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关键词： 预成型体   编织角   机器人   轨迹规划   ROS   视觉检测  

摘要： 编织复合材料是将纤维编织结构织物浸润和固化形成的,编织预成型体的编织质量对复合材料的材料性能有极大的影响。编织加工的预成型体由于综合性能更加优越,因此成功应用于各个领域。但是,由于目前的编织加工工艺仍有一定的缺点,会导致编织的参数存在误差、编织效率和质量检测效率低等问题,并且加工过程中由于人工参与较多导致对人体有害且人工成本较高。因此,本文主要通过对机器人牵引芯模轨迹的规划和机器视觉进行编织角检测进行研究,进而提高编织和编织角检测效率和准确性。本文主要以碳纤维编织预成型体为研究对象,针对空间异形结构芯模编织过程中加工工艺设计困难、织物表面质量不稳定、编织角检测效率低和无法自动化等问题,提出一种机器人自动牵引并实时控制芯模速度的轨迹规划方法进行预成型体编织,并通过机器视觉对成型后织物编织角检测。在轨迹规划过程中,首先对空间异形芯模进行离散化处理,再通过齐次坐标变换算法得到机器人工具中心点的位置与姿态数据,并通过编织点动态补偿算法对机器人牵引速度和时间进行计算,实现编织角的自动补偿;最后通过离散角均值灰度算法对织物表面编织角进行检测。首先,针对空间异形管状织物检测及其芯模牵引规划问题,确立了预成型体芯模的牵引和视觉检测流程的需求,根据编织机结构形式和编织工艺特点进行了机器视觉检测系统的硬件选型,并且通过仿真软件进行夹具设计及安装方案验证。其次,对于编织过程中机器人牵引芯模的轨迹和速度的规划问题进行研究。建立编织牵引芯模机器人的运动学数学模型,推导编织牵引机器人运动学正逆解,通过简化编织模型的方法进行了机器人末端轨迹的规划,并结合编织点动态补偿算法进行牵引速度和时间的调节,实现编织角自动补偿。然后,针对编织角视觉检测的问题进行了分析,提出用于计算平均编织角的离散角均值灰度算法。机器视觉检测编织角主要步骤主要包括采集织物表面图像、图像预处理、边缘检测、二维离散傅里叶变换等步骤;通过数字图像处理和计算机图形学的知识进行了算法的实现,并结合MATLAB编程验证了图像处理流程和离散角均值灰度算法的可行性。最后,基于ROS系统搭建了可视化仿真平台,并进行了芯模牵引轨迹过程的仿真;通过实验的方法进行了空间异形管状预成型体的编织,实验结果表明,该规划的方法能有效的降低预成型体的编织角误差在±2°以内,能够在实际生产中提高预成型体的质量;最后通过本文提出的离散角均值灰度算法对不同织物表面图像进行编织角测量,得到编织角检测平均误差为0.2403°,显著提高了编织角检测的准确率和稳定性。

