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系留无人机系统冲击张力实验研究

力学学报 2024年第5期56卷 1448-1457页

作者：何伟张素侠李亚泽刘洪德刘浩浩程远天津大学机械工程学院力学系天津300354 天津市非线性动力学与混沌控制重点实验室天津300354

系留无人机中缆绳的松弛-张紧变化可能会产生冲击张力,导致缆绳断裂和无人机失控坠毁,对于该冲击张力现象亟待实验研究.为此,在风洞中开展了系留无人机系统冲击张力实验,通过分析不同结构和环境参数下系留无人机系统动力学响应数据,揭... 详细信息

系留无人机中缆绳的松弛-张紧变化可能会产生冲击张力,导致缆绳断裂和无人机失控坠毁,对于该冲击张力现象亟待实验研究.为此,在风洞中开展了系留无人机系统冲击张力实验,通过分析不同结构和环境参数下系留无人机系统动力学响应数据,揭示冲击张力的变化规律.依据光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器可受拉受压的测试特点,提出判断缆绳松弛-张紧的准则.通过分析缆绳松弛-张紧随位置的分布图发现,随着缆绳长度减小、直径减小或风速增大,发生松弛-张紧的位置会减少或消失.测试了缆绳长度、直径和环境风速对冲击张力的影响,结果发现,缆绳长度越长、缆绳直径越大、环境风速越大,缆绳张力也越大.同时发现,张力在缆绳与无人机的连接点达到最大,该张力作用会影响无人机的稳定运动,不利于系统的正常工作及安全飞行.在实际需求前提下,在结构设计时可选用长度较小或直径较小或抗拉强度较大的缆绳,同时对缆绳和无人机的连接点加强保护,从而确保系统的稳定性和安全性.

关键词：系留无人机系统松弛-张紧冲击张力光纤布拉格光栅

基于平面点云配准与相对位姿控制的工业件装配方法

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激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 262-270页

作者：魏博言杜弘志张瀛任永杰孙岩标天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

针对传统装配方法面向平面弱几何轮廓结构的工件装配任务表现出的数据配准成功率低、位姿控制精度不足的问题,提出一种基于平面点云配准与相对位姿控制的工业件装配方法。首先通过双目结构光传感器重建出工件点云信息,应用RANSAC-ICP算... 详细信息

针对传统装配方法面向平面弱几何轮廓结构的工件装配任务表现出的数据配准成功率低、位姿控制精度不足的问题,提出一种基于平面点云配准与相对位姿控制的工业件装配方法。首先通过双目结构光传感器重建出工件点云信息,应用RANSAC-ICP算法对重建结果进行配准,并结合平面法向量特征与最大距离关系进行纠正,从而实现精准点云配准。然后,提出基于相对位姿关系的机械臂控制方法,省略了对工具坐标系的标定,直接利用相对位姿控制机械臂运动,并将相对位姿误差结果作为控制系统误差的评价标准,从而实现可靠装配。最后,在真实测试场景下使用大型工业机械臂进行实验。结果表明,所提方法较传统装配方法装配成功率提升85个百分点,自动化装配精度优于0.5 mm,即该方法可以有效解决平面工件装配问题。

关键词：机器视觉点云配准机械臂装配工业场景相对位姿估计

管电极耦合激光电解复合加工的理论分析与实验研究

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中国激光 2024年第16期 261-275页

作者：杨雪杨成娟佟浩戚慧敏姚尧杨振天津大学机械工程学院天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室清华大学精密/超精密制造装备与控制北京市重点实验室

激光电解复合加工是将激光加工与电化学加工相结合的复合加工方法，可用于加工硬质导电材料，具有加快电化学溶解速率、避免重铸层和提高表面质量等优势。笔者提出了一种管电极耦合激光电解复合加工工艺，利用设计的管电极实现了激光能... 详细信息

激光电解复合加工是将激光加工与电化学加工相结合的复合加工方法，可用于加工硬质导电材料，具有加快电化学溶解速率、避免重铸层和提高表面质量等优势。笔者提出了一种管电极耦合激光电解复合加工工艺，利用设计的管电极实现了激光能量与电化学能量在管电极内部的同轴传导以及在加工间隙处的可控耦合，所提工艺适用于高品质超大深径比小孔的加工。基于激光与电化学能量在加工间隙处的可控调节，提出了以激光加工为主导和以电化学加工为主导的耦合作用机制。通过分析激光辐照区温升对电解质电导率、电流密度、液相传质和电化学溶解速率的影响，以及电解产生的气泡和杂质等对激光能量的影响，建立了激光电解复合加工的材料去除模型，并进行了初步的激光电解复合加工仿真分析与实验研究。

