量结果以及dipole（e,e）方法测量结果符合较好。利用BE-scaling方法我们还得到了 CC14分子价壳层各激发态从激发阈值到5000eV能量区间的积分截面,补充了 CC14分子的基础物理数据库;4.在核-电子轨道框架下发展了 NEO-CISD（-）方法,在此基础上计算了 HF2-分子的光学振子强度密度谱,从中观察到明显的振动耦合效应。另外,我们还利用该方法计算了HF2-分子Πg态的广义振子强度,并和多项式拟合方法的结果做了对比,证明了 NEO-CISD（-）方法可以计算包含振动效应的动力学参数。该方法为处理原子分子激发态动力学参数中的振动耦合效应提供了一种新思路。

关键词： 污泥干燥   主成分分析   干燥模型   动力学参数   热泵干燥机  

摘要： 随着我国排水管道的完善和工业发展,污水排放量和污泥产量逐年增加。加之日益严格的环保法规,污泥的合理处置面临重大挑战和机遇。干燥这一深度除水技术在污泥减量化、无害化、稳定化和资源化中发挥关键作用。与此同时,“双碳目标”督促工业部门实现更高程度的电气化,因此,低碳、高效、灵活的污泥热泵干燥技术成为污泥处置的重要环节。相比于传统干燥技术,热泵干燥机的应用是污泥低温干燥领域的新尝试。然而污泥在低温条件下内外因素对干燥的影响探索不足,足尺寸污泥热泵干燥机空气分布规律和运行性能尚不明晰。本文采用实验室规模和现场足尺寸规模两种尺度开展污泥干燥特性研究,阐明污泥干燥过程中外在操作条件和内在成分种类的影响,并设计研发了一台热泵干燥机,揭示污泥热泵干燥机现场运行特性和规律。为污泥热泵干燥机的设计研发和推广应用提供参考。 面向热泵干燥机的污泥低温对流干燥应用场景,本文首先搭建了空气温度、速度和相对湿度可调的污泥对流干燥实验台,配备污泥质量实时在线称量和图像跟踪采集功能。选取具有产量代表性的市政污泥S1（初始含水率83.9%）,讨论温度40～70°C,速度0.5～2.0 m/s,相对湿度10～40%范围内的空气条件对污泥含水率、干燥时间和干燥速率的影响,并对比分析污泥体积收缩与失水情况及干燥过程中的色彩演化。结果表明,升高温度导致污泥固体结构收缩能力出现迟滞性。 其次,从污泥成分和种类两个角度,揭示污泥内在特性和污泥干燥特性之间的关联。通过主成分分析法对11种污泥的特性参数进行相关性分析并降维,提取到的两个主成分可以表征的累计方差贡献率为92.5%。其中PC1主要描述了污泥的有机质和热值,PC2主要携带灰分和挥发分信息。固体成分相似的污泥在主成分得分图上聚集分布,以此实现三种综合污泥的溯源分析。以提取的两个主成分作为自变量,对11种污泥的最大干燥速率进行线性回归分析。结果显示污泥最大干燥速率与主成分2负相关。参考溯源分析结果对同种类污泥干燥特性进行分析,发现污泥最大干燥速率与初始含水率具有良好线性相关性。 随后,研究现有污泥干燥模型在污泥低温干燥过程的适用性,建立综合考虑模型拟合效果、模型参数简洁性和模型预测能力的模型筛选标准。通过模型参数与空气条件之间的回归分析,认为Modified page模型兼具模型简洁性和表征干燥条件的能力。进而基于现有污泥干燥模型的发展和干燥过程特点,引入具有自我抑制特性的生态学领域Logistic模型并进行修正,该修正较好地解决了Logistic模型在干燥初期拟合不准确的问题。Modified Logistic（K≠1）模型在列出的16个模型中具有最佳的拟合效果,并兼具一定的物理意义,其时间项系数b的倒数表征干燥进程完成约42%时所需时间。 进一步,在污泥干燥动力学参数方面,干燥动力学和反应动力学都能用于污泥干燥表观活化能的计算,而这两种方法计算结果的联系与区别还未可知。由此,基于4组污泥干燥工况和11组扩大物料种类和干燥方式的验证工况,比较两种动力学方法计算表观活化能的一致性、可提供动力学参数的差异性和各自使用的依赖性。结果表明这两种方法计算的表观活化能具有良好的一致性（偏差<6.3%）。反应动力学中动力学补偿效应的存在为热力学原理提供了新见解。 最后,依托污泥低温干燥特性关键参数,设计了一台足尺寸的污泥热泵干燥机,并进行了现场实验研究。对关键运行参数的实验结果表明,温度升高会收获含水率更低的污泥出料,但除水的能耗增大;循环风机频率的增加使单位能耗除湿量的值从1.98 kgw/k Wh提高到2.07 kgw/k Wh;污泥停留时间耦合了污泥料层厚度的影响,延长停留时间的积极影响弱于增加料层厚度的消极影响。此外,分析了空气预冷除湿器的析湿性能,该处产生的冷凝水约占总冷凝水量的20%。 综上,本文通过实验室和足尺寸两种尺度的实验研究污泥及热泵的干燥特性,明晰了低温条件下外在操作条件影响,完善污泥低温干燥的表观形态分析并引入新的干燥模型;广泛搜集多种污泥,建立污泥内在特性和干燥特性之间关联,揭示了污泥热泵干燥机现场运行性能,为污泥热泵干燥机的运行调试和设计改进提供有益参考。

