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多层级异质异构吸波超材料功能化设计及熔融沉积3D打印

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机械工程学报 2024年第3期60卷 319-327页

作者：杨贞梁庆宣段玉冰刘攀王昕李涤尘西安交通大学机械工程学院西安710049

针对吸波材料向工程应用方向发展需具备轻质和宽带吸波的关键需求,提出了一种有损谐振结构和功能化介质层调控的多层级复合异质异构吸波超材料,通过对介质层进行仿生结构化设计实现吸波超材料轻量化和宽带吸波性能。将热塑性聚合物材料... 详细信息

针对吸波材料向工程应用方向发展需具备轻质和宽带吸波的关键需求,提出了一种有损谐振结构和功能化介质层调控的多层级复合异质异构吸波超材料,通过对介质层进行仿生结构化设计实现吸波超材料轻量化和宽带吸波性能。将热塑性聚合物材料和银铜合金复合制备了特定电导率的复合材料,通过优化银铜合金重量比和复合材料的打印工艺实现了谐振结构电导率的精确控制。基于此,设计了两层有损谐振结构层来调控宽带阻抗匹配和欧姆损耗,利用双材料熔融沉积3D打印工艺实现了多层级异质异构吸波超材料的可控制备。所制备的吸波超材料等效密度为0.3 g/cm3,电磁性能测试结果表明在垂直入射条件下,吸波超材料在3.8~19.24GHz频段实现了高效吸波性能。同时,电磁波在横电波(Transverse electric,TE)和横磁波(Transverse magnetic,TM)模式下、入射角在50°范围内时,吸波超材料都具有良好的宽带吸波性能。这种多层级异质异构吸波超材料的设计和制造方法为推动吸波材料向工程应用化方向发展提供了技术支撑。

关键词：多层级异质异构吸波超材料 3D打印

等离子体作用下不同脉冲数超快激光烧蚀过程中化学反应机制的数值模拟

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机械工程学报 2024年第8期60卷 94-106页

作者：张春波吴成军袁浩天西安交通大学机械工程学院西安710049

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型... 详细信息

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型。模型考虑了等离子体对入射激光能量的吸收和散焦作用以及温度变化对表面反射率和分层吸收系数的影响,采用Maxwell-Stefan理论模拟了多元组分间的扩散现象,并利用配分函数法拟合了热化学反应速率。采用240 fs脉冲激光进行相同功率、不同脉冲数下的激光打孔试验,验证了仿真模型的有效性。试验结果表明,随着脉冲数的增加,等离子体对激光的屏蔽作用增强,烧蚀后材料表面微孔结构的直径逐渐增大,烧蚀区域的氧化物含量逐渐上升。通过仿真结果与试验结果对比可知,在表面微孔结构的直径方面,两者间的相对误差不超过5%,在表面氧化物含量方面,相对误差控制在12%以内。并且分析出当脉冲数较小时,等离子体作用较弱,热效应在激光能量中所占比例比较大,使得仿真与试验的氧化物占比误差较大。将等离子体与化学反应模块相结合,采用配分函数法求解了热化学反应速率,能够预测材料表面氧化物含量。

关键词：超快激光烧蚀多元组分扩散热化学反应等离子体

面向高变倍场景的变电站巡检机器人云台相机对准方法

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中国电机工程学报 2024年第8期44卷 3337-3346,I0034页

作者：姜骞刘亚东严英杰刘庆臻陈思江秀臣上海交通大学电气工程系上海市闵行区200240

受导航误差和机械磨损等因素影响,变电站巡检机器人在自主巡检时的停靠位姿偏离预置位姿,导致其云台相机在高倍变焦抓图时出现目标设备不在图像内以及聚焦失败等问题。因此,提出一种面向高变倍场景的变电站巡检机器人云台相机对准方法,... 详细信息

受导航误差和机械磨损等因素影响,变电站巡检机器人在自主巡检时的停靠位姿偏离预置位姿,导致其云台相机在高倍变焦抓图时出现目标设备不在图像内以及聚焦失败等问题。因此,提出一种面向高变倍场景的变电站巡检机器人云台相机对准方法,使巡检机器人相机能够精确对准到预置位姿,以拍摄与模板图像一致的高质量巡检图像。首先,建立巡检机器人位姿与像素误差之间的关系模型;然后,基于构造的变电站空间布局假设条件,提出机器人相机位姿误差的近似解法;最后,对相机位姿误差进行正交解耦,使用提出的折半对准控制方法校正相机位姿误差。在巡检机器人真型平台上开展相机对准试验,结果表明,相较于仅调整云台姿态的传统相机对准方法,该方法在高变倍巡检场景中表现出更高的巡检覆盖率、准确率以及更低的巡检图像像素误差。

