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双级串联调谐质量阻尼器减振镗杆的设计与性能仿真分析

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工具技术 2024年第2期58卷 97-102页

作者：孙宝雨黄晓斌庞学慧秦慧斌张晋中北大学机械工程学院

针对大长径比镗刀杆在加工大型复杂零件的孔及孔系结构中容易产生振动、加工效率低且加工质量不稳定等问题,提出了一种内置双级串联调谐质量阻尼器的新型减振镗杆,建立了减振镗杆的力学等效模型,通过求解和分析减振镗杆的振幅比,确定了... 详细信息

针对大长径比镗刀杆在加工大型复杂零件的孔及孔系结构中容易产生振动、加工效率低且加工质量不稳定等问题,提出了一种内置双级串联调谐质量阻尼器的新型减振镗杆,建立了减振镗杆的力学等效模型,通过求解和分析减振镗杆的振幅比,确定了减振镗杆最优的阻尼器长度及阻尼比。利用MATLAB/Simulink分别求解减振镗杆和普通镗杆的加速度响应信号,结果表明,减振镗杆的吸振性能显著提高,振动衰减时间大幅缩短。应用Workbench对两种镗杆进行模态分析和谐响应分析,得到固有频率和幅频曲线,发现减振镗杆的振幅远小于普通镗杆。本研究为减振刀具的研制与推广提供了一定的理论参考。

关键词：双级串联质量阻尼器减振镗杆等效模型性能仿真

功能梯度材料打印组分转变时平稳控制策略研究

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机械设计与制造 2024年

作者：彭壮壮韩硕周婧段国林河北工业大学机械工程学院天津科技大学机械工程学院

随着增材制造技术的快速发展，功能梯度材料的制备已成为该领域研究热点。针对微流挤出制备该材料过程中组分转变程度未能与加减速过程实时匹配，以及成形质量不高的问题，提出了以改进的S形加减速模型为基础，组分转变程度与加减速参... 详细信息

随着增材制造技术的快速发展，功能梯度材料的制备已成为该领域研究热点。针对微流挤出制备该材料过程中组分转变程度未能与加减速过程实时匹配，以及成形质量不高的问题，提出了以改进的S形加减速模型为基础，组分转变程度与加减速参数相匹配为核心的进给控制策略。通过对电机运动进行理论分析，建立了新型S形加减速模型，以灰度为分级标准，利用前瞻算法对转变点进行识别与分类，并以此控制转变点的加减速过程，以使组分转变规律化。通过对比不同控制策略下制备样件的成形质量，验证了该控制策略能够有效地减小机身震动，提高成形质量，材组分转变程度与加减速参数相匹配，为提高功能梯度材料组分转变精度与避免组分突变提供一定借鉴价值。

关键词：增材制造功能梯度材料组分转变前瞻算法 S形加减速参数匹配

Kresling折纸隔振器的理论模型与实验研究

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振动工程学报 2024年

作者：徐培迪马洪业凌鹏严博浙江理工大学机械工程学院

为克服线性隔振器在低频隔振中存在的承载能力与隔振频率之间的矛盾，可通过设计非线性刚度结构来构建准零刚度隔振器，从而实现低频隔振特性。受克雷斯林折纸结构（Kresling Origami Model,KOM）的启发，设计了一种KOM隔振器，该隔振... 详细信息

为克服线性隔振器在低频隔振中存在的承载能力与隔振频率之间的矛盾，可通过设计非线性刚度结构来构建准零刚度隔振器，从而实现低频隔振特性。受克雷斯林折纸结构（Kresling Origami Model,KOM）的启发，设计了一种KOM隔振器，该隔振器由两个镜像对称的KOM组成。通过能量法求解了KOM隔振器的非线性恢复力，获得了力-位移关系，揭示了准零刚度原理。研究了各结构参数对非线性恢复力的影响，阐明了非线性刚度的调节机制。通过拉格朗日方程，构建了KOM隔振器的动力学模型，采用谐波平衡法求解了系统的频响函数。通过化学雕蚀的方式完成单个KOM的制备，并通过折叠的方式并将两个KOM用胶水进行粘连，完成KOM隔振器的制作。通过实验研究了不同负载与不同激励幅值下KOM隔振器的隔振性能。结果表明，KOM隔振器的峰值频率低于3Hz，并有较宽的隔振频带（>4 Hz）。

关键词：非线性隔振 Kresling折纸结构谐波平衡法非线性刚度调节

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功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

机械强度 2024年第1期46卷 152-160页

作者：贾晓丽李守宝刘璐黄书童郑磊柯燎亮中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249 天津大学机械工程学院天津300072

