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关键词： 滑坡碎屑流堵江   动力学参数   堆积特性   模型试验   数值模拟  

摘要： 高速远程滑坡碎屑流具有规模大、运动机制复杂、破坏性强等特点,一旦发生大规模滑坡,容易造成严重生命财产损失。由滑坡碎屑流堵塞河道而形成的堰塞坝也通常对人民生命财产安全及生态环境稳定构成巨大威胁。为研究滑坡碎屑流动力堵江过程与堆积特性,本文针对不同颗粒级配、颗粒层序及滑床坡度开展切层及顺层两种层状滑坡碎屑流堵江物理模型试验,同时利用数值模拟重现物理模型试验过程。基于两种研究方法的试验结果对比分析,获得了不同工况下碎屑流动力学参数演化规律与堵江堆积体几何形态、颗粒分布特征。具体结论如下:(1)切层滑坡碎屑流颗粒速度影响因素的重要性排序为颗粒级配、滑床坡度、颗粒层序,而对于顺层滑坡碎屑流则为颗粒层序、颗粒级配、滑床坡度。(2)切层滑坡碎屑流前缘速度随着颗粒粒径及滑床坡度增大、细颗粒到碎屑流底层距离减小而增大;切层滑坡碎屑流动能及阻尼耗能均会随着中、粗颗粒含量占比增大、滑床坡度增大及中、粗颗粒到碎屑流表层距离减小而增大。顺层滑坡碎屑流前缘速度随着颗粒粒径及滑床坡度增大、细颗粒到碎屑流表层距离减小而增大。顺层滑坡碎屑流动能表现为中、粗颗粒占比大的碎屑流颗粒,其颗粒层序越靠近碎屑流底层,动能相对较大,而中、粗含量占比小的碎屑流颗粒,则呈现出相反的变化趋势。(3)切层滑坡碎屑流堵江堆积体长L、高H与粗颗粒含量占比及滑床坡度正相关,堆积体宽W均随中、粗颗粒含量占比增大而先增后减,其堆积体堆积几何形态与颗粒层序关系为:低坡度下堆积体长L及高坡度下堆积体宽W随细颗粒层序靠近碎屑流底层而先减小后增大,而高坡度下堆积体高H则与宽W呈相反的变化规律。顺层滑坡堆积体长L、宽W在低坡度下多随粗颗粒含量占比增大而增大,堆积体高H多与中、粗颗粒含量占比及滑床坡度正相关;同时堆积体长L在低坡度下随细颗粒层序靠近碎屑流底层而先减小后增大,宽W及高H在高坡度下多随细颗粒层序靠近碎屑流底层而增大。(4)滑坡碎屑流颗粒级配及滑体粒序是影响碎屑流冲击力的重要因素。具体表现为:切层滑坡碎屑流冲击力随粗颗粒含量占比增大、粗颗粒层序与碎屑流表层距离减小而增大;顺层滑坡碎屑流冲击力则随粗颗粒含量占比增大、细颗粒层序与碎屑流表层距离减小而增大。