关键词：巡检机器人自主巡检相机对准位姿求解折半控制

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大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

电机与控制学报 2024年第1期28卷 189-196页

作者：董华军程靖洲赵一鉴库照宇李东恒大连交通大学机械工程学院辽宁大连116028

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同... 详细信息

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知:离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。

关键词：真空电弧等离子体开断过程双温模型动态特性仿真分析

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Cr/Zr涂层环向压缩表面裂纹识别研究

机械工程学报 2024年第8期60卷 1-10页

作者：郑杰权伟刘洋卢学民刘晓红岳雅楠周腾蔡振兵西南交通大学电气工程学院成都611756 西南交通大学机械工程学院成都610031

针对Cr/Zr涂层表面裂纹图像存在的视野暗、噪声高及人工识别效率低等问题,建立Cr涂层表面裂纹自动精确识别与关键参数提取的技术和方法,并开展相关分析。在Cr/Zr涂层包壳管上进行环向压缩试验,采集裂纹图像,对采集到的图像数据设计了一... 详细信息

针对Cr/Zr涂层表面裂纹图像存在的视野暗、噪声高及人工识别效率低等问题,建立Cr涂层表面裂纹自动精确识别与关键参数提取的技术和方法,并开展相关分析。在Cr/Zr涂层包壳管上进行环向压缩试验,采集裂纹图像,对采集到的图像数据设计了一种Cr涂层表面裂纹识别与分析算法—CSCRA算法,该算法基于U2-Net神经网络对裂纹进行语义分割,从而获得Cr涂层表面裂纹的位置信息,然后设计了一种中轴线提取算法并结合连通域分析和距离计算对识别出的裂纹进行统计分析(包括数量、密度、长宽等)。相比于传统的边缘检测算法、阈值分割算法,设计的CSCRA算法能够准确有效识别多种形态的Cr涂层表面裂纹,自动完成识别裂纹的数量、密度、长宽等信息分析,得到了裂纹数量、密度、宽度信息与环向压缩形变量的对应关系。CSCRA算法能够解决传统识别算法连续性差、噪声高的问题。从裂纹数量、密度、宽度与环向压缩试验形变量之间的联系中,发现Cr涂层表面裂纹的数量和宽度随着环向压缩形变量的增大呈现出增大趋势,但两者在不同阶段增加速率不一致。

关键词： Cr/Zr涂层环向压缩裂纹识别 CSCRA算法神经网络

基于EWT-KLD的机械密封金刚石涂层磨损声发射降噪

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西南交通大学学报 2024年第1期59卷 177-184页

作者：林志斌高宏力吴昱东谭咏文西南交通大学机械工程学院四川成都610031

为了准确获得机械密封金刚石涂层在磨损过程的声发射信号,在分析机械密封设备的噪声特性基础上,提出了基于经验小波变换(EWT)和相对熵(KLD)的声发射降噪方法;通过对磨损声发射信号进行经验小波变换得到划分其频带的滤波器组,对磨损声发... 详细信息

为了准确获得机械密封金刚石涂层在磨损过程的声发射信号,在分析机械密封设备的噪声特性基础上,提出了基于经验小波变换(EWT)和相对熵(KLD)的声发射降噪方法;通过对磨损声发射信号进行经验小波变换得到划分其频带的滤波器组,对磨损声发射信号和背景噪声发射信号用相同的滤波器组划分频带;计算相应频带2种信号的相对熵,用累计和算法在升序排列的相对熵中找到首个大于3σ的值作为阈值,保留相对熵值大于阈值的频带重构信号,完成降噪.研究结果表明:本文所提的EWT-KLD方法可以有效抑制不同工况、不同磨损状态的声发射信号的噪声,有效改善了磨损声发射信号的信噪比,尤其是微弱磨损信号的信噪比,提高了密封端面磨损声发射检测的精度和灵敏度;通过与传统降噪方法的对比发现,本文方法能够对不同工况下的密封磨损声发射信号降噪表现出更强的适应性和稳定性,对于及时检测早期密封磨损和准确监测磨损累积变化过程具有重要意义.