关键词： 跑步   可穿戴惯性传感器   步态数据同步   人工神经网络模型   vGRF  

摘要： 研究目的本研究旨在建立基于可穿戴惯性传感器（IMU）预测跑步垂直地面反作用力（vGRF）的人工神经网络模型。vGRF是跑步损伤研究的重点监测指标之一,但长期依赖测力台测量,不易获取。目前,基于可穿戴传感器建立人工神经网络模型,为便捷准确地获取跑步vGRF提供新方法。为此目标,本研究目的包括:（1）针对IMU与测力台的同步问题,提出时间窗口同步算法。（2）基于单个IMU采集的小腿三维加速度数据,探讨小波神经网络模型（WNN）与前馈神经网络模型（FFNN）对跑步vGRF的预测效果;在此基础上,进一步探讨基于IMU采集的小腿一维（矢状面）加速度数据预测vGRF的可能性,建立基于IMU预测跑步vGRF的人工神经网络模型适用方法。研究方法通过单个IMU和测力跑台采集15名跑者在12、14和16 km/h速度跑步中小腿三维加速度数据和vGRF值。利用跑步步态周期的变异性特征,提出时间窗口同步算法。一个或多个跑步周期时间为时间窗口,以时间窗口划分IMU和vGRF数据曲线,得到两组时间窗口数列集;在IMU时间窗口数列集中选取中间时间窗口作为基准时间窗口,和vGRF时间窗口数列集计算均方根误差（RMSE）,得到一组RMSE数列集;最小RMSE对应的IMU时间窗口和vGRF时间窗口,即为同步点,经过核算确认同步点;截取同步点前后所有一一对应的同步数据;采用平均绝对和相对误差,最大绝对和相对误差以及Bland-Altman方法计算同步数据的误差,验证同步算法的准确性和有效性。利用着地角将跑者区分为前足着地（FFS）、中足着地（MFS）和后足着地（RFS）者,其中将MFS和FFS跑者划为一类,分别在FFS和RFS跑者数据集里随机挑选1人的数据作为测试集,其余人的数据作为训练集。分别以Morlet函数与Sigmoid函数作为3层WNN与3层FFNN的激活函数。本研究优化模型输入,将跑步支撑期整个阶段数据作为一个样本输入,以便于模型识别完整信息,找到准确规律。此外优化损失函数,在均方误差损失函数的基础上,加入L2范数正则化缓解模型过拟合。本研究使用复相关系数（CMC）、误差值和Bland-Altman方法评估模型。研究结果通过时间窗口同步算法,15名受试者在各个速度下的同步数据中跑步周期时间的平均绝对误差（0.003～0.027 s）均小于0.03 s、平均相对误差（0.4～4.1%）均小于5%,且Bland-Altman一致性结果显示复步时间的平均误差均接近于0（-0.002～0.002 s）,最大误差（-0.055～0.055 s）均在95%置信区间内,表明时间窗口同步算法可有效实现IMU与测力台之间的数据同步。基于单个IMU采集的小腿三维或矢状面加速度数据建立的WNN模型,对FFS和RFS跑者在12、14和16 km/h速度下vGRF值预测的CMC均大于0.99、标准均方根误差（NRMSE）均小于7%,对vGRF峰值的NRMSE和平均绝对百分比误差（MAPE）均小于8%,且Bland-Altman结果显示对vGRF峰值预测的平均误差均接近于0且最大误差值均在95%置信区间内,表明WNN模型对跑步vGRF曲线和峰值的预测具有极高相似度和极高精确度。而基于单个IMU采集的小腿三维或矢状面加速度数据建立的FFNN模型,对FFS和RFS跑者在各个速度下vGRF值预测的CMC大于0.97、NRMSE为5.70～9.21%。其中,基于小腿三维加速度数据建立FFNN模型,对RFS跑者在12和14 km/h下蹬伸力峰值的预测除外,对RFS跑者冲击力与蹬伸力峰值预测的平均误差（-0.31～0.50 BW）略偏离0,且对14 km/h下冲击力峰值预测有5.56%的误差值在95%置信区间外;基于小腿矢状面加速度数据建立FFNN模型,对FFS跑者在16 km/h下蹬伸力峰值预测有3.85%的误差值在95%置信区间外,对RFS跑者在12 km/h下冲击力峰值预测有9.09%的误差值,和14 km/h下蹬伸力峰值预测有11.11%的误差值在95%置信区间外,表明FFNN模型对跑步vGRF曲线的预测具有较高相似度但对vGRF峰值的预测具有一般精确度。研究结论首先,本研究提出时间窗口同步算法,实现IMU与测力台之间的数据同步,为解决可穿戴传感器与其他测量系统之间的同步问题提供了新途径。其次,本研究建立WNN模型仅基于单个IMU采集的小腿矢状面加速度数据,准确预测跑步vGRF的新方法。该方法具有较准确、稳定、廉价、便携等特点,在跑步损伤预防及康复治疗等方面具有较重要的应用价值。

