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基于相位调谐的旋转摆盘发动机驱动机构运动与受力分析

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机械工程学报 2024年第3期60卷 109-119页

作者：魏振航王世宇夏春花天津大学机械工程学院天津300350 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞... 详细信息

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞分布的空间对称性以及燃气压力变化的时间对称性,利用相位调谐原理分析了摆盘的受力特征,揭示了燃气压力谐波阶次和活塞个数对摆盘受力的影响规律。研究结果表明,摆盘边缘的运动轨迹呈球面“8”字形;由于连杆的空间摆动,活塞位移并非连杆大头位移沿活塞轴向的分量;通过调整活塞个数与燃气压力谐波阶次之间的组合关系,可平衡摆盘上的力或力矩。

关键词：摆盘发动机驱动机构运动规律受力分析相位调谐

变截面单元环状周期结构固有频率分裂规律研究

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机械工程学报 2024年第7期60卷 114-123页

作者：高楠王世宇夏春花魏振航天津大学机械工程学院天津300354 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300354

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组... 详细信息

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组模式拓扑构型,推导具体消除频率分裂的规则,深入分析贯穿孔的孔径、数量和位置等参数对频率及其分裂行为的影响。设计试件并搭建实验台验证理论模型的正确性和消除规则的有效性。研究结果表明:由于贯穿孔使局部质量和弯曲刚度同时减小,进而导致固有频率改变,增大孔径和数量使重频频率减小,使分裂频率的分裂程度增大;保持孔径的一致性和位置的对称性可有效消除分裂。该研究方法和结论可用于工程领域类似周期结构动力学问题的研究并指导结构的设计。

关键词：环状周期结构变截面单元固有频率分裂分组模式消除规则

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谷神星一号运载火箭的时变模态参数辨识

振动工程学报 2024年第5期37卷 729-736页

作者：马志赛丁千刘百奇刘建设张军锋董威利天津大学机械工程学院天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350 北京星河动力装备科技有限公司北京100176

针对运载火箭这一大型复杂系统,单纯依靠机理分析难以建立能够精确描述其时变特征的动力学模型,借助模态辨识技术获取其在飞行状态下的时变动力学特性尤为必要。面向运载火箭的飞行模态辨识需求,发展基于时变自回归滑动平均模型的仅输... 详细信息

针对运载火箭这一大型复杂系统,单纯依靠机理分析难以建立能够精确描述其时变特征的动力学模型,借助模态辨识技术获取其在飞行状态下的时变动力学特性尤为必要。面向运载火箭的飞行模态辨识需求,发展基于时变自回归滑动平均模型的仅输出递推辨识方法,引入指数加权遗忘机制进行时变特性跟踪,能够在激励未知的情况下仅基于响应数据准确快速辨识运载火箭的时变模态。以谷神星一号运载火箭为例,开展飞行遥测数据的快速处理,准确辨识发射准备阶段和飞行阶段的关键低阶时变模态,辨识结果与有限元分析结果的变化规律相互吻合,验证了所提时变模态仅输出递推辨识方法是有效可行的,服务了运载火箭有限元模型修正和姿控系统设计的实际工程需求。

关键词：运载火箭时变模态参数谷神星一号递推辨识

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移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 95-104页

作者：刘腾代吉张建军刘承磊郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300350

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相... 详细信息

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

关键词：移乘背抱护理机器人人体生物力学模型肌肉激活程度背抱运动舒适性

基于加速度约束的Delta机器人动态可行域时间最优速度规划

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信息与控制 2024年第3期53卷 329-338页

作者：李文鹏杜玉红董广宇天津工业大学机械工程学院天津市现代机电装备重点实验室

针对传统的Delta机器人运动控制方法存在工作效率低、稳定性差的问题，在基于可达性分析的时间最优轨迹规划(TOPP-RA)的基础上，提出了一种加速度约束动态可行域速度规划方法，用以解决机器人关节力矩约束下的时间最优控制。将TOPP-RA... 详细信息

针对传统的Delta机器人运动控制方法存在工作效率低、稳定性差的问题，在基于可达性分析的时间最优轨迹规划(TOPP-RA)的基础上，提出了一种加速度约束动态可行域速度规划方法，用以解决机器人关节力矩约束下的时间最优控制。将TOPP-RA的全局网格点速度规划调整为局部网格点动态速度规划；通过消除Delta机器人动力学模型的偏置力矩，将力矩约束转化为加速度约束以实现自调整加速度，最终完成动态可行域速度规划。实验表明，动态可行域速度规划能够达到全局最优的效果且单次求解仅需0.015 s,并且通过加速度自调整实现了机器人关节力矩约束下安全稳定高效的时间最优控制。

关键词：运动控制速度规划并联机器人时间最优

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水下回转体首部边界层流动稳定性及自然转捩研究进展综述

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实验流体力学 2024年第2期38卷 40-51页

作者：刘竟成刘建华张永明天津大学高速空气动力学研究室天津300072 天津大学力学系天津300072 中国船舶科学研究中心深海技术科学太湖实验室无锡214082 天津大学机械工程学院天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072

水下回转体首部边界层自然转捩是重要的流动现象,与水下航行体的流动噪声密切相关。流动稳定性理论是研究边界层转捩的重要方法。本文首先介绍了水下回转体首部边界层流动稳定性研究的4个发展阶段;其次介绍了自然转捩的预测方法,包括经... 详细信息