关键词： 空泡动力学   壁面参数   空泡溃灭   冲击载荷   剪切速率  

摘要： 空化与空蚀是一种普遍存在的现象,在实际环境中,空化多发生在不规则表面,材料表面受到空化破坏会形成大小不一的凹坑,新形成的表面影响着周围流场,同时水流中的球形颗粒与空泡的协同作用可能会加剧空蚀与磨损。研究这些壁面附近的空泡动力学特性对于空化的抑制和利用有重大意义。空泡内容物分为凝结气体(水蒸汽)和非凝结气体,本文考虑了空泡内容物属性,对于非凝结气体空泡的振荡特性基于Rayleigh-Plesset方程进行理论求解,对于凝结气体的空泡动力学使用数值模拟的方法,研究了凹坑及凸起边界附近的空泡溃灭过程。得到了不同壁面附近空泡的形态演变规律和压力波传播特性,分析了不同壁面参数对空泡溃灭时间、射流速度、壁面冲击载荷的影响,详细讨论了流场特性及壁面上剪切速率的分布情况。具体研究结论如下:1.基于近壁空泡平动方程的求解表明:随着无量纲壁面距离γ的增加,空泡平动速度减小,次Bjerknes力呈现出减小的趋势。对于负曲率壁面的条件,空泡受到的作用力和平动速度随壁面曲率ξ的增大而增大,对于正曲率壁面正好相反。同时与负曲率壁面相比,正曲率壁面下空泡的平动速度要更小,朝壁面迁移的距离更短,作用在空泡上的阻力比次Bjerknes力低两个数量级。相同条件下,负曲率壁面附近空泡在坍缩过程中受到的作用力要大于正曲率壁面的条件。2.对不同壁面附近空泡的非球形溃灭过程进行数值模拟,研究表明凹壁面对于空泡溃灭的阻碍作用要强于平直壁面,溃灭末期空泡的形态决定了射流速度的大小。当凹壁面曲率ξ增大,空泡溃灭时间延长,射流速度减小。在γ=1.0时,凹壁面中心的最大压力随着壁面曲率的增大呈现先增大后减小的趋势。在γ=1.5时,凹壁面中心受到的最大冲击载荷随壁面曲率的增大单调递增。凹壁面上的高剪切速率区域始终分布在凹坑两侧出口处,凸壁面上剪切速率的极小值出现壁面出口附近。凹壁面上受到的剪切作用比平壁面更大,当凹壁面曲率增大,剪切速率的峰值呈现快速增长的趋势。3.相同无量纲距离γ的条件下,凸壁面附近的空泡射流速度要大于凹壁面的情况。在γ=0.8时,凸壁面中心的压力峰值随着壁面曲率的增加呈现先增大后减小的趋势。在γ=1.7的条件下,凸壁面中心的压力峰值随着壁面曲率的增加同样呈现先增大后减小的趋势,但是拐点向后移。在相近条件下,空泡溃灭作用在凸壁面上的压力整体要高于凹壁面上的压力。4.在γ=0.8时,剪切速率的峰值随着凸壁面曲率的增加呈现先增大后减小的趋势,且逐渐靠近壁面中心。在γ=1.7时,剪切速率的峰值随着凸壁面曲率的增加单调增大,但是其距离壁面中心呈现先远离后靠近的趋势。

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   免疫克隆选择算法   自适应阻抗  

摘要： 随着工业机器人的应用场景日益复杂,对机器人性能和精度的要求也越来越高。一方面,工业机器人动力学模型具有高度不确定性和时变性,而保证高精度的轨迹跟踪性能必须要对动力学参数进行准确识别。另一方面,对于抛磨、装配、焊接等接触式作业任务,要求机器人必须具备一定柔顺性从而避免零件和自身的损坏。为此,本文主要从工业机器人动力学参数辨识以及阻抗控制两个方面展开研究。主要研究内容及创新点如下:(1)利用修正D-H法对六自由度工业机器人进行了运动学分析,基于牛顿-欧拉法构建了考虑关节摩擦特性的动力学模型。为了保障模型参数的唯一可辨识性,利用平行轴定理对模型进行了线性变换并对辨识参数进行重组。最后,通过Adams和Matlab联合仿真分析对重组后模型的准确性进行了验证。(2)针对辨识过程易受噪声干扰而导致参数精度较低的问题,提出了基于改进免疫克隆选择算法(ICSA)的动力学参数辨识方法。首先,为了降低噪声对辨识过程的干扰,以辨识观测矩阵条件数最小为准则优化了轨迹常系数。然后,为了提高参数辨识精度,通过改进克隆复制策略并引入自适应变异机制来提高算法全局搜索能力。最后通过实验对不同算法辨识结果进行验证,结果表明所提方法能够降低关节力矩误差均方根,提升动力学辨识参数的精度。(3)针对工业机器人在环境位置和刚度变化下的接触力控制问题,设计了一种学习率模糊调整的自适应阻抗控制器。首先基于辨识模型设计了结合前馈补偿的自适应阻抗控制器,其次为了降低变环境刚度下的力超调与跟踪误差,引入模糊控制思想对学习率进行在线调整。同时采用变尺度状态转移算法对阻抗控制参数进行优化。实验结果表明,所提方法能够提高变环境刚度下恒力和变力的控制精度与动态响应性能。在以上理论方法研究的基础上,研发了基于APP Designer的工业机器人动力学参数辨识及控制仿真软件,实现了激励轨迹求解、采集数据预处理、参数辨识与结果显示、控制仿真等功能,有效提高了辨识和控制仿真过程的可操作性。论文共计图40幅,表10个,参考文献67篇