关键词： 城市污水厂尾水   氨氮   生物活性炭   微电流   参数  

摘要： 近年来,随着人们对水资源的深入认识,关于水处理的思想也在发生转变,由原来的利用原水去除污染物以特定程序达到把水净化的目的转变为水资源的循环利用,城市污水处理厂尾水是一种丰富、稳定、集中的水资源,对污水处理厂尾水的合理利用将会使缺水的地区获得有力的水资源补充,对于城市污水处理厂尾水的回收利用,应该着重考虑绿色、经济、安全、可持续。生物活性炭技术是利用活性炭的比表面积大、吸附性能强等特点,将活性炭作为挂膜的载体,通过加入接种污泥的方法使微生物生长在活性炭表面形成生物膜,从而将活性炭的物理吸附作用与生物膜的生物降解作用充分结合,达到去除水中污染物的效果,具有去除效果好、运行管理方便、价格低廉等特点。本研究通过设计并搭建实验室规模的生物活性炭反应器从生物活性炭反应器水力特性入手,探究反应器内流体的停留时间;从不同提高氨氮负荷方式入手,通过比较固定进水氨氮浓度,提高进水流量、固定进水流量,提高进水氨氮浓度两种不同的负荷提高方式,探究更加适合生物活性炭反应器的运行方式以及最佳运行条件;从微电流结合生物活性炭工艺入手,探究不同微电流大小对生物膜活性炭的影响,并分析微电流对生物膜活性炭的影响机理,结合批量实验、微生物菌群解析了微电流对氨氧化细菌浓度参数的影响.研究结果表明:(1)通过对生物膜活性炭反应器进行9次相同的示踪剂模拟实验,结合多釜串联模型。示踪剂模拟实验表明,在设计进水流速为16 m/h时,生物膜活性炭反应器的串联釜数为16-30个(平均为22个),水力平均停留时间为159 s。(2)不同的提高氨氮负荷方式对于生物膜活性炭反应器的影响与进水负荷有一定的关系,在负荷在8.0 mg-N/L/h以下,生物膜活性炭反应器对两种不同提高负荷方式的氨氮去除率均在98%以上,平均氨氧化速率分别为35.01 mg-N/L/h、36.36 mg-N/L/h,平均每小时氨氮消耗量分别为25.46 mg-N/h、26.93 mg-N/h。(3)生物活性炭反应器对通过提高流量的方式提高氨氮负荷有更好的适应性,在提高负荷的过程中生物活性炭反应器对氨氮的去除保持很好的稳定性,而通过提高浓度的方式提高氨氮负荷会对生物膜活性炭装置产生强烈冲击,导致生物膜活性炭反应器出水不稳定。(4)在高负荷情况下,生物活性炭反应器对通过提高流量的方式提高氨氮负荷有较好的处理效果,两种不同方式的氨氮负荷分别稳定在15±1 mg-N/L/h、11±1 mg-N/L/h时,生物活性炭反应器出水氨氮浓度保持在2.5±0.5 mg-N/L、10±1 mg-N/L,NOR分别保持在85±10 mg-N/L/h、55±5 mg-N/L/h,平均每小时氨氮消耗量分别为84.5 mg-N/h、56.24 mg-N/h(5)不同电流强度对生物膜活性炭反应器的影响不同,当微电流较大时会对生物活性炭去除氨氮的效能产生负作用,当微电流强度适合时,会对微电流去除氨氮的效能产生正作用,在对生物活性炭反应器外加5 m A电流时,反应器性能显著提高,对氨氮的去除率、氨氧化速率以及每小时消耗氨氮的质量分别达到84.88%、18.51 mg-N/L/h,52.41 mg-N/h;撤掉微电流后,经过微电流驯化后的反应器表现出更好的性能,对氨氮去除率、氨氧化速率以及每小时消耗氨氮的质量进一步提升达到93.59%、22.29 mg-N/L/h、64.27 mg-N/h。