关键词： 三维编织复合材料   大径厚比曲面   多尺度分析   薄壁结构   加筋设计  

摘要： 高性能薄壁构件作为航空航天装备中典型的主承力结构，能够保障飞行器在外来冲击载荷下的结构稳定性和功能完整性。随着纤维增强材料和编织技术的发展，三维编织复合材料(3DBraidedComposites,3DBC)凭借优异的力学性能和灵活的可设计性被广泛应用于航空航天薄壁构件中。由于独特的空间网状结构，3DBC避免了分层损伤的出现，进而使薄壁结构获得了更高的损伤容限和抗冲击性能。因此，研究其力学行为对于飞行器安全至关重要;然而，非均匀的材料组分和复杂的编织结构造成了3DBC显著的多尺度特性。现有的研究方法往往局限于单一尺度，且难以有效实现跨尺度信息传递。因此，本文采用多尺度方法分析3DBC薄壁结构的力学行为，为航空航天领域薄壁构件的高性能设计提供理论依据和技术支撑。论文主要研究内容包括:　　首先，在微观尺度上建立纱线的微观单胞模型，求解其等效力学参数;在细观尺度上根据纱线构型及空间分布建立细观单胞模型，预测其在不同载荷下的变形规律和损伤行为;进一步将细观模型二维截面等分并沿面外方向扩展为三维叠块，沿编织纱线路径层叠为纱线子胞;采用局部均匀化方法计算子胞的等效力学参数，并基于编织结构特征构建细观等效叠块(EquivalentBlock-StackingBased,EBSB)胞元模型;在宏观尺度上，由EBSB胞元建立3DBC宏观分析模型，并进行单轴拉伸试验验证。数值、试验结果对比表明，该方法对于3DBC拉伸刚度和强度的预测误差均小于4％,且宏观模型计算时长仅为0.9h,实现了对于3DBC力学性能的精确高效预测。　　其次，本文考虑结构曲率对内部编织结构及编织纱线路径的影响，提出了适用于曲面结构的EBSB胞元，进而建立3DBC大径厚比曲面薄壁结构的多尺度分析模型，预测准静态轴压载荷下的结构力学行为。同时进行薄壁结构轴向压缩试验，试验结果表明，该多尺度模型对于结构压缩刚度、强度的预测误差均小于5％,并能够准确预测结构损伤萌生及演化过程。　　最后，本文基于上述建模方法，进一步针对航空航天装备中常见的薄壁加筋结构进行多尺度分析。充分考虑蒙皮曲率和筋条布局，建立了轴向、环向、正/斜置正交格栅薄壁加筋结构多尺度分析模型，预测结构在复杂工况载荷(轴压、内压、扭转及耦合载荷）下的力学行为，揭示了加筋设计对于薄壁结构承载性能的增强机理，为航空航天装备加筋构件的研制提供可靠借鉴。

摘要： 时间走过了2023年上半年，中国海油交出了一份令人满意的答卷：国内油气产量实现“时间过半、产量任务超过半”。上半年，中国海油国内外油气产量大幅增长8.9%，日净产量再创历史新高。公司狠抓在产油气田稳产增产，生产时率创历史同期最好水平。巴西Buzios5油田等新项目成功投产，高峰日产量将超20万桶油当量。中国海域获5个新发现，分别为番禺10—6、开平18—1、西江24—2、秦皇岛32—6东和惠州26—6北，并成功评价14个含油气构造。

关键词： 壳结构   薄膜-基底系统   屈曲失稳分析   粘接区域模型   有限元分析  

摘要： 软材料是自然界与工业生产中非常重要的一种材料,它组成的各类结构广泛应用于柔性电子、软体机器人、生物医学等新兴领域。软材料结构的表界面力学性质直接影响着触控、传感等功能的实现,对至关重要的作用。然而,与硬材料相比,具有广阔应用前景的软材料结构的表面屈曲和界面黏附力学的研究缺乏,这严重阻碍了软材料结构的应用发展。本文通过实验测试、有限元模拟、理论分析相结合对典型软材料结构的表界面力学行为进行了研究,重点探索了有限尺寸的薄膜-基底系统的压入屈曲、含表面微结构的球壳的表面屈曲,以及含软材料黏接层结构的界面力学,研究内容分为以下三个部分:(1)制备了有限尺寸的薄膜-基底系统,设计了实验得到了该系统屈曲的形貌。并通过有限元模拟的方法,探讨了不同几何因素、材料因素和加载因素对该系统屈曲行为的影响,结果表明:当基底的弹性模量增大,系统屈曲产生的褶皱变小,直到无明显屈曲形貌。当基底厚度增大,系统屈曲产生的形貌变化并不明显,但基底变形程度会明显降低。当压头半径增大时,系统屈曲产生的形貌变化较为明显,压头半径极小时,系统边界处不会产生褶皱。存在一定加载角度时,薄膜在压头后面的边界区域产生较为明显的大褶皱,靠近压头前缘的部分产生环向的略微隆起。(2)采用实验测试、有限元模拟和理论分析相结合的方法,研究了含表面微结构的球壳的屈曲机理,结果表明:球壳厚度越大,球壳的结构越稳定,对压缩的力学响应越稳定,第二类屈曲形态也越稳定。球壳的外半径越大,球壳的力学响应越小。对含突起的球壳进行重点分析,发现多圈突起的存在导致了多次snap-through,含突起的球壳的第一次snap-through是构型转变与第一圈突起造成的局部屈曲共同导致的。突起的半径越大,在snap-through处的机械影响越明显。突起的角度导致突起和球壳之间的接触面积不同,从而影响球壳的机械反应。突起的数量对球壳的机械响应影响不大,但对球壳的压入形貌演化过程有比较大的影响。同时,含有像条纹这种连续表面微结构的球壳的力学响应和屈曲机制与圆球壳类似。(3)以粘接区域模型为基础,开展了含水凝胶粘接层的对接结构的强度分析的研究,重点讨论了几何因素、水凝胶粘接层材料因素对粘接结构强度的影响,结果表明:所提出的对接模型能够很好地研究以水凝胶为粘接层的对接结构的不同断裂角度的力学行为.在临床应用中设计合适厚度和合适重量比的水凝胶粘接层,以达到提高粘接结构强度的目的。在工程实践中对接结构会存在不可避免的偏移,需提前考虑并选择合理的粘接层。由于水凝胶粘接层的穆林斯效应,粘结的结构强度会显著降低。