关键词：激光技术电解加工理论模型耦合机制高深径比深孔

激流丝扰动下回转体边界层流动转捩的模态特征

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实验流体力学 2024年第2期38卷 59-67页

作者：赵祎佳肖加兵刘建华李孝检赵明天津商业大学机械工程学院天津300134 天津大学机械工程学院天津300354 中国船舶科学研究中心深海技术科学太湖实验室无锡214082

水下航行体首部边界层转捩会产生较强的噪声,严重影响其通信及探测性能。为探明诱发水动力噪声的主要流动结构,本文以SUBOFF缩比模型为研究对象,采用高速水洞实验及大涡模拟方法,获得激流丝扰动下的水下回转体边界层流场。研究发现:边... 详细信息

水下航行体首部边界层转捩会产生较强的噪声,严重影响其通信及探测性能。为探明诱发水动力噪声的主要流动结构,本文以SUBOFF缩比模型为研究对象,采用高速水洞实验及大涡模拟方法,获得激流丝扰动下的水下回转体边界层流场。研究发现:边界层内流动在激流丝下游形成分离泡,在分离泡中后部发生转捩,诱发了大量多尺度非定常涡系。采用本征正交分解方法研究了边界层转捩区流向、法向速度脉动及压力脉动的模态特征,发现流向速度脉动的主导模态是分离泡及其沿流向的破碎和下游流向涡,其中分离泡区域流向速度脉动为低于3000 Hz的复合频率,下游流向涡为低于200 Hz的低频结构。法向速度脉动与压力脉动模态特征相似,都呈现出高频、宽频脉动特征,在分离泡附近强度最大。由此推测,分离泡及其破碎是边界层转捩的主要诱因,其诱发的法向速度脉动是产生高/宽频噪声的主要原因,流向速度脉动仅与低频噪声有关。

关键词：水下回转体激流丝大涡模拟本征正交分解模态特征

机动飞行下磁流变阻尼器-转子系统动力学特性

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振动工程学报 2024年第5期37卷 747-755页

作者：王俊刘云飞秦朝烨马梁洪芳芳褚福磊北京化工大学高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室北京100029 清华大学机械工程系北京100084 中国民航大学航空工程学院天津300300 天津仁爱学院天津301636

航空发动机在机动飞行过程中,工作条件非常恶劣,飞行过程会产生不规则的瞬态振动,易引发故障。采用有限元法建立机动飞行下基于双线性本构方程的磁流变阻尼器-转子系统有限元模型,并利用Newmark-β数值方法进行求解,研究转子系统在机动... 详细信息

航空发动机在机动飞行过程中,工作条件非常恶劣,飞行过程会产生不规则的瞬态振动,易引发故障。采用有限元法建立机动飞行下基于双线性本构方程的磁流变阻尼器-转子系统有限元模型,并利用Newmark-β数值方法进行求解,研究转子系统在机动飞行过程中的动态特性。在此基础上,考虑磁流变阻尼器作用,研究其对冲击载荷下转子系统瞬态及稳态响应的影响。结果表明,机动飞行开始和结束瞬间会产生瞬态冲击,激发转子系统一阶模态响应。在合适的电流作用下,变阻尼器可以有效抑制机动飞行过程中转子系统瞬态及稳态响应。此外,在机动飞行下,由于轴颈离心率较大,易导致磁流变阻尼器产生非线性行为。

关键词：航空发动机机动飞行磁流变阻尼器转子系统瞬态冲击

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仿座头鲸鳍肢前缘单/双凸起翼段失速特性的实验研究

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实验流体力学 2024年

作者：时德伟陈乐天范子椰姜楠左志钢唐湛棋天津大学机械工程学院力学系清华大学能源与动力工程系天津市现代工程力学重点实验室

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实... 详细信息

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实验研究。对比了不同迎角下各翼段吸力面的平均速度、湍动能等统计量的分布，并对实验数据进行了本征正交分解(POD)模态分析，从能量的角度对失速过程中的流动结构进行了研究。研究发现，单、双凸起翼段都具有两步失速特性，当发生单侧失速时，凸峰处存在稳定的附着流动，抑制了失速区向凸起另一侧的扩展，起到了类似于翼刀的作用；相比于单凸起翼段，双凸起翼段在更小的迎角发生失速模式的转换；POD分解的各阶模态的能量大小与翼段所处的失速模式有关，失速模式的切换同时导致流场中流动结构的特征发生变化；单凸起翼段处于单侧失速与双侧失速转换的临界迎角时，流动分离模式具有不稳定性。本研究为仿生前缘凸起翼型的理论研究和工程应用提供了实验参考。

关键词：仿生前缘凸起粒子图像测速本征正交分解流动分离流动结构

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密度分层介质中水下航行体绕流涡演化特性

实验流体力学 2024年第2期38卷 31-39页

作者：张彬周根水高德宝杜欣明樊晓冰刘建华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

在真实海洋环境中,海水存在密度分层。当水下航行体在密度分层界面附近航行时,其尾流会破坏初始密度分层界面,形成分层尾迹。分层尾迹是非声目标特征之一,分层尾迹探测已成为水下航行体探测的新兴技术。为建立分层环境水下航行体尾迹探... 详细信息