(6)外加电流能够增加异养菌对基质的敏感度与耐受性,增加氨氧化细菌对基质的耐受性,经过微电流培养的氨氧化细菌与异养菌最大活性都得到提升,氨氧化细菌的最大活性为空白组的1.93倍,异养菌最大活性为空白组的4.62倍。外加电流能够显著改变生物膜活性炭反应器菌群结构,在5 m A微电流下,生物膜中变形菌门(Proteobacteria,27.13%)和酸杆菌门(Acidobacteria,48.88%)为优势菌种,空白组生物膜中变形菌门(Proteobacteria,54.01%)和拟杆菌门(Bacteroidetes,20.91%)为优势菌种;在撤掉微电流后继续培养一段时间,经过微电流驯化后的生物膜中硝化螺旋菌门相对丰度显著提高,为空白组的2.73倍。

关键词： MEMS微镜   参数共振   多尺度法   刚度非线性   静电力非线性  

摘要： MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微镜是一种通过改变光束的传播方向,从而在一维或者二维区域进行循环扫描的光学元器件。其中,静电驱动微镜由于具有结构简单、功耗低、响应速度快、兼容性强的特点,广泛的应用于人们日常生活的各个领域。随着科技水平的快速发展和生活水平的提高,人们对MEMS微镜的工作性能也提出了更高的要求。作为一种典型的MEMS器件,MEMS微镜是一个多物理场耦合的非线性系统,具有多种非线性因素,这些非线性因素对微镜的性能有着十分不利的影响,严重甚至会导致MEMS微镜失效。因此,有必要开展微镜系统的非线性动力学特性研究,深入研究并掌握MEMS微镜的振动机理,为微镜的动态设计及优化提供指导和理论依据,以更好地提升工作性能满足复杂的使用要求。本文采用一维静电驱动MEMS微镜作为研究对象,对微镜的可靠性、参数激励振动和刚度非线性影响等方面进行了深入的研究和分析,具体的研究内容和研究结论如下:1.分析了微镜系统主共振下的幅频响应特性,研究了梳齿间隙、激励电压等因素对幅频响应曲线的影响。建立微镜实际模型,从模态和应力、谐响应等方面对微镜的可靠性进行了分析。2.为了准确分析微镜系统的振动响应特性,采用七次多项式拟合微镜梳齿的电容变化并建立动力学方程,对不同参数下系统的参数共振问题进行了研究。分析了静态下微镜结构参数变化对扭转角度的影响规律;对系统动力学方程应用多尺度法进行摄动分析得到幅频响应曲线方程,分析了谐振状态下系统参数对共振幅值变化的作用规律并进行了数值验证;最后通过Runge-Kutta法对系统亚谐参数共振的稳定性进行分析与数值验证。3.为了深入研究静电力非线性和刚度非线性对微镜系统非线性动力学特性的影响规律,建立了考虑刚度非线性的MEMS微镜系统动力学方程,通过多尺度法得到了系统的频率响应方程。研究了梳齿间隙、梳齿间重叠长度等不同结构参数对静电力矩多项式拟合参数的影响,分析了不同因素下系统幅频响应的变化。最后研究了不同参数下系统振动特性的变化。