关键词： SiO2f/SiO2复合材料   等效电磁参数   S参数反演方法   热透波材料  

摘要： 石英纤维增强二氧化硅(SiO2f/SiO2)复合材料是一种性能优异的热透波材料,具有良好的透波性能、耐高温性能、力学性能,常用作高速飞行器的雷达天线罩,在国防安全领域发挥着重要作用。其微观结构复杂,由连续编织纤维构成,含有大量孔隙,材料特性易吸潮,这些都对材料整体介电性能具有一定影响。在雷达天线罩等结构进行大尺度模拟时,材料具有的复杂微观结构就会给建模与计算带来极高的成本,使得分析更加困难。依据等效媒质理论,在电磁问题分析过程中,如果波长远大于材料微观结构尺寸,即可将具有复杂微观结构的不均匀介质等效为一块均质板。因此,我们只要能获取石英纤维增强二氧化硅基复合材料的等效电磁参数,即有助于在进行大尺度分析时降低相关问题成本与难度。本文即是针对材料具有的孔隙结构与吸附水分和高温下可能存在的温度梯度进行研究,获取等效电磁参数,分析材料介电性能。首先,采用合理的简化方法建立了纤维编织结构模型,并通过随机生长方法生成了随机分布的宏观均匀孔隙。在此基础上,将基于散射参数的电磁参数反演方法与严格耦合波分析方法结合,并使用不同的有限元仿真实例对1-18GHZ频率下的结果进行了初步验证,精度优于公式计算结果。其次,对材料含有一定水分时的介电性能进行了分析,显示1%含水率时介电损耗就会明显增大,达到10-2量级。同时计算了不同体积含水率对电磁波透射的影响,说明了针对SiO2f/SiO2复合材料采取防潮措施的必要性。最后,针对高速飞行时材料可能具有的温度梯度,通过传输矩阵法计算了温度分层模型下的等效介电常数与介电损耗,说明固态下材料受温度影响介电性能变化较小。并且对材料高温形成的碳化层进行了分析,显示碳化层介电性能与损耗的模拟结果大于实验测量值,但仍要说明碳化层对材料介电性能会产生明显影响。上述研究主要是针对SiO2f/SiO2复合材料,但部分方法与思路对于其他复合材料结构也具有一定的借鉴价值。通过建模计算获取材料的等效电磁参数,对于复合材料的设计与分析具有相当实际意义。

