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基于SIMP-安定的高速列车组合式座椅底架轻量化设计与分析

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工程科学学报 2024年第6期46卷 1151-1160页

作者：黄昌雄陈耕黄松华张乐乐北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 西交利物浦大学智能工程学院苏州215123

在高速列车座椅轻量化设计中,传统设计方法所普遍采用的结构优化技术仅以结构刚度或局部应力水平为目标,无法得到交变载荷作用下效率最高的结构构型.列车座椅在实际使用中受到轨道与应用场景的影响,除主结构需具备一定强度外,其关键部... 详细信息

在高速列车座椅轻量化设计中,传统设计方法所普遍采用的结构优化技术仅以结构刚度或局部应力水平为目标,无法得到交变载荷作用下效率最高的结构构型.列车座椅在实际使用中受到轨道与应用场景的影响,除主结构需具备一定强度外,其关键部件也要求在交变载荷作用下不发生明显变形.在此背景下,提出了一种采用固体各向同性惩罚微结构插值(SIMP)算法对主结构进行以刚度为目标的拓扑优化,同时以安定直接法对关键部件进行以安定强度为目标的参数优化一体化的设计与分析方法.采用所提出的方法对高速列车组合式座椅底架进行了优化,取得了显著成果.优化后的座椅底架在性能满足要求的前提下,底架主结构减重17%、L型连接件承载交变载荷的结构效率提高23%.所提出的研究方法及结果对于同类结构的轻量化设计具有重要意义.

关键词：高速列车底架拓扑优化安定轻量化

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四足机器人腾空跳跃的轨迹优化与控制方法

北京交通大学学报 2024年第3期48卷 161-170页

作者：张秀丽赵浩宇吴佳宁许鹏北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 中国北方车辆研究所北京100072

针对四足机器人难以跨越大尺寸障碍物的问题,提出了一种仿生腾空跳跃的轨迹优化控制方法 .首先,对马里努阿犬的越障运动进行测试和仿生学分析,得到腾空跳跃的参考轨迹.其次,根据摩擦锥、轨迹平滑、运动学和动力学等约束条件,基于轨迹优... 详细信息

针对四足机器人难以跨越大尺寸障碍物的问题,提出了一种仿生腾空跳跃的轨迹优化控制方法 .首先,对马里努阿犬的越障运动进行测试和仿生学分析,得到腾空跳跃的参考轨迹.其次,根据摩擦锥、轨迹平滑、运动学和动力学等约束条件,基于轨迹优化的方法对仿生参考轨迹进行离线优化,生成四足机器人的期望跳跃轨迹,得到跳跃所需的足端位置、关节力矩和关节角度序列.再次,设计分阶段的跳跃控制器,采用关节和质心PD(Proportional Derivative)的组合控制策略,实现对期望跳跃轨迹的跟踪,采用变刚度虚拟模型控制实现对落地姿态的调整和足底力的缓冲.最后,在Webots仿真环境中完成了1 m高度的自由落地和跳跃0.75 m高度桌子的仿真实验.研究结果表明:仿生轨迹优化与控制算法能够使四足机器人跳跃大尺寸障碍物并且具有平稳落地的效果,对于提高四足机器人的高性能运动能力以及拓展其应用环境具有参考价值.

关键词：四足机器人仿生学轨迹优化跳跃虚拟模型控制

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智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

铁道学报 2024年第1期46卷 1-12页

作者：余祖俊唐涛李开成宿帅朱力强北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等... 详细信息

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

关键词：智慧高速铁路运行控制平稳追踪控制智能感知车-地自组网

基于混合扩张状态观测器的农田平地机液压系统反步滑模控制研究

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农业机械学报 2024年第7期55卷 37-46页

作者：魏新华王庆壮吉鑫刘成良汪岸哲江苏大学农业工程学院镇江212013 智能农机装备理论与技术重点实验室镇江212013 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器(HESO)的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速... 详细信息

为解决农田平地机液压系统在复杂地貌平地作业时控制精度低、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于混合扩张状态观测器(HESO)的反步滑模控制器。其中,HESO基于输出反馈信号估计系统未知状态和总扰动,并在前馈通道中进行扰动补偿;基于快速趋近律设计的反步滑模控制器输出连续光滑的控制量,增强了系统鲁棒性,克服了系统非线性与参数不确定性问题;通过Lyapunov稳定性理论对所提出的观测器和控制器稳定性进行验证,得到误差一致有界稳定结论;通过AMESim和Matlab/Simulink联合仿真与田间试验对本文控制算法的有效性和优越性进行了验证。在两条地貌情况较为复杂波浪地中单次平地和地貌情况较为相似的两田块进行3次遍历试验表明,使用本文控制方法,平地后高程相较于平地前标高的平均绝对误差、最大绝对误差、绝对误差标准差分别为0.053、0.146、0.037 m和0.02、0.041、0.011 m,较PID算法分别降低36.35%、28.32%、31.37%和62.6%、50%、51.83%。