关键词： 二维三轴   复合材料   细观结构   传动轴   固有特性   振动响应  

摘要： 由于二维三轴复合材料具有整体性好、加工难度较低以及可设计性高等特点,用其替代传统单向层合复合材料来制造轻量化传动轴将是未来趋势。为了在设计阶段准确预测二维三轴复合材料轴的动力学行为,提出详细合理的设计方案,需要了解其细观参数对材料性能和零件特性的影响趋势以及影响能力。因此,本文围绕二维三轴复合材料轴开展了材料力学性能预测、轴管和转子系统动力学分析、对动力学模型的仿真验证、实验验证等研究。主要研究内容如下:1.根据二维三轴编织材料的实际细观结构建立了弹性性能分析模型。后基于该模型,讨论了编织角、弦展比和填充系数三种细观参数对二维三轴碳纤维材料工程常数的影响。2.基于有限节点法和SHBT理论建立了考虑编织角、弦展比和填充系数等细观参数的二维三轴复合材料转轴动力学模型,分析了不同细观参数对转轴不同振型下固有频率的影响趋势和影响能力。结果表明,弦展比减小或填充系数增加对转轴在所有振动类型下的固有频率都有提高作用,而编织角的变化对所研轴固有频率的影响趋势则会因振动形式不同而有所差异。三种细观参数中,弦展比对转轴固有频率的影响最小,编织角对其影响最大。3.建立了复合材料轴的有限元网格模型并制备了试验样件,后分别利用Ansys仿真和模态测试技术获取了该轴的振型和固有频率。将所获得的数据与动力学模型结果进行对比,发现理论模型结果与仿真和试验结果均具有较高的一致性。4.建立了二维三轴复合材料轴-齿轮转子系统动力学模型,以二维三轴碳纤维轴-直齿轮转子系统为例,分析了输入转速在20000rpm内,三种细观参数对系统临界转速和动态传递误差振动响应的影响。研究表明该系统在一定转速范围内会出现频率跳跃现象,且系统转速接近转轴一阶弯曲临界转速时会出现振动响应峰值。三种细观参数的变化也会影响振动峰值出现的转速,其中填充系数的影响最大,弦展比的影响最小;此外,通过合理调节细观参数,可以较为显著地将频率跳跃现象对应的转速范围缩小。上述研究内容及其结果说明,细观参数调整对二维三轴复合材料轴和由其构成的转子系统的动力学特性有较大影响,且在不同应用场景下细观参数的影响能力不同,有必要在设计阶段建立动力学模型对细观参数的设置进行详细论证。本研究为阐述调节二维三轴材料细观参数重要性、丰富复合材料轴管设计方案、扩展SHBT理论应用场景提供了参考依据。图53幅,表18个,参考文献86篇