关键词： 双结编织工艺   假发编织机   运动学分析   编织实验   动静态分析  

摘要： 高质量假发的生产主要以人工的双结编织为主,其生产过程存在劳动强度大、制作耗时长和人工成本高等问题,但目前国内外尚未有十分完善的自动假发编织设备能够做到完全替代人工实现假发的生产。本文以双结编织工艺为基础,对假发自动编织工艺及编织机关键机构进行研究,主要工作内容及成果如下:(1)针对假发编织工艺进行研究和实例验证。通过深入分析帘式、单结编织、双结编织、三层发网和胶粘假发等5种假发编织的特点,得出双结编织工艺在仿真性、可靠性、蓬松度和牢固性等方面优于其他工艺。进而结合双结编织的工艺特点,分析假发编织的最大动程需求,基于18号针织舌针进行双结编织的工艺动作及织针路径的设计,并通过编织实验验证所设计工艺动作的可行性。(2)确定编织机总体方案。分析假发编织的功能需求和设计要求,提出假发编织机的总体结构方案及关键模块的设计方案,并构建基本的虚拟样机模型。(3)对关键模块进行设计与编织实验。主要针对发网框及其支撑构件、机械手末端执行器、发丝控制盒及驱动系统进行设计,并对发丝张紧力进行研究。通过构建张紧力的数学模型,测量10组张紧力数据,以其均值作为软硅胶按压发丝的张紧力,从而得到软硅胶的变形量为0.1mm,较好地模拟了人手按压发丝的效果。选择KUKA KR4 R600型机械手,建立其正逆运动学方程并求解,分析末端织针的工作域,验证机械手满足假发的编织空间;搭建发网框及编织平台,进行机械手的编织实验,验证了机器编织双结假发的可行性。(4)发网框及其支撑构件的优化设计与编织模块的分析研究。利用正交试验及有限元的分析技术对发网框及其支撑构件进行优化,通过极差与综合平衡法分析最佳的因素组合,使最大变形量、最大等效应力和一阶模态频率得到一定程度上的改善。对机械手支撑模组与编织执行机构进行静态形变分析,验证变形误差及应力在合理范围内。对舌针驱动模块进行动态特性研究,提取前6阶模态振型和固有频率,验证该模块可以有效避免共振。

关键词： 软雕塑   软材料   情感表达  

摘要： 软雕塑作为雕塑艺术的重要组成部分,它是以情感表达为核心,以材料为主导,把抽象思想外化为实体的一种新兴艺术形式。相较于传统雕塑,软雕塑具备独一无二的审美特质、艺术感染力和视觉吸引力,这些都源于软材料所具有的柔软性、可塑性和独特质感。这种新兴的艺术形式不仅为观者带来亲切、温暖的感官体验,更能让他们深刻体验到其特有的情感魅力和美学感受。目前针对软雕塑创作的研究主要集中在造型塑造,技法应用等层面,而针对软材料在软雕塑创作中基于情感角度的创作策略及理论研究相对薄弱,还有可以丰富的地方。因此以这一领域为主题的研究与创作具有实际的应用价值。 论文首先从物质角度阐述了软材料、软雕塑的概念,总结归纳了软材料的分类、特征以及常见软材料所引发的情感联想。研究了软材料与情感表达的联系以及软材料在情感表达中的价值。从形式角度阐述软材料基于造型、肌理、色彩的价值体现和情感表达方式,并以这三个艺术表现元素为基础,从技术角度总结了软雕塑的基本制作方法,提出了具体的创作策略:在独特性和创新性的基础上,注重色彩、光影、造型和线条的情感表达,充分展示软材料的特性,并加强与观者的情感互动。接着将提出的软雕塑的制作方法和创作策略应用于软雕塑的创作实践中,分别以羊毛和纸为主要材料创作了四件软雕塑作品:《冷兵器》、《种植》、《问》和《马》。本文重点探索软材料在软雕塑创作中的情感表达与应用,以期从实践上探索情感表达新的载体,构建软雕塑创作新的模式,从理论上为软材料的情感表达提供新的实践思路以及参考依据。

