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高维数据自适应降维方法

机械工程学报 2024年第17期60卷 283-296页

作者：段书用杨建华韩旭刘桂荣河北工业大学机械工程学院天津300131 辛辛那提大学航空工程和机械工程系美国辛辛那提45221

针对复杂装备及结构中高维信息导致的反求设计、优化设计、可靠性设计与分析时计算难度大、计算效率和精度低等问题,提出高维数据自适应降维方法—引导约束自编码降维方法。该方法基于主成分分析法能根据高维数据的相关性得到高质量的... 详细信息

针对复杂装备及结构中高维信息导致的反求设计、优化设计、可靠性设计与分析时计算难度大、计算效率和精度低等问题,提出高维数据自适应降维方法—引导约束自编码降维方法。该方法基于主成分分析法能根据高维数据的相关性得到高质量的线性低维数据,与无监督训练的自编码器具有对降维数据质量自我重构的特点,提出正交引导和正交约束的双重策略,对自编码网络进行无监督训练,以达到高精度、高效率降维的目的。该方法主要有以下策略:首先利用主成分分析法快速得到由特征向量构造而成的具有正交特性的投影矩阵,然后将其用于预设自编码器中的可训练参数,以保证初始训练参数的正交性;其次在自编码器训练中继续施加权值正交约束即无相关性特征约束,以减少信息的冗余从而保证低维数据的独立性;同时,施加单位范数约束以避免梯度消失,最终得到具有高度正交特性的降维特征。为验证该方法的有效性,将该方法用于碳钎维和玻璃纤维混合铺层的复合材料层合板的材料参数反求,通过参数反求的精度来评估不同降维方法的性能。研究结果表明,该方法可高效的得到高质量的线性及非线性降维信息,有效克服了主成分分析法仅可实现高维信息的线性降维和标准自编码器降维数据精度低的缺点,并且显著提高了复合材料层合板的参数反求精度。

关键词：神经网络降维方法主成分分析自动编码器特征提取和融合参数反求

短距离压电式喷射点胶卫星滴形成机理及抑制策略

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机械工程学报 2024年

作者：李亚栋陶友瑞王崇帅段书用李长峰姬昭鑫河北工业大学电气工程学院河北工业大学机械工程学院常州铭赛机器人科技有限公司

喷射点胶是微电子封装领域的核心技术，射流破碎产生的卫星滴会造成基板污染、胶点形状不规则等，是点胶技术面临的难点问题。压电式喷射点胶的真实服役工况是短距离(0.7～1.2 mm)射流过程，射流破碎发生在液滴接触基板之后，破碎机制... 详细信息

喷射点胶是微电子封装领域的核心技术，射流破碎产生的卫星滴会造成基板污染、胶点形状不规则等，是点胶技术面临的难点问题。压电式喷射点胶的真实服役工况是短距离(0.7～1.2 mm)射流过程，射流破碎发生在液滴接触基板之后，破碎机制复杂，卫星滴形成机理尚不明晰。以某环氧树脂胶水为研究对象，基于试验与数值模拟研究了短距离喷射点胶过程中卫星滴的形成机理，并基于此提出卫星滴抑制策略。研究表明：短距离喷射点胶卫星滴的形成模式可分为三类：第二次射流破碎在卫星滴下方、两次射流破碎同时发生、第二次射流破碎在卫星滴上方，其中第三类卫星滴最容易形成散点；卫星滴生成率与射流破碎时间呈负相关关系，减小射流速度、降低喷射高度与喷嘴温度可有效提升射流破碎时间，降低卫星滴生成率；通过增加微喷孔长径比、喷嘴锥角或在喷嘴内部增设台阶等结构设计来降低射流速度，有利于抑制卫星滴的形成。

关键词：喷射点胶卫星滴数值分析射流破碎时间长径比

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基于构型力理论的风电齿轮接触损伤研究

机械强度 2024年

作者：叶楠张雁辉王荣刘冉张传棻欧阳衡段书用河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室河北工业大学机械工程学院西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安交通大学航天航空学院

风电机组齿轮箱长期处在随机风载等复杂环境下，其齿轮接触疲劳成为限制风电机组装备稳定性与可靠性的关键因素，进行齿轮接触损伤演化机理研究面临着应力状态复杂、损伤各向异性及失效建模困难等难点。材料构型力理论可以描述缺陷构型... 详细信息

风电机组齿轮箱长期处在随机风载等复杂环境下，其齿轮接触疲劳成为限制风电机组装备稳定性与可靠性的关键因素，进行齿轮接触损伤演化机理研究面临着应力状态复杂、损伤各向异性及失效建模困难等难点。材料构型力理论可以描述缺陷构型变化对材料自由能的影响，可用来预测材料的损伤和失效行为。基于构型力理论建立齿轮接触损伤模型，选取齿轮接触承载关键区域进行齿轮接触界面应力场仿真分析，模拟在接触载荷作用下齿轮接触损伤演化过程。研究结果表明，构型力理论损伤模型可以有效模拟齿轮接触损伤现象，解释齿面点蚀和剥落，对准确预测齿轮接触疲劳寿命具有理论指导意义。

关键词：风电齿轮齿轮接触构型力界面应力损伤演化

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基于电子阀工况的永磁步进电机剩余寿命预测

电子测量技术 2024年第4期47卷 104-112页

作者：杨超群段书用杨天豪李珊瑚省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300401 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学) 天津300401

微型永磁步进电机作为电子阀核心器件,其运行状态对电子阀能否正常执行操作有着直接影响。为了准确掌握电机剩余寿命情况,提出了一种考虑个体差异Wiener过程的剩余寿命预测方法。首先通过分析电机性能退化失效过程,选取相电流有效值作... 详细信息