关键词： 中低速磁浮列车   悬浮架   运动解耦   车—桥耦合动力学   试验  

摘要： 中低速磁浮列车依靠电磁吸力悬浮和导向,以及短定子直线感应电机牵引,具有振动和噪音低、爬坡能力强、转弯半径小等独特优势,能够广泛适用于城市、城际和市域轨道交通,受到了较多国家的关注和研究,目前在日本、韩国和中国已实现商业运营。悬浮架为中低速磁浮列车提供支撑、导向和牵引/制动力,并具有机械解耦来适应曲线、坡道等线路工况和轨道不平顺,关系着列车的悬浮稳定性、运行平稳性和安全性,是一大关键子系统。 当前中低速磁浮列车发展方向和技术方案较多,除了长沙磁浮快线等商业运用的（悬挂）端置式悬浮架和西南交通大学研发的（悬挂）中置式悬浮架外,单是防侧滚梁就存在多种布置位置、不同长短的吊杆、刚性吊杆与弹性吊杆等方案,悬浮架的纵向特征长度也均不同。另外,单节车辆搭载的悬浮架数量从2台到6台,相邻悬浮架的中心距存在较大区别。防侧滚梁结构、悬挂系统布置位置、悬浮架特征长度等关键参数都会影响到中低速磁浮列车的运动解耦和车—桥耦合动力学性能。因此,探清悬浮架关键参数对中低速磁浮列车动力学性能的影响规律有利于指导悬浮架的方案设计和结构参数选择。 针对上述问题,本文采用理论建模、解析分析、MATLAB数值计算、SIMPACK动力学建模仿真、防侧滚能力试验、单悬浮架耦合振动试验、车—桥耦合振动线路试验等方法,分别研究了防侧滚梁方案对悬浮架解耦能力和防侧滚能力的影响、悬挂系统布置方案对车—桥动力作用的影响、悬浮架特征长度对轨道梁共振与消振的影响,并进一步开展了（悬挂）中置式中低速磁浮车—桥耦合动力学性能评价及参数分析,主要研究工作和成果为: 1)基于（悬挂）端置式和（悬挂）中置式两种悬浮架的几何和运动关系,系统分析了左、右悬浮模块运动解耦的过程和机理,推导了解耦姿态解析方程,进而定量计算了不同激扰、不同结构参数下的解耦运动规律,得出了增加片梁长度能提高悬浮架的解耦能力,而防侧滚梁布置位置和吊杆长度则影响不明显的结论。此外,对落车及悬浮两种状态下单侧悬浮模块的受力进行了分析,论述了吊杆是防悬浮模块侧滚的关键,并设计了一种悬浮架防侧滚能力测量方法,通过试验论证了（悬挂）中置式悬浮架的防侧滚能力能够满足要求,研究成果能为悬浮架结构设计提供有益参考。（第2章） 2)悬浮架悬挂系统布置方案会影响车—桥耦合动力学性能,本文利用能量法比较分析了空气弹簧力和轨道激励对（悬挂）中置式和（悬挂）端置式两种悬浮架的做功大小,从理论上解释了（悬挂）中置式悬浮架与轨道的低动力作用机理,进而通过动力学仿真对比了两种悬浮架在不同激扰工况下的振动响应,并设计了单悬浮架耦合振动对比试验方案,综合悬浮间隙幅值、均值以及车体、悬浮架和轨道梁的振动加速度最大值、RMS值等指标进一步论证了（悬挂）中置式悬浮架比（悬挂）端置式悬浮架更能适应俯仰运动,具有更低的车—桥动力作用。（第3章） 3)根据内部结构特征将中低速磁浮列车简化为三种移动荷载列模型,推导了移动荷载列通过简支梁引起的振动解析解,从理论上分析了悬浮架不同的结构特征尺寸所对应的共振速度和消振速度表达式,计算了（悬挂）中置式中低速磁浮列车通过25 m简支梁时的共振与消振情形并开展了相应的简支梁动位移线路试验,论证了理论研究的准确性。实际工程中可以借鉴这些研究成果对列车走行机构、桥梁跨长等关键尺寸进行匹配设计,从而避免发生共振,保证行车安全。（第4章） 4)介绍了基于SIMPACK软件建立中低速磁浮车辆—悬浮控制系统—弹性桥梁耦合动力学模型的原理和方法,仿真并评价了（悬挂）中置式中低速磁浮车辆在30～160km/h速度域内的动力学性能,其中轨道梁跨中垂向动位移和振动加速度、悬浮控制系统响应、悬浮架和车体振动加速度等指标均满足标准要求,不过超过120 km/h后车体前端平稳性指标未达到优秀水平需要优化。并开展了间隙反馈系数kp、速度反馈系数kv、加速度反馈系数ka三个控制参数以及轨道梁抗弯刚度EI、延米质量m两个梁结构参数对车—桥耦合振动的影响规律研究,分别提出了优选值建议。最后进行了（悬挂）中置式中低速磁浮车—桥耦合振动线路试验,进一步论证了研究成果。（第5章）