关键词：农田平地机混合扩张状态观测器反步滑模控制联合仿真

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剥肋滚压复合工艺及其设备研究

机械工程学报 2024年第8期60卷 132-142页

作者：蒋飞赵升吨范淑琴王可心陈超西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学西安市智能装备与控制重点实验室西安710049 中南大学轻合金研究院长沙410083

面对我国对建筑钢筋的庞大需求以及钢筋两端高效精密制造出螺纹的要求,迫切需要新的加工工艺和设备来满足。分析各类螺纹滚压工艺原理、特点和工艺参数之间的关系,提出一种钢筋剥肋滚压复合新工艺。基于该工艺设计并研制了对称式剥肋滚... 详细信息

面对我国对建筑钢筋的庞大需求以及钢筋两端高效精密制造出螺纹的要求,迫切需要新的加工工艺和设备来满足。分析各类螺纹滚压工艺原理、特点和工艺参数之间的关系,提出一种钢筋剥肋滚压复合新工艺。基于该工艺设计并研制了对称式剥肋滚压设备,滚压模具相位保持机构和对称机构显著提高了钢筋端头螺纹成形的可靠性和效率。通过静力学分析了主轴变形以及箱体模态。利用有限元分析了滚压过程的塑性变形情况和材料流动规律,发现滚压过程中螺纹成形的等效应变随着模具的进给而增加,在切入段集中在齿廓周围,校正段和成形段均分布在整个螺纹,且坯料芯部没有应力和应变发生。牙侧材料从底部流向顶部导致齿高逐渐变高,且牙底的轴向位移最大。在所研制的设备上开展了剥肋滚压试验,验证了剥肋滚压工艺及其设备的可行性与可靠性,结果表明适当增加钢筋的剥肋直径可消除齿顶拉尖现象,同时精确的模具中心距是保证成形螺纹尺寸精度的重要因素。

关键词：钢筋螺纹滚压滚压设备有限元塑性变形

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基于时空连续补偿的矿山可通行区域识别方法

工矿自动化 2024年

作者：代博王亚飞李若尧李泽星章翼辰张睿韬上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学汽车动力与智能控制国家工程研究中心

可通行区域识别是矿山无人驾驶技术中的重要环节。露天矿山道路场景具有道路边界模糊不清及路面平坦度不一等特征，使用传统同心圆地面分割模型进行矿山道路平面拟合时容易出现可通行区域与车辆不连通及帧间可通行区域识别结果不一致等... 详细信息

可通行区域识别是矿山无人驾驶技术中的重要环节。露天矿山道路场景具有道路边界模糊不清及路面平坦度不一等特征，使用传统同心圆地面分割模型进行矿山道路平面拟合时容易出现可通行区域与车辆不连通及帧间可通行区域识别结果不一致等误分类问题。提出了一种基于时空连续补偿的矿山道路可通行区域识别方法。首先，基于同心圆模型对矿山道路建模并利用主成分分析方法进行多平面拟合获取初始可通行区域分割结果；然后，基于空间连通性分别利用区域生长算法和基于密度的噪声应用空间聚类算法对初始可通行区域进行区域连通性滤波及点连通性滤波，得到符合空间连通性的可通行区域；最后，基于时间区域一致性对不同点云帧中可通行性不一致的不稳定区域进行滤除，先根据正态分布变换算法构建栅格地图，再利用时间稳定权重判断栅格稳定性，最终通过区域栅格投影实现不稳定区域的滤除。矿山实验结果表明：提出的可通行区域识别方法的准确率为93.44%，较现有主流算法提升2.27%；召回率为99.14%，较现有主流算法提升8.26%。提出的可通行区域识别方法不仅在不连通区域中具有良好的空间连通性，还在崎岖区域内具有良好的时序稳定性。

关键词：露天矿山无人驾驶矿卡可通行区域识别区域连通性滤波时空连续补偿点云分割

气动人工肌肉驱动的可变瞬心外骨骼设计与研究

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中国机械工程 2024年第10期35卷 1783-1792页