在真实海洋环境中,海水存在密度分层。当水下航行体在密度分层界面附近航行时,其尾流会破坏初始密度分层界面,形成分层尾迹。分层尾迹是非声目标特征之一,分层尾迹探测已成为水下航行体探测的新兴技术。为建立分层环境水下航行体尾迹探测的理论基础和方法,应先探明水下航行体绕流涡系在密度分层介质中的发展演化特性。本文以缩比SUBOFF模型为研究对象,开展了实验测试和大涡模拟,得到了水下航行体绕流涡系在密度分层介质中的精细流场,大涡模拟和实验测试结果与相关文献测试结果基本吻合。研究发现:由于模型尾部分离涡存在强非定常性,尾流中盐水与淡水的掺混表现出多尺度特征;较强的孤立涡结构在掺混分层流体的过程中,逐渐演化为规则结构并脱离分层主界面,分层界面在一定宽度范围内整体呈现出离散特征。研究表明,基于密度梯度的尾迹探测手段可以对水下航行体尾流场进行有效探测。

关键词：水下航行体密度分层尾流大涡模拟粒子图像测速涡 SUBOFF模型

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基于线激光传感器的盾构管片自动拼装方法

红外与激光工程 2024年第8期53卷 65-77页

作者：吴委员邓斌王涛涌崔望朔赵恒朱晨贺泊宁天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 天津大学机械工程学院天津300072 天津大学浙江国际创新设计与智造研究院浙江绍兴312000 中国铁建重工集团股份有限公司湖南长沙410100

针对盾构管片自动化拼装中的管片位姿检测问题,提出了一种无需事先标记管片且适用于几何参数未知的盾构管片自动化拼装方案,并推导了管片位姿检测算法。该方案利用安装在拼装机器人末端执行器抓取板上的5个线激光传感器分别对管片的直... 详细信息

针对盾构管片自动化拼装中的管片位姿检测问题,提出了一种无需事先标记管片且适用于几何参数未知的盾构管片自动化拼装方案,并推导了管片位姿检测算法。该方案利用安装在拼装机器人末端执行器抓取板上的5个线激光传感器分别对管片的直边和弧边进行照射,通过检测线激光照射在管片边缘而产生的偏折点的3D坐标,逐步计算出管片在拼装过程中相对于拼装机器人的基坐标系的位姿,再据此计算出机器人将待拼装管片拼装至期望位姿时,机器人末端执行器相对于基坐标系的位姿,从而实现管片的自动化拼装。为了验证该算法的有效性,在实验室环境中搭建了基于线激光传感器的管片自动拼装实验平台,并利用该平台进行了管片自动拼装实验。实验结果表明,提出的盾构管片自动拼装方法在管片定位方面表现出较小的误差,且管片拼装最大错台为1.50 mm,最大间隙为0.96 mm,符合工程要求。这为盾构管片的自动化拼装提供了一种有效的技术解决方案。

关键词：线激光传感器位姿检测盾构管片拼装机

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考虑砂轮振动的磨削表面形貌数值建模与仿真

机械设计 2024年第6期41卷 60-66页

作者：刘民杰季宁董庆运天津仁爱学院机械工程学院天津301636 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 天津职业技术师范大学工程实训中心天津300222

文中提出考虑砂轮振动的磨削表面形貌数值建模方法,可为封严涂层及其他零部件磨削前的砂轮动平衡提供技术支持,提高表面磨削质量。首先,基于砂轮磨粒凸出高度服从正态分布构建砂轮的数值模型;其次,对砂轮表面和工件表面进行离散化处理,... 详细信息

文中提出考虑砂轮振动的磨削表面形貌数值建模方法,可为封严涂层及其他零部件磨削前的砂轮动平衡提供技术支持,提高表面磨削质量。首先,基于砂轮磨粒凸出高度服从正态分布构建砂轮的数值模型;其次,对砂轮表面和工件表面进行离散化处理,考虑砂轮振动条件下,推导出砂轮上任意一颗磨粒在全局坐标系下的运动轨迹方程;最后,通过编译MATLAB程序,实现了砂轮振动条件下的磨削表面形貌数值仿真。在此基础上,探究了磨削表面形貌随振动振幅和频率改变而产生的变化规律。仿真结果表明:砂轮振动振幅越大,工件表面轮廓峰顶至谷底的距离越大,会增大工件表面粗糙度,但是相邻两个表面轮廓峰值之间的距离波动很小,其受振动振幅的影响不大;随着砂轮振动频率的升高,相邻两个表面轮廓峰值之间的距离越小,工件表面波纹度越小,有助于改善磨削表面质量。

关键词：封严涂层磨削砂轮振动数值建模磨削表面形貌