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计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真

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物理学报 2024年第11期73卷 189-200页

作者：谷靖萱郑庭郭明帅夏冬生张会臣大连海事大学机械工程系大连116026

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面... 详细信息

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面计入粗糙峰结构,讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律.结果表明:调节微纳复合表面结构参数,将改变润滑水膜承载力,进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果.此外,织构内涡流生成导致涡量变化,引起能量耗散并影响摩擦力.对矩形织构模型,适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优;而增大织构宽度比(W),动压润滑效应增强.在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后,当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时,承载力可提升44%,摩擦系数降低30.9%.若引入半正弦粗糙峰,承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%,对润滑效果的影响不明显.若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰,承载力可提升42%,摩擦系数下降31.1%,即表面动压润滑效果提升也较为显著.

关键词：微织构粗糙度动压润滑流体动力学

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ArUco辅助的爬壁机器人自主定位方法

机器人 2024年第1期46卷 27-35,44页

作者：张文杨耀鑫黄天帜孙振国清华大学机械工程系北京100084

针对现有的爬壁机器人定位技术在纹理特征不明显、环境相对封闭、存在强磁干扰等特殊环境下的不足,提出利用机载鱼眼相机观测固定于地面的ArUco码的全新定位方案并实现了基于该定位方案的惯性测量单元/编码器/鱼眼相机多传感器融合的自... 详细信息

针对现有的爬壁机器人定位技术在纹理特征不明显、环境相对封闭、存在强磁干扰等特殊环境下的不足,提出利用机载鱼眼相机观测固定于地面的ArUco码的全新定位方案并实现了基于该定位方案的惯性测量单元/编码器/鱼眼相机多传感器融合的自主定位方法A-IEF。该方法首先识别ArUco码,并根据其在鱼眼图像中的位置筛选关键帧;然后,研究了固定于地面的ArUco码的角点在鱼眼图像中的重投影规律,并结合机器人姿态约束进行重定位优化;其次,在关键帧区间内,推导了角点重投影误差关于机器人位置和姿态增量的雅可比矩阵;接着,设计了基于ES-EKF(误差状态扩展卡尔曼滤波)的多信息融合方法,以编码器估计的位移误差及ArUco角点重投影误差作为观测量,实现对机器人航向角和位置的修正;最后,在大型钢制构件上进行测试,试验结果表明,本文方法具有更高的定位精度,其中位置估计精度保持在0.06 m以内,航向角估计精度保持在3.7°以内,相较于ArUco-rectified、航位推测法等定位算法,位置误差降低约47%,航向角误差降低约68%,并能够实现在弱光照环境中的定位。

关键词：多传感器融合误差状态扩展卡尔曼滤波爬壁机器人位姿估计 ArUco码

基于振动及声学测量的风电叶片结构健康监测研究综述

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机械工程学报 2024年第7期60卷 79-92页

作者：孙仕林王天杨褚福磊清华大学机械工程系北京100084

叶片的健康状态对风力发电的效率和可靠性具有重要影响,其造价与损伤概率在风力发电机的各部件中位于前列。目前,国内外学者已针对风电叶片结构健康监测开展大量的研究,其中基于振动测量和声学测量的方法具有测量范围广、数据处理方便... 详细信息

叶片的健康状态对风力发电的效率和可靠性具有重要影响,其造价与损伤概率在风力发电机的各部件中位于前列。目前,国内外学者已针对风电叶片结构健康监测开展大量的研究,其中基于振动测量和声学测量的方法具有测量范围广、数据处理方便等优势。为了充分了解当前的研究进展,在阐述风电叶片各类结构健康监测方法的基础上,从基于固有特性的方法、基于健康指标的方法、基于统计建模的方法和基于机器学习的方法等四个方面综述了基于振动测量的相关研究,从基于独立麦克风测量的方法和基于麦克风阵列测量的方法等两个方面综述了基于声学测量的相关研究。最后,对论文涵盖的风电叶片结构健康监测方法进行总结,并展望了未来研究需要进一步关注的方向。