关键词： 宽轨电力机车   悬挂参数   横向稳定性   横向平稳性   曲线通过性  

摘要： 近年来,随着国家铁路技术的不断发展,机车出口量也日益增多,但有些出口国与我国的铁路在轨距方面存在一定的差异,例如白俄罗斯、乌克兰等国采用1520 mm宽轨铁路,会对悬挂参数与机车动力学性能之间的变化规律造成影响。而悬挂系统作为机车的重要部件,其参数变化会显著影响到机车的动力学特性。因此,如何选取合理的悬挂参数逐渐成为机车动力学研究的重点。本文主要通过宽轨机车动力学仿真模型,研究悬挂参数间的匹配关系对机车横向动力学特性的影响。首先分析悬挂参数对机车横向稳定性的影响,建立机车转向架临界速度分析模型和10自由度蛇形运动微分方程,利用特征根法得到悬挂参数与临界速度的变化规律,并与通过仿真方法得出的规律做对比,验证了动力学仿真模型的正确性。然后利用动力学仿真,研究单一悬挂参数对横向稳定性的影响,得到关键悬挂参数,之后进一步分析关键悬挂参数与其余悬挂参数的匹配关系对机车横向稳定性的影响,最后将此研究过程推广到机车横向平稳性以及曲线通过性的分析当中,根据结果可知:悬挂参数的交互作用在对机车横向稳定性的研究上表现的最为显著,一系横向刚度与二系横向减振器阻尼系数(简称二系横向阻尼)为影响机车横向稳定性的重要参数,其匹配关系会明显影响机车横向稳定性,在一系横向刚度较大时,随二系横向阻尼的增加,会出现最优横向阻尼值使机车非线性临界速度达到最大值,一系横向刚度越大,最优阻尼值越小。但某些非关键悬挂参数的变化也会对这种匹配关系造成影响,一系纵向刚度与二系横向减振器刚度的适度减小,反而会使最优横向阻尼值增大。悬挂参数匹配关系与交互作用也会根据研究目标的变化而改变。研究目标为机车横向平稳性时,一系横向刚度与二系横向阻尼两关键悬挂参数之间的交互作用较强,两关键悬挂参数只与二系横向减振器刚度之间存在一定的交互作用。在一系横向刚度较大的条件下,随二系横向减振器刚度的增加,当二系横向阻尼较小时,横向平稳性指标随之略微减小;当二系横向阻尼较大时,此指标反而会随之略微增大。机车一系横向刚度为机车曲线通过性的关键悬挂参数。在道路条件不一致的情况下,一系横向刚度与其余悬挂参数的交互作用与匹配关系会发生改变。

关键词： 重载机械臂   动力学   激励轨迹   参数辨识   前馈控制  

摘要： 重型工业机械臂因其具有较大的负载能力,在国际工程应用领域中的重大海工装备维护、危险核电装置更换、重型矿用工件安装等大负载作业方面得到了广泛应用,并且正在不断提升其速度、精度和智能化水平,现已成为减少人工成本、实现高度灵巧化作业以及提高重载荷工作强度的重要装备。在矿用工程中,球磨机作为现代矿山企业用于矿石粉碎处理的重要大型设备,但由于长时间承受磨体和矿石材料的撞击,其内层衬板非常容易磨耗损坏,因此需要定期更换。本文以用于球磨机衬板更换作业的七自由度液压重载机械臂作为研究对象,以实现机械臂工作时的稳定夹持和高精度控制为目的,对其动力学参数辨识和前馈控制技术进行深入研究验证。本文的重点研究内容包括:首先,对液压重载机械臂的三维结构进行量化分析,并通过D-H参数法对其进行参数设计和构建运动学模型,导出相邻连杆机构的变换矩阵和末端位置矢量。通过蒙特卡罗法绘出液压重载机械臂的末端抓具工作空间云图,检验机械臂的空间运动工作特性。利用牛顿-欧拉方法建立机械臂的动力学模型,并充分考虑连杆连接处内部摩擦因素的影响,之后推导计算出机械臂完整的关节力矩数学表达式,并进行因式分解和线性化,最终得到用于机械臂动力学参数辨识的最小惯性参数集。然后,为了充分激发出机械臂的动力学特性,本文讨论了有限项傅里叶级数激励的机械臂运动轨迹的设计和优化,分析了改进的有限项傅里叶级数激励的运动轨迹的特点和优势。以最小化回归矩阵条件数和防止启停抖动为目标,通过遗传算法优化得到机械臂关节空间的最佳激励轨迹。接着,让机械臂按照改进的有限项傅里叶级数激励的轨迹模型进行多次工作实验,把实验中实时采集的运动数据进行滤波处理后,将其带入到线性化的动力学方程表达式中,使用最小二乘法计算得出机械臂的动力学参数,并选择另一条轨迹进行验证,以证明动力学参数辨识结果的正确性。最后,本文提出了一种采用动力学模型的力矩前馈控制方法,以解决传统PID闭环控制在多自由度液压重载机械臂上应用时准确度低、响应速度慢的问题。根据机械臂实际动力学模型可以提前感知各关节的目标力矩值,并将其和电流环发送出来的关节驱动信号相结合,完成机械臂各关节驱动力矩的同步自动补偿,由此大幅提高机械臂的关节驱动控制精度和整体工作稳定性,提升复杂工况下的机器工作效率。