水下回转体首部边界层自然转捩是重要的流动现象,与水下航行体的流动噪声密切相关。流动稳定性理论是研究边界层转捩的重要方法。本文首先介绍了水下回转体首部边界层流动稳定性研究的4个发展阶段;其次介绍了自然转捩的预测方法,包括经验和半经验两类;然后介绍了转捩位置控制常用方法,包括改变首部线型、使用超疏水材料、控制壁面温度和在表面加入抽吸;最后基于当前的研究进展,对水下回转体首部边界层转捩研究提出了建议。

关键词：水下回转体自然转捩流动稳定性转捩预测转捩控制

基于加速度约束下的Delta机器人动态可行域时间最优速度规划

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信息与控制 2024年

作者：李文鹏杜玉红董广宇天津工业大学机械工程学院天津市现代机电装备重点实验室

针对传统的Delta并联机器人运动控制方法存在工作效率低、稳定性差的问题，在基于可达性分析的时间最优轨迹规划（TOPPRA）的基础上，提出了一种加速度约束动态可行域速度规划方法，用以解决机器人关节力矩约束下的时间最优控制。将T... 详细信息

针对传统的Delta并联机器人运动控制方法存在工作效率低、稳定性差的问题，在基于可达性分析的时间最优轨迹规划（TOPPRA）的基础上，提出了一种加速度约束动态可行域速度规划方法，用以解决机器人关节力矩约束下的时间最优控制。将TOPPRA的全局网格点速度规划调整为局部网格点动态速度规划；通过消除Delta并联机器人动力学模型的偏置力矩，将力矩约束转化为加速度约束以实现自调整加速度，最终完成动态可行域速度规划。实验表明，动态可行域速度规划能够达到全局最优的效果且单次求解速度仅需0.015s，并且通过加速度自调整实现了机器人关节力矩约束下安全稳定高效的时间最优控制。

关键词：运动控制速度规划并联机器人时间最优

高速大承载Sch?nflies并联机构动力学建模、性能分析及控制策略

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机械工程学报 2024年

作者：梁栋张珺鹏姚福林宋轶民孙涛天津工业大学机械工程学院天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津市现代机电装备技术重点实验室

面向纺织、食品、物流运输等行业中的高速及大承载作业需求，研究一类具有双闭环子结构稳定支链的Sch?nflies并联机构完备动力学建模、性能分析及控制问题。首先，借助线图法直观简洁表征支链自由度和约束空间，进而揭示出该机构动平台... 详细信息

面向纺织、食品、物流运输等行业中的高速及大承载作业需求，研究一类具有双闭环子结构稳定支链的Sch?nflies并联机构完备动力学建模、性能分析及控制问题。首先，借助线图法直观简洁表征支链自由度和约束空间，进而揭示出该机构动平台具有三平动和一转动的运动特性。在偏速度分析前提下，基于Kane方程建立机构的精细化多刚体动力学模型及其规范式，为后续性能评价及控制策略开发奠定基础。将任务空间动力学模型转化至关节空间，进而定义关节映射惯性指标和关节空间惯性变化系数指标对机构进行动力学性能分析。开发多体物理仿真模型，验证动力学模型的准确性，进而在获得关节约束力基础上引入摩擦，求解出驱动关节的库伦-粘性摩擦力矩。为实现精确运动控制，提出一种模糊非线性计算力矩控制策略，结合多体物理仿真模型，开展面向作业任务的控制仿真试验，多控制器试验对比结果表明，所提控制策略能有效抑制摩擦力矩及不确定因素影响，实现高精度轨迹跟踪/定位。

关键词：高速大承载并联机构 Kane方程多体仿真试验库伦-粘性摩擦模糊非线性计算力矩控制

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仿生覆羽控制分离剪切流动相干结构实验研究

航空学报 2024年

作者：刘一宏马兴宇潘家腾姜楠天津大学机械工程学院天津市现代工程力学重点实验室西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室

猫头鹰翅膀上翼面的柔性锯齿形覆羽具有优良的控制流动分离、抑制涡流噪声的效果。通过风洞实验研究了柔性锯齿形覆羽结构控制平面后台阶下游的平行剪切流动中大尺度相干结构的效果。实验中分别采用不同厚度的覆羽装置安装在后台阶流动... 详细信息

猫头鹰翅膀上翼面的柔性锯齿形覆羽具有优良的控制流动分离、抑制涡流噪声的效果。通过风洞实验研究了柔性锯齿形覆羽结构控制平面后台阶下游的平行剪切流动中大尺度相干结构的效果。实验中分别采用不同厚度的覆羽装置安装在后台阶流动分离处，随气流自适应振动，采用单丝热线风速仪分别测量流向、法向和展向的速度信号，将控制工况和干净台阶工况的时域和频域结果等进行对比分析。实验结果表明，不同厚度的覆羽装置均有控制平行剪切流动分离、降低湍流脉动脉动强度、抑制剪切层中大尺度相干结构生成的作用。其中，0.2mm厚度的覆羽在剪切层流动驱动下进行微小振动，受扰动的分离区长度减小约20%，剪切层中心湍流脉动强度降低约30%。小波分析显示，自适应振动具有“振动-梳理”后台阶下游剪切层流动、抑制展向高低速条带结构的生成、降低低频大尺度相干结构占比的作用。研究结果证实了鸟类柔性锯齿形覆羽自适应振动对分离剪切层流动的控制效果，揭示了控制流动分离、抑制涡流噪声的力学机理。

关键词：仿生学覆羽流动控制分离剪切层相干结构