作者：黎朝阳罗天洪马翔宇方尚晨王珂重庆理工大学机械工程学院重庆400054 重庆文理学院智能制造工程学院重庆402160 重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

针对现有下肢外骨骼结构与躯体匹配度较低的问题,通过在现有反四边形关节的基础上引入额外的自由度,提出了一种气动人工肌肉驱动的新型可变瞬心人工膝关节。结合可变瞬心外骨骼的运动学分析对其瞬心轨迹方程进行了求解,并采用粒子群算... 详细信息

针对现有下肢外骨骼结构与躯体匹配度较低的问题,通过在现有反四边形关节的基础上引入额外的自由度,提出了一种气动人工肌肉驱动的新型可变瞬心人工膝关节。结合可变瞬心外骨骼的运动学分析对其瞬心轨迹方程进行了求解,并采用粒子群算法对膝关节结构进行了优化设计;采用模糊PID控制器对其运动进行了仿真与分析,并进行了实验研究。研究结果表明:提出的新型可变瞬心人工膝关节的瞬心轨迹与人体关节理想瞬心轨迹具有更好的匹配度,为具有人机相容性结构的优化设计提供参考与经验支持。

关键词：气动人工肌肉可变瞬心外骨骼结构运动学分析优化设计

液压圆柱滑阀K-K型节流槽流量面积参数模型

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西安交通大学学报 2024年第6期58卷 215-226页

作者：张宇航闫桂山杨明昆余聪陈革新姜文光燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004 中山大学智能工程学院广州510275 新疆工程学院机电工程学院乌鲁木齐830023

针对K-K型节流槽流量系数复杂时变及结构参数强耦合的特征,采用流量面积参数模型(FAPM),开展了液压圆柱滑阀K-K型节流槽阀口流量压降特性研究。首先,推导出K-K型节流槽阀口面积的数学模型,并将其等效为3个单阶K型节流槽阀口面积的组合形... 详细信息

针对K-K型节流槽流量系数复杂时变及结构参数强耦合的特征,采用流量面积参数模型(FAPM),开展了液压圆柱滑阀K-K型节流槽阀口流量压降特性研究。首先,推导出K-K型节流槽阀口面积的数学模型,并将其等效为3个单阶K型节流槽阀口面积的组合形式;其次,基于计算流体动力学(CFD)和响应面模型(RSM),建立了极限饱和流量下K-K型节流槽的FAPM模型;最后,通过对FAPM模型的分析,得到组合型节流槽阀芯结构与流量压降的映射关系。研究结果表明:当入口体积流量大于7.31 L/min时,满足极限流量饱和条件,此时流量系数与入口体积流量无关;当入口体积流量分别为20、30、50 L/min时,FAPM模型预测的K-K型节流槽阀口压降与CFD仿真值的平均误差均控制在7%以内。该模型完成了对K-K型节流槽阀芯结构的近似表达,并可应用于其他类型的组合型节流槽。

关键词：液压圆柱滑阀 K-K型节流槽流量面积参数模型流量压降计算流体动力学响应面模型

基于监督降维和自适应Kriging建模的高维不确定性传播方法研究

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中国机械工程 2024年第5期35卷 762-769,810页

作者：宋周洲张涵寓刘钊朱平上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室上海200240 上海交通大学汽车动力与智能控制国家工程研究中心上海200240 上海交通大学设计学院上海200240

高维不确定性传播目前面临维度灾难和小样本的问题,难以利用有限的样本资源获得高精度的分析结果,针对此问题,提出了一种基于监督降维和自适应Kriging模型的高维不确定性传播方法。利用改进充分降维方法将高维输入投影到低维空间中,并利... 详细信息

高维不确定性传播目前面临维度灾难和小样本的问题,难以利用有限的样本资源获得高精度的分析结果,针对此问题,提出了一种基于监督降维和自适应Kriging模型的高维不确定性传播方法。利用改进充分降维方法将高维输入投影到低维空间中,并利用Ladle估计器确定低维空间的维度。将降维投影矩阵嵌入Kriging核函数中以减少待估计超参数的数量,提高建模精度和效率。最后,创新性地定义了投影矩阵留一交叉验证误差,并基于此提出了相应的Kriging自适应采样策略,可以有效避免模型精度在自适应采样过程中发生较大波动。数值算例与工程案例的结果表明,相比现有方法,所提方法能够以较少的样本点获得高精度不确定性传播结果,对复杂装备结构的不确定性分析和设计具有一定参考作用。

关键词：高维不确定性传播监督降维 Kriging模型自适应采样