关键词： 磁浮列车   电磁悬浮   轨道梁   运行平稳性   动力学设计  

摘要： 中国600 km/h速度级高速磁浮交通技术探索逐渐进入“深水区”，构建包括磁浮车线动力学参数匹配设计的全过程正向设计体系势在必行。文章阐述了高速常导磁浮列车的动态行为特征及调控要求，回顾总结了21世纪以来高速磁浮列车、轨道梁和线路动力学设计研究进展和存在的问题，分析了磁浮交通多场耦合动力学仿真、悬浮导向气隙波动综合抑制、磁浮列车综合减振、车线动力学匹配设计面临的技术挑战，建议以有组织科研范式变革推进磁浮交通多学科交叉融合研究，创建面向行车稳定舒适的车线动力学参数匹配设计理论与技术，为600 km/h速度级高速磁浮交通工程技术研发及试验线建设提供支撑。

关键词： 彩色多普勒超声   血流动力学参数   孕晚期脑损伤胎儿   预测价值  

摘要： 目的 探讨彩色多普勒超声血流动力学参数对孕晚期脑损伤胎儿的预测价值。方法 选取60例行彩色多普勒超声检查并住院分娩的足月妊娠孕妇，其中32例经临床诊断为孕晚期脑损伤胎儿的孕妇作为研究组，28例正常妊娠孕妇作为对照组。对比两组检测结果。结果 研究组胎儿脐动脉（UA）血流动力学参数均高于对照组（P<0.05）；研究组大脑中动脉（MCA）血流动力学参数均低于对照组（P<0.05）；根据彩色多普勒超声血流动力学参数检测结果显示，三者联合诊断价值最高，阳性31例，阴性29例，敏感度为93.75%，特异度为96.43%，阳性预测值为96.77%，阴性预测值为93.10%。结论 孕晚期胎儿脑损伤可引起UA、MCA血流动力学参数的变化，且三者联合检测具有较高的敏感度，可提高临床诊断效率。