微型永磁步进电机作为电子阀核心器件,其运行状态对电子阀能否正常执行操作有着直接影响。为了准确掌握电机剩余寿命情况,提出了一种考虑个体差异Wiener过程的剩余寿命预测方法。首先通过分析电机性能退化失效过程,选取相电流有效值作为性能退化特征量;其次由于同型号多台电机同时参与实验,建立考虑个体差异Wiener过程的电机性能退化模型并基于EM算法进行参数估计;最后,设计一种将启停次数作为电机剩余寿命参考的实验,并与基于传统Wiener过程的预测结果进行对比。实验结果表明所提方法平均预测误差下降了3.74%,具有更高的预测精度。

关键词：微型永磁步进电机 Wiener过程 EM算法剩余寿命预测

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极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计

现代制造工程 2024年第9期 152-159页

作者：叶楠张传棻王荣贺明荣张雁辉段书用河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300401 河北工业大学机械工程学院天津300401 西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安710049 天津市华建天恒传动有限责任公司天津301800

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率... 详细信息

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7%(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

关键词：极端服役工况多工况轻量化风电齿轮箱箱体模态试验

复合材料前防撞梁变截面多工况多目标优化设计

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汽车工程 2015年第10期37卷 1130-1137,1143页

作者：杨旭静张振明郑娟段书用湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

本文中综合考虑汽车低速碰撞中的角度和对中两种碰撞工况,结合碳纤维/环氧树脂材料的特点,提出了一种变截面复合材料前防撞梁设计方法。首先,通过低速碰撞两种工况中前防撞梁的仿真计算发现,在等厚度的情况下,为满足侵入量的条件,对中... 详细信息

本文中综合考虑汽车低速碰撞中的角度和对中两种碰撞工况,结合碳纤维/环氧树脂材料的特点,提出了一种变截面复合材料前防撞梁设计方法。首先,通过低速碰撞两种工况中前防撞梁的仿真计算发现,在等厚度的情况下,为满足侵入量的条件,对中碰撞时所要求的厚度远远大于角度碰撞时的要求,因此,根据对中碰撞时前防撞梁的受力和约束条件,为其提出了中间厚两端薄,即变截面的设计方案。然后,以最小化吸能盒截面力和前防撞梁质量为目标,许用侵入量为约束,两种截面厚度和加厚区域长度为设计变量,基于采集的试验点构建吸能盒截面力和前防撞梁质量的Kriging代理模型,利用NSGA-Ⅱ算法对其进行多目标优化。最终的结果表明,在满足性能要求的基础上变截面设计使复合材料前防撞梁的质量分布更为合理,在不增加质量的条件下,角度和对中两种低速碰撞工况中耐撞性能都得到提高。

关键词：前防撞梁轻量化多目标优化碳纤维/环氧复合材料变截面

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玻纤增强聚丙烯复合材料的应变率敏感特性

材料工程 2018年第4期46卷 146-151页

作者：鲁雄杨旭静段书用郑娟湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表... 详细信息

采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表明:GF/PP复合材料在低应变率范围内对应变率是敏感的,随应变率的增加,其断裂应力和抗拉强度增大;随玻璃纤维含量的增加,其所对应的应变率效应反而有所下降。同时,Burgers模型能够有效地拟合预测出该材料的拉伸应力-应变曲线,与实验曲线相比,进一步验证了GF/PP复合材料的应变率敏感特性及其变化趋势。

关键词：低应变率玻璃纤维聚丙烯 Burgers模型应变率敏感特性

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机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

机械工程学报 2020年第9期56卷 18-28页

作者：段书用李昌洛韩旭刘桂荣省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300131 河北工业大学机械工程学院天津300131 辛辛那提大学航空工程和机械工程系美国辛辛那提45221

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非... 详细信息

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。

关键词：机械臂非线性摩擦模型动力学建模 Newton-Euler法正-反向动力学机械臂运动学运动轨迹

具有光滑-直行功能的Q-Learning路径优化算法

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机械工程学报 2022年第11期58卷 72-87页

作者：段书用章霖鑫韩旭刘桂荣省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300401 辛辛那提大学航空工程和机械工程系美国辛辛那提45221

移动机器人作业路径的合理规划是其安全高效完成作业任务的关键。现有的路径规划算法大部分是基于已知全局环境信息后,再进行路径规划。因此,针对移动机器人在静态未知环境中的路径规划问题,提出了一种具有光滑-直行功能的Q-Learning(SS... 详细信息

移动机器人作业路径的合理规划是其安全高效完成作业任务的关键。现有的路径规划算法大部分是基于已知全局环境信息后,再进行路径规划。因此,针对移动机器人在静态未知环境中的路径规划问题,提出了一种具有光滑-直行功能的Q-Learning(SSQL)算法并将其用于移动机器人的路径规划中。该算法在提高Agent学习效率的同时可确保路径为光滑连续的最短曲线,以改善其行走动力学性能及效率。SSQL算法包括三个主要新方案:首先,基于Q-Learning算法对未知环境进行预探索,在Agent首次找到目标点后,依据预探索信息,构建虚拟矩形环境,并在其内部增加引导Q值,以提高Agent学习效率。同时,将Agent找到的路径进行跳点优化,以达到消除冗余路径、减少路径转折点和缩短路径长度的目的。进而,在路径转折位置采用贝塞尔曲线进行路径平滑处理,并使最终路径能满足移动机器人动力学约束。将该算法与Q-Learning算法在不同环境下进行对比试验,研究结果表明,SSQL路径规划算法对大型未知环境的探索表现出优异的优化效果,具有收敛速度快,规划的路径短、转折点少等优点,且能确保移动机器人沿规划路径作业的平滑性和安全性。

关键词：移动机器人 Q-Learning 引导Q值跳点优化贝塞尔曲线路径平滑