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达... 详细信息

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

关键词：功能梯度形状记忆合金微机电系统表面效应 Gurtin⁃Murdoch 表面弹性理论相变

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菱形磁悬浮电磁振动俘能器的建模与试验研究

振动工程学报 2024年

作者：费相宜严博余宁蔡昌琦浙江理工大学机械工程学院

非线性准零刚度俘能器相较于传统的线性俘能器具有动态刚度可调的特性,可实现低频俘能效果。为进一步提高非线性俘能器的俘能效果,本文利用杆件与磁体结合实现磁悬浮状态,提出一种新型菱形磁悬浮电磁振动俘能器。首先,建立了俘能器的理... 详细信息

非线性准零刚度俘能器相较于传统的线性俘能器具有动态刚度可调的特性,可实现低频俘能效果。为进一步提高非线性俘能器的俘能效果,本文利用杆件与磁体结合实现磁悬浮状态,提出一种新型菱形磁悬浮电磁振动俘能器。首先,建立了俘能器的理论模型,并利用谐波平衡法推导了幅频响应关系,获得输出电压表达式,与数值解进行对比验证。其次,讨论了结构参数、激励频率和激励幅值对俘能特性的影响。最后,研制原理样机,搭建试验平台进行动力学试验。结果表明,非线性磁力的引入使该结构存在较为明显的准零刚度区间,俘能效果随着激励的增大而得到提升,俘能频带也随之变宽;适当提高菱形杆初始角和减小杆长也可以提高低频俘能效率。此外,通过调整永磁体的分布,实现系统单、双稳态转换,改变系统的俘能特性。本研究为非线性俘能器设计及其在低频俘能领域的应用提供了理论基础。

关键词：电磁俘能磁悬浮结构准零刚度低频振动

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基于压缩感知的低复杂度超分辨角度估计方法

系统工程与电子技术 2024年第6期46卷 1831-1837页

作者：吴敏黎子皓郝程鹏胡桥中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

在空域目标角度估计中,分辨率受阵列孔径的限制,依靠增加阵元数量提高分辨率会增加系统成本。为了在受限阵列尺寸中减少阵元数量,基于压缩感知(compressive sensing,CS)理论,提出了一种超分辨角度估计算法。首先建立阵列接收信号模型并... 详细信息

在空域目标角度估计中,分辨率受阵列孔径的限制,依靠增加阵元数量提高分辨率会增加系统成本。为了在受限阵列尺寸中减少阵元数量,基于压缩感知(compressive sensing,CS)理论,提出了一种超分辨角度估计算法。首先建立阵列接收信号模型并构造冗余字典,然后利用目标空间域稀疏先验信息将目标角度估计问题建模为优化问题,最后设计低复杂度算法对优化问题求解。所提算法通过贝叶斯CS理论推导了正则化系数,保证了算法的噪声抑制性能,通过共轭梯度运算及Hadamard乘积提高了算法效率。所提算法可利用较少快拍在信号数目未知的条件下,实现高精度角度估计。仿真结果和实测数据验证了所提算法的有效性。

关键词：阵列信号处理压缩感知波达方向估计波束形成

数据驱动下人体面部皮肤的本构参数反演及力学特征分析

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力学学报 2024年第7期56卷 1959-1969页

作者：陶雅萍桑建兵孙丽芳向华鑫杨鹏史玉龙河北工业大学机械工程学院天津300401 河北工业大学医院天津300401

人体面部皮肤的本构参数反演及力学特性研究对皮肤病变早期诊断、皮肤仿生材料设计及计算图形学中的面部模型建立都有着至关重要的作用,机器学习与有限元仿真方法相结合能更高效、更准确地解决非入侵式皮肤组织本构参数反求问题.首先建... 详细信息

人体面部皮肤的本构参数反演及力学特性研究对皮肤病变早期诊断、皮肤仿生材料设计及计算图形学中的面部模型建立都有着至关重要的作用,机器学习与有限元仿真方法相结合能更高效、更准确地解决非入侵式皮肤组织本构参数反求问题.首先建立了面部皮肤多向拉伸下的应力松弛有限元模型,并通过多步位移控制法对皮肤的超弹性力学性能与黏弹性力学性能分离;对Gasser-Ogden-Holzapfel(GOH)与Prony series本构模型参数进行敏感性分析,揭示影响面部皮肤应力松弛实验结果的关键参数.其次,利用贝叶斯超参数优化理论搭建随机森林(RF)模型与支持向量回归(SVR)模型,结合实验数据对人体面部皮肤组织本构参数进行了反求.最后,将计算得到的有限元仿真曲线与试验获得的拉伸力响应曲线对比,并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了评估.结果表明,纤维组织分散度κ、剪切模量相关参数C10和松弛模量g1是影响皮肤应力松弛实验结果的关键参数,RF模型数值计算曲线与试验曲线的拟合优度为0.98,其在皮肤本构参数反演问题上表现出更高的准确率,机器学习可以精准高效地获取面部皮肤的本构参数,进而准确描述皮肤组织的力学性能,该方法也可进一步推广到其他生物软组织的复杂本构参数反演问题.