关键词： 定向凝固   深胞晶生长   界面动力学   形态稳定性  

摘要： 定向凝固过程中,不同物理参数会对其界面的生长和稳定性造成影响。本文研究定向凝固过程中,界面动力学对深胞晶形态稳定性的影响。通过建立深胞晶生长模型,应用多重变量法和匹配渐近法,求得外部的定常基态解和外部区域扰动态的多重变量渐近展开解,并得到色散公式。然后求根部解,求得奇异摄动系统的色散公式和奇异点附近的内解,并将内解与外解进行匹配,得到了界面形态的量子化条件,并得到了系统稳定性的判断依据,对深胞晶生长的稳定性进行了分析。结果表明,考虑了界面动力学参数的深胞晶生长的定向凝固系统有两种整体不稳定性机制:由复特征值频谱导致的整体振荡不稳定机制,以及由实特征值频谱导致的低频不稳定机制。稳定性分析表明,整体振荡不稳定机制中,界面稳定性参数ε与胞晶相对参数λ0有关。低阶近似时,纯熔体温度TM越小,拉速V越大,温度梯度GT越大,远场杂质浓度C∞越大,系统越不稳定,这些物理参数都会对界面稳定性造成影响。在其他物理参数固定时,界面动力学参数M*越大,中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的稳定区域越大,系统越稳定。界面动力学参数对系统起稳定作用。

关键词： 人体疲劳   心血管系统   人体传热   集总参数   外周阻抗  

摘要： 超过12%的交通事故是由驾驶者疲劳驾驶引起的,驾驶疲劳已经成为影响交通安全的重要因素之一。在驾驶过程中监测驾驶员的疲劳状态是行车安全最重要的保障。目前,研究者在疲劳驾驶监测方面已经做了很多努力,其中脑电波、心率等生理信号是作为疲劳状态监测最有效的生理参数之一。但是由于此类生理信号难以收集,所以寻求一个易收集无干扰的生理信号可以更方便地监测驾驶员的疲劳状态。皮肤温度作为人体生理信号具有反应机体的唤醒水平的作用。所以研究人体疲劳过程中皮肤温度和心血管生理参数的变化以及两者之间的影响关系,对于提高疲劳监测系统的准确度有着重要的作用。 本文通过建立一个流-热耦合集总参数模型,探究人体手部和头部皮肤温度等外周容易监测的生理信号与血压、心率等心血管系统生理参数之间的关系。考虑到人体皮肤组织的差异以及不同的血液灌注导致个体间皮肤温度的差异,采用了具有实时血液灌注和不同物理性质的多层生理组织来构建个体化的全身流-热耦合模型,其中各组织层所需的血液灌注量由集总参数心血管系统模型来提供。 为了研究人体产生疲劳时不同生理参数的变化,本文开展了两次诱导人体疲劳实验。在第一次实验中获得了人体疲劳前后头部和手部的皮肤温度,实验I结果显示在疲劳状态下头部和手部的皮肤温度均下降,并且手部的皮肤温度下降量要大于头部。利用该实验中疲劳后头部和手部两点皮肤温度反推个体化的全身流-热耦合模型中的心率以及头部和手部皮肤阻抗变化。在模拟结果中,发现疲劳后人体心率和血压均下降,头部和手部的外周皮肤阻抗均增加。这表明心率降低和外周阻抗增加共同降低了流向身体外周的血流量,导致疲劳期间皮肤温度降低。 最后,通过开展诱导疲劳实验II,本文发现了真实人体疲劳前后的血压和心率均下降,这也验证了模型结果的正确性。同时,在实验II中收集到了实验过程中的血流信号,通过小波分析方法计算了疲劳前后的不同生理调节频率段内的血流幅值变化。小波分析结果发现在疲劳后,原始血流信号幅值,内皮、心跳和呼吸频率段内血流幅值都有下降。这表明在疲劳后,人体在这三个方面的血流调节作用减弱,进一步验证了在疲劳后心率以及皮肤血液灌注下降的结果。 本文提出的全身流-热耦合模型阐明了人体疲劳对心血管系统的影响,这将有助于提高疲劳监测系统准确性。