关键词： 高光谱成像   反射率   光谱曲线   应力  

摘要： 软材料已经崭露头角,成为物理、化学、材料科学、力学,以及生物科学领域中的研究热点。对于生命科学领域而言,这一领域的深度研究和技术应用前景广阔,已经获得了全球多学科研究社区的广泛关注。软材料力学作为力学领域的一个新兴分支,其研究对于催化多学科的融合进展和协同创新至关重要。 本文通过高光谱成像技术深入研究了硅胶样品的应力-反射率相关性。利用微型原位加载装置对硅胶样品进行单轴拉伸和压缩,同时利用高光谱相机采集了硅胶样品标定区域在不同应力下的光谱图像。高光谱图像中每个像素点中包含从377.7 nm-1024.7 nm波长范围内128个波段的光强信息。为了规避边缘效应和圣维南区的影响,我们对硅胶样品标定区域的反射率进行计算得到该区域的反射率平均值并将其作为光谱曲线的反射率。获得了硅胶样品的反射率-应力曲线后,对曲线进行分析,最终找出反射率曲线对应力较为敏感的典型波段。为了进一步定量分析反射率与应力的关系,在475nm-535nm波段范围对20个不同波长下的反射率-应力进行曲线拟合,结果显示,在同一波长下硅胶样品的反射率与应力呈现线性关系。 软材料变形后其表面微观形貌会产生较为显著的改变,微观形貌改变会使其反射光谱数据能产生一个较明显、可观察的变化。因此,变化后的反射光谱包含了材料的表面变形信息。本文基于粗糙表面的表面形貌梯度数据建立了一个光学模型,该模型主要由表面形貌梯度数据决定。实验中利用激光共聚焦显微镜得到硅胶样品表面在不同应力状态下的三维空间形貌图,将三位形貌图中每一像素点周围多个像素点的表面高度信息进行数值微分计算代替该像素点的形貌函数导数,最终得出显微镜观察区域内每个像素点的表面梯度数据。同时,光学模型中包含一个关键参数,它描述了样品的漫反射程度,我们通过大量的实验确定该参数取值为0.4。结合实验测量的硅胶样品表面梯度数据,利用光学模型模拟出样品表面反射率随应力的变化规律,模拟结果表明,反射率随应力呈线性关系。 将实验测量的硅胶样品反射率-应力曲线与利用光学模型模拟出的反射率-应力曲线进行对比。发现在475 nm-535 nm波段范围内,实验测量的不同波段所有反射率-应力曲线斜率的平均值为9.0×10-4/kPa,而我们模拟出的反射率-应力曲线的斜率为8.4×10-4/kPa。理论预测和实验测量都表明,反射率随着压缩载荷的增大而降低,并且在小变形条件下近似服从线性规律。压应力和反射率之间线性系数的理论预测值与实验测量值吻合良好,从而验证了本文理论模型的正确性。

关键词： 秩序感   编织艺术   图式编织   织物  

摘要： 贡布里希(Gombrich)在《秩序感》中,将有机体在秩序感引导下所能感知的“周围环境的各种规则”分为三个方面:自然环境的规则、人类行为的规则(即“技巧”)、艺术表现的规则。这一理论框架恰恰为本文铺垫了一条解读安妮·阿尔伯斯(Anni Albers)编织艺术与理论创作中独特“秩序”之美的线索。文章尝试依循这一线索归纳整理出解读安妮·阿尔伯斯编织艺术创作的三种途径,同时呈现出她对20世纪设计与艺术领域的贡献与价值。首先,本文分析了“抽象几何形式”这种自然环境规律如何对阿尔伯斯个人艺术风格产生影响。包豪斯的教育、现代主义对回溯原始时代历史的提倡,使她认识到研究古代编织的重要性,并且得出了艺术是永恒的结论。其次,本文通过阿尔伯斯著作中所体现的艺术观念,解读她如何利用“编织”这一人类行为的规则进行创作。倾听材料、在经纬结构中构建网格表明她直面编织限制条件的决心;平衡机器与手工的关系、研究织机的发展脉络是她挑战限制条件的方法;对于编织行为的产物,阿尔伯斯在作品中建立了她个人的图案法则,还引申出织物在建筑法则中的空间语言。最后,本文介绍并总结了阿尔伯斯艺术表现的规则——“书写编织”。织机编织图纸创作、打字机编织研究、版画创作,是她以笔代线,在纸上编织;而“图式编织”则是以线为笔,在编织中书写。两者都是阿尔伯斯对编织艺术种种挑战的质的突破。在这三方面的秩序规则引导下,我们可以更容易理解阿尔伯斯学习与创作的脉络,以及她的艺术风格特点。正是阿尔伯斯认真严谨的研究态度、脚踏实地的创作和勇于创新的艺术精神,推动了传统编织上升到艺术层面,并在现代艺术中占有一席之地,同时也对现代纤维艺术的开端产生了影响。