关键词：面部皮肤组织参数反求有限元随机森林支持向量机

基于互联与阻尼分配框架的电液伺服系统轨迹跟踪策略

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机电工程 2024年第10期41卷 1865-1874页

作者：聂楸晓陈剑龚俊杰吴晓暄龙雨广西大学机械工程学院广西南宁530004 浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

在中大型挖掘机电液伺服系统中存在复杂耦合非线性、模型不确定性,以及外部载荷不确定性等因素,都会造成挖掘机轨迹跟踪误差大,导致电液伺服系统的动态性能差。针对这一问题,提出了一种基于互联和阻尼分配(IDA)框架的反演控制器,以提高... 详细信息

在中大型挖掘机电液伺服系统中存在复杂耦合非线性、模型不确定性,以及外部载荷不确定性等因素,都会造成挖掘机轨迹跟踪误差大,导致电液伺服系统的动态性能差。针对这一问题,提出了一种基于互联和阻尼分配(IDA)框架的反演控制器,以提高挖掘机工作装置在挖掘任务中的跟踪性能,并加强其鲁棒性。首先,利用先导阀、阀控非对称缸和阀控非对称缸模型构建了电液伺服系统的状态空间模型,并进一步基于哈密顿理论将该状态空间模型构造为具有扰动的三阶开环端口哈密顿系统(pH)。根据从pH系统中获得的互联矩阵和阻尼矩阵结构,逐步设计了虚拟控制信号,得到了控制律;然后,构造了一个匹配方程,以简化在其他系统上的设计和计算过程,并将期望的能量函数作为候选李雅普诺夫函数,根据李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统在期望轨迹上的收敛性和稳定性;最后,以挖掘机铲斗及其电液伺服系统为对象,采用数值仿真实验验证了基于IDA框架的反演控制算法的轨迹跟踪性能。研究结果表明:在不考虑模型不确定性的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,在位置控制上的收敛速度可提高1.9%~6.3%;在轨迹跟踪上可保持优秀的收敛速度,且最大跟踪误差降低70%~81%;在模型不确定和时变负载的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,面对冲击时的最大跟踪误差仅增加0.004 m,调节所需控制输入降低4%~20%。这表明上述控制算法具有更优秀的综合跟踪性能和更强的鲁棒性。

关键词：挖掘机电液伺服系统铲斗系统先导系统模型阀控非对称缸模型互联阻尼分配的无源控制(IDA-PBC) 反演控制器

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航天电静液伺服系统复合自适应跟踪控制

航空学报 2024年第15期45卷 26-37页

作者：窦振华国凯黄晓明孙杰左哲清赵守军山东大学机械工程学院济南250061 山东航空学院机电工程学院滨州256600 北京精密机电控制设备研究所北京100076

针对电静液伺服系统自适应控制过程中存在参数收敛速度慢、跟踪性能差、参数辨识过程中持续激励条件苛刻的问题,进行了复合学习自适应位置跟踪控制算法研究。依据电静液伺服系统的动力学模型,采用反步控制和复合学习的方式设计自适应跟... 详细信息

针对电静液伺服系统自适应控制过程中存在参数收敛速度慢、跟踪性能差、参数辨识过程中持续激励条件苛刻的问题,进行了复合学习自适应位置跟踪控制算法研究。依据电静液伺服系统的动力学模型,采用反步控制和复合学习的方式设计自适应跟踪控制器,由跟踪误差和预测误差同时驱动参数估计,从而在间歇激励的条件下保证跟踪误差和参数估计误差的收敛性,通过李雅普诺夫理论证明了控制器的一致稳定性。仿真及实验结果表明,相比于传统自适应控制,该方法不需要油缸加速度信号,且表现出更好的轨迹跟踪效果,经过复合学习,系统跟踪误差下降了50%,并且表现出更高的鲁棒性。

关键词：自适应控制电静液伺服系统复合学习轨迹跟踪参数收敛