关键词： 惯容   动力吸振器   非线性能量阱   分数阶PID控制   响应机理   参数优化  

摘要： 随着精密仪器和结构安全对抑振设备性能要求的提高,高效稳定的吸振器研究十分必要。同时,惯容作为一种新型振动控制单元对结构减振起到了极大的促进作用,将其连接在主子系统间可以改变系统惯性耦合,连接至地面可以减小设备体积和自重。然而不合理的惯容结构却会降低系统性能,此外高性能减振设备的结构变得愈发复杂,复杂结构间的耦合作用及对系统响应机理和动力学特性的影响尚不清晰。为了增强惯容吸振系统的抑振能力,探索基于惯容器的不同构型设计和安装方式对吸振系统的影响,论文提出了多种被动/主动式动力吸振器、非线性能量阱和调谐惯容阻尼器并进行了深入研究,主要研究内容如下:（1）简述了论文的研究背景与意义,惯容器、线性/非线性吸振器、分数阶动力学与主动控制的研究进展。论述了本文的主要研究内容和创新点。（2）在Voigt型动力吸振器模型的基础上,提出了一种含有惯容和接地刚度的新型动力吸振器模型,详细研究了该模型的最优设计参数解析解。首先通过牛顿第二定律建立起二自由度系统的运动微分方程,计算出系统解析解,利用固定点理论得到了系统最优频率比,推导出惯容最佳工作范围,最终得到了最优接地刚度比和近似最优阻尼比。分析了惯容系数取值在最佳范围以外时系统的工作情况,并给出了实际应用中的建议。通过数值仿真验证了推导得到解析解的正确性。与多种已有的动力吸振器在简谐激励和随机激励的工况下进行对比。随后,将放大机构引入其中,发现了类似的现象,并进一步提高了吸振器的减振性能。分析了惯容系数和放大倍数对主系统响应的影响。（3）在Voigt吸振器的基础上进行变形,设计了一种接地刚度吸振器,给出了其等效的调谐惯容阻尼器,提出了基于固定点理论的改进方法,计算出系统固定点坐标的闭式解。使用解析和数值方法研究了主系统响应最大幅值,并根据固定点幅值特征进行全局优化,推导出最优固有频率比和最优阻尼比设计公式。通过数值仿真验证了解析解的正确性。在简谐力激励下,与局部、全局优化后的Voigt吸振器和接地阻尼吸振器进行对比。（4）在多种工况下,通过比较不同非线性系统近似求解方法间的区别,揭示各方法的精度差异和适用条件。应用复变量平均法、多尺度法和谐波平衡法获得单自由度自治和非自治系统的近似解析解通式,并以Duffing振子为算例进行数值验证。随后针对二自由度非线性能量阱系统,推导出系统稳态响应的半解析解,以振幅和均方根值为评价指标描述系统的响应情况。（5）研究了一种几何非线性惯容吸振器,分析了几何非线性结构的非线性恢复力产生机理,并利用高阶泰勒级数近似,降低计算复杂度。使用谐波平衡法获得响应近似解析解,推导出幅频响应方程和相频响应方程。对各变量进行敏感性分析,通过灰狼算法优化参数,验证了灰狼算法在吸振器参数优化问题中的可行性与准确性。最后以位移传递率、衰减率、减振带宽和最优参数值为指标,与其它线性/非线性吸振器进行了对比分析。（6）探究了惯容和接地刚度组合结构对非线性能量阱响应机理和减振效果的影响,并在模型中加入了在多数研究中被忽略的主系统阻尼。使用复变量平均法推导出系统闭式解并进行数值验证,在此基础上计算出稳定性分析公式、局部分岔边界方程。结合多尺度法分析慢不变流形,推导出强调制响应的充要条件。选取几组典型参数,进行了详细分析并验证了解析结果的正确性。通过谐波平衡法得到主系统幅频响应方程,分析其参数影响和幅频特性。依据H∞优化准则,使用多目标灰狼算法进行参数优化,在不同场景中说明了该模型在减振性能上的优越性。将该模型简化得到立方刚度NES,研究在不改变其结构的前提下通过参数优化消除高分支响应的可行性。最后和其它线性吸振器、非线性能量阱在减振效果、带宽、系统稳定性等方面进行了比较。（7）提出了一种基于主系统位移反馈的时滞分数阶PID主动式调谐惯容阻尼器。通过平均法、Lyapunov间接法和Routh-Hurwitz判据推导出主系统位移幅值表达式和稳定条件,利用幂级数法验证了其正确性。分析了控制力的等效力学机理,其中微分阶次属于全参数域。当微分阶次属于0-1时,给出了等效刚度和阻尼系数的定义;当阶次属于1-2时,给出了等效刚度、阻尼系数和质量的定义。最后使用改进的灰狼算法进行了参数整定。在不同工况下,和被动、PID、分数阶PID控制的调谐惯容阻尼器进行了对比研究。最后概述了论文的主要结果,并指出了目前研究的欠缺和未来研究的方向。

关键词： 动力学参数辨识   最优轨迹规划   学生心理优化算法   串联机器人  

摘要： 机器人在推进现代农业、服务业和工业转型升级的过程中起着日益重要的作用。绿色生产、降本增效是产业转型升级的核心诉求,机器人的运行时间和能耗与其高度相关。为提高工作效率,减少能量消耗,实现绿色资源节约型生产,需开展考虑动力学特性的轨迹优化,而精确的动力学模型是施加动力学约束、计算运行能耗的重要基础,但动力学参数获取困难,导致建立的动力学模型精度较低。针对轨迹优化过程中动力学约束不够准确的问题,本文以串联机器人为研究对象,进行动力学参数辨识,开展基于动力学的时间、能耗和冲击综合最优轨迹规划研究。 为提高动力学参数辨识精度,针对常见参数辨识算法在求解时变、非线性、强耦合的动力学系统时存在辨识效率较低、易陷入局部最优、初始化参数难确定等问题,在学生心理优化算法(SPBO)的基础上,提出改进学生心理优化算法(BSPBO),使用牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型,将CAD软件生成的动力学参数设为BSPBO算法的初始解,对线性动力学模型进行求解,并将辨识结果与其它六种启发式算法对比,结果表明:BSPBO算法有较强的全局寻优能力和较好的收敛精度,能更稳定高效地完成各关节动力学参数的辨识。 在获得精确动力学模型的基础上,研究了动力学约束准确与否对综合最优轨迹的影响。采用B样条曲线进行关节空间轨迹规划,分别使用CAD软件和辨识实验所得惯性参数生成动力学约束,建立最优轨迹规划数学模型,并使用BSPBO算法进行求解。将优化算法生成的最优轨迹输入MWorks仿真模型,验证优化算法的有效性;驱动实验平台跟踪经过仿真验证的最优轨迹,结果表明:施加准确的动力学约束可将轨迹运行时间缩短7.09%、运行能耗降低4.60%、减少运动冲击,证实了基于动力学的综合最优轨迹规划的可实施性。