关键词：结构健康监测风力发电机叶片振动声学

基于差分融合长短期记忆神经网络数控机床热误差建模

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机械工程学报 2024年第7期60卷 249-257页

作者：刘占广张云刘晴雨清华大学机械工程系北京100084

数控机床的热效应是制约机床加工精度的主要因素,为了进一步提高机床热误差预测的精度,针对热误差表征参数温升和位移的相对量特性,引入差分预测,综合直接预测和差分预测的优点,提出一种基于差分融合长短期记忆神经网络的数控机床热误... 详细信息

数控机床的热效应是制约机床加工精度的主要因素,为了进一步提高机床热误差预测的精度,针对热误差表征参数温升和位移的相对量特性,引入差分预测,综合直接预测和差分预测的优点,提出一种基于差分融合长短期记忆神经网络的数控机床热误差预测模型。以某型号卧式外圆磨床为实验对象,按照不同电机频率设计四组实验,连续采集温度和刀具(砂轮)轴向伸长量数据,基于随机森林和特征交叉递归移除方法确定四个温度敏感点,随机选定训练集与测试集进行训练和预测,通过与现有普遍使用的人工神经网络方法对比验证,提出的热误差模型能够在数据趋势性和波动性间取得较好平衡,且预测结果有更高的精度和更好的鲁棒性,印证了引入差分预测的合理性,对于实际数控机床热误差预测补偿具有一定的参考意义。

关键词：热误差预测相对量差分融合长短期记忆神经网络

直射喷嘴结构对超低温氮气射流温度和速度的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第7期55卷 2516-2526页

作者：何奇汭杨东安徽大学机械工程系安徽合肥230601

液氮冷却低温切削是实现钛合金等难加工材料的绿色、高质量加工的有效手段之一。为实现面向超低温氮气射流过程温-速控制的喷嘴结构优选,采用数值模拟结合实验研究的方法,探析锥直型喷嘴入口直径D、出口直径d、收缩角α0以及长径比l/d... 详细信息

液氮冷却低温切削是实现钛合金等难加工材料的绿色、高质量加工的有效手段之一。为实现面向超低温氮气射流过程温-速控制的喷嘴结构优选,采用数值模拟结合实验研究的方法,探析锥直型喷嘴入口直径D、出口直径d、收缩角α0以及长径比l/d对出口射流场温-速分布的影响规律。研究结果表明:存在一核心结构场使得场内射流速度和温度与喷嘴出口处的一致,而核心结构场外速度衰减幅值与温升幅值随出口直径d增加而减小。在实验条件下,当d从2.0 mm增至4.0 mm时,射流速度衰减幅值自386.3 m/s降至40.1 m/s,射流温升幅值自92.7 K降至41.1 K;射流速度核心区长度sn1和射流温度核心区长度sn2与d呈线性正相关,且sn1的变化率为sn2变化率的1.4倍;相较于l/d,d对出口轴心射流速度um的影响更显著。随着d从2.0 mm增至4.0 mm,um降低了74.9%;随着长径比l/d从1增至4,um增加了3.2%,表明减小喷嘴出口直径和增大长径比有利于提高锥直型出口射速。

关键词：超低温氮气射流直射喷嘴结构射流核心区长度轴心射流速度数值模拟

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记一次面对人社学院学生的科普经验与反馈

物理 2024年第3期53卷 200-201页

作者：林志忠台湾阳明交通大学电子物理系中国台湾

1缘起2021年4月中旬,因缘际会,我应邀对新竹阳明交通大学“百川学士学程”大一学生做了一场两小时的演讲。原先,本拟以“从量子物理到知识经济的几个例子”为题,因为我先入为主地以为学生应大多来自理工学院。直到演讲前几天,才获知该... 详细信息

1缘起2021年4月中旬,因缘际会,我应邀对新竹阳明交通大学“百川学士学程”大一学生做了一场两小时的演讲。原先,本拟以“从量子物理到知识经济的几个例子”为题,因为我先入为主地以为学生应大多来自理工学院。直到演讲前几天,才获知该课程的学生以人文社会学院的学生为主。因此,临时将演讲题目修改为“从科学看周遭”。

关键词：大一学生学程演讲题目量子物理知识经济人文社会因缘际会先入为主

用于机器人自动装配的长圆孔视觉分割定位算法

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第10期64卷 1677-1685页

作者：蒋潇王松吴丹清华大学机械工程系北京100084

长圆孔应用于工业生产可以提高装配容错,增加装配调整量,但其难以解析描述的特点显著增加了工业应用中视觉检测定位算法的难度,限制了长圆孔在自动化装配结构中的应用。该文探索出一种具有鲁棒性的高精度长圆孔视觉分割定位算法,首先分... 详细信息