关键词：机械密封声发射降噪经验小波分解金刚石涂层

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纵向通风作用下隧道内氢泄漏爆炸隐患分析

西南交通大学学报 2024年第1期59卷 81-86页

作者：谢永亮吕娜西南交通大学机械工程学院四川成都610031

为研究纵向通风能否有效控制隧道中泄漏氢气的扩散以及降低可燃氢云的超压危害,本文以一长100 m的方形隧道为研究对象,利用FLUENT软件对隧道内氢气泄漏扩散现象进行数值模拟,基于可燃氢云爆炸超压对人和建筑物的危害分级,分析纵向通风... 详细信息

为研究纵向通风能否有效控制隧道中泄漏氢气的扩散以及降低可燃氢云的超压危害,本文以一长100 m的方形隧道为研究对象,利用FLUENT软件对隧道内氢气泄漏扩散现象进行数值模拟,基于可燃氢云爆炸超压对人和建筑物的危害分级,分析纵向通风降低隧道内氢气泄漏爆炸危害性的作用效果.研究结果表明:计算工况下,隧道内发生氢气射流火灾时的纵向风速范围为6.5~8.0 m/s;纵向通风能够有效控制隧道内氢气的泄漏和扩散,但不能完全消除隧道氢泄漏爆炸的可能性和危害性.

关键词：氢能隧道火灾爆炸数值模拟纵向通风临界风速

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工程科学与技术 2024年第4期56卷 250-260页

作者：姜杰杨旭锋丁国富西南交通大学机械工程学院四川成都610031

高速列车动力学参数较多,有多个动力学性能的评价指标。综合考虑这些动力学指标进行参数灵敏度分析,对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。现有的单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能的影响。为避免这一... 详细信息

高速列车动力学参数较多,有多个动力学性能的评价指标。综合考虑这些动力学指标进行参数灵敏度分析,对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。现有的单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能的影响。为避免这一缺陷,本文引入了一种新的基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术。该方法通过求解单个输入与多个输出变量之间的距离相关系数,实现多输出全局灵敏度分析的目的。为提高灵敏度分析的效率,建立了多个动力学指标与输入参数的Kriging模型;为提高近似模型的精度,引入了一种新颖的多峰优化算法对Kriging模型的超参数进行全局寻优。与传统单目标智能优化算法不同,该优化算法通过引入种群差异指标,将单目标优化问题转化为双目标优化问题,从而增加了子代种群的多样性,避免了传统优化算法易于陷入局部最优解的问题。基于所提方法,以和谐号动车组动车为例,研究了多个动力学指标的多输出全局灵敏度。结果表明:由于增强了种群多样性,所提的超参数优化方法对Kriging模型精度和稳定性提升效果明显;基于距离相关系数的灵敏度分析方法能够更加合理地识别出对车辆动力学综合性能影响较大的参数,排除几乎没有影响的参数。

关键词：演化的多模优化 Kriging模型多输出灵敏度分析距离相关系数

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带仿生躯干的被动行走机器人步态特性

西南交通大学学报 2024年第2期59卷 477-484页

作者：魏巍丁维高谢进西南交通大学机械工程学院四川成都610031

为改善被动行走机器人的步态特性,受人体躯干同时具有刚性骨骼和柔性软组织启发,提出一种带刚柔仿生躯干的被动行走机器人模型,并研究其非线性动力学特性.将仿生躯干柔性部分等效为带质量的弹簧阻尼器,建立仿生躯干被动行走机器人的动... 详细信息

为改善被动行走机器人的步态特性,受人体躯干同时具有刚性骨骼和柔性软组织启发,提出一种带刚柔仿生躯干的被动行走机器人模型,并研究其非线性动力学特性.将仿生躯干柔性部分等效为带质量的弹簧阻尼器,建立仿生躯干被动行走机器人的动力学模型.分别分析仿生躯干的等效弹性系数、等效阻尼系数、等效质量对被动行走机器人的行走步长和步行速度的影响规律,并与刚性躯干模型的结果进行对比.研究结果表明:相比于刚体躯干,仿生躯干使得被动行走具有更加丰富的步态行为;仿生躯干柔性不仅影响被动行走的行走步长及行走速度,还影响被动行走的稳定性;适当的躯干柔性可以在维持稳定周期步态的同时,提高被动行走机器人的行走步长及步行速度;与刚性躯干相比,带仿生躯干的被动行走步长能提高12%,行走速度能提高2%.

关键词：步行机器人被动行走躯干柔性步态特性