长圆孔应用于工业生产可以提高装配容错,增加装配调整量,但其难以解析描述的特点显著增加了工业应用中视觉检测定位算法的难度,限制了长圆孔在自动化装配结构中的应用。该文探索出一种具有鲁棒性的高精度长圆孔视觉分割定位算法,首先分析了长圆孔几何特征,将其描述为一种具有对称性、缺少简单解析表达的封闭图形;进而提出了一种基于语义分割网络和长圆孔区域退化的视觉分割定位算法,该算法结合深度学习和传统图像处理算法,首先构建YOLO和全卷积神经网络串联架构依次实现目标检测、感兴趣区域提取和语义分割,然后利用中轴变换骨架提取方法完成长圆形区域退化定位,有效避免了语义分割输出区域形状误差对定位精度的影响,最终得到了亚像素精度的精准检测结果。在某机器人自动装配系统中开展实验验证,得出所提算法具备精度高、鲁棒性好的特点,因此具有较广阔的工业应用前景。

关键词：视觉检测长圆孔自动装配深度学习

二硅化钴/二硅化钛结:寻找自旋三重态p波超导体

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物理 2024年第5期53卷 341-343页

作者：林志忠台湾阳明交通大学电子物理系中国台湾新竹30010

寻找非常规超导体,包括自旋三重态(spin-triplet)电子配对对称性超导体,是当前凝聚态物理学的重大梦想和圣杯。除了出于对基础科学问题的重要意义,科学家们更迫切期待实用和可进行微加工处理的自旋三重态超导体的问世,能带来拓扑量子计... 详细信息

寻找非常规超导体,包括自旋三重态(spin-triplet)电子配对对称性超导体,是当前凝聚态物理学的重大梦想和圣杯。除了出于对基础科学问题的重要意义,科学家们更迫切期待实用和可进行微加工处理的自旋三重态超导体的问世,能带来拓扑量子计算机的实现。本文简介一个我们实验室设计制作的、具有潜在自旋三重态p波配对对称性的超导体/正常金属(以下简称S/N)异质结构:二硅化钴/二硅化钛结(CoSi_(2)/TiSi_(2)junctions)[1]。关于这个“非磁性”材料的自旋三重态和p波电子耦合的实验证据,主要来自于它们的电导谱线(即微分电导)与自旋单重态(spin-singlet)s波和d波S/N结的谱线形状的巨大差异,两者几乎南辕北辙。

关键词：凝聚态物理学自旋三重态配对对称性拓扑量子计算微分电导谱线形状微加工异质结构

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机匣类工件五轴铣削工艺系统的刚度建模技术

清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1435-1444页

作者：赵彤卞鹏锡王永飞张毅博清华大学机械工程系北京100084 北京动力机械研究所北京100074

为了探究机匣类工件五轴铣削工艺系统因刚度不足引起的加工振动问题,该文针对KMC600SU机床、刀具、薄壁类零件及其夹具组成的整体工艺系统进行了建模分析。首先通过有限元分析和锤击实验,确定了工件和刀具部分的动刚度特征和测量方式;... 详细信息

为了探究机匣类工件五轴铣削工艺系统因刚度不足引起的加工振动问题,该文针对KMC600SU机床、刀具、薄壁类零件及其夹具组成的整体工艺系统进行了建模分析。首先通过有限元分析和锤击实验,确定了工件和刀具部分的动刚度特征和测量方式;然后基于悬挂式电磁激振器的机床动刚度测量装置和XGBoost模型,建立了包含五轴数控机床位姿信息的机床动刚度模型,并通过有限元仿真建立了刀具、零件及夹具的动刚度模型;接着利用刚度串联理论和坐标变换完成对整体工艺系统的动刚度建模。在此基础上,建立一种可以通过铣削实验测量工艺系统动刚度的XGBoost模型,以获取新的工艺系统动刚度数据;最后采用自适应等弦高欠采样算法对已有的工艺系统动刚度模型进行校准和迭代。结果表明该文建立的工艺系统动刚度模型的误差率满足3σ原则。

关键词：工艺系统机床动刚度建模机器学习