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关节软骨表面粗糙度对载荷响应的实验研究

生物医学工程学杂志 2022年第2期39卷 347-352页

作者：门玉涛刘凯丰刘福龙张春秋天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

软骨表面纤维化是骨关节炎的早期迹象,软骨表面损伤与载荷密切相关。本文目的是研究软骨表面粗糙度与载荷之间的关系,通过对新鲜的猪关节软骨施加冲击、压缩、疲劳载荷,每次间隔10 min测量软骨表面粗糙度数值,获得粗糙度在加载前后的变... 详细信息

软骨表面纤维化是骨关节炎的早期迹象,软骨表面损伤与载荷密切相关。本文目的是研究软骨表面粗糙度与载荷之间的关系,通过对新鲜的猪关节软骨施加冲击、压缩、疲劳载荷,每次间隔10 min测量软骨表面粗糙度数值,获得粗糙度在加载前后的变化规律。实验发现,载荷使软骨表面粗糙度增大,增大的数值与载荷大小相关,粗糙度恢复到初始情况的时间与载荷类型和载荷大小相关,冲击载荷对软骨表面粗糙度影响最大,其次是重度疲劳载荷、压缩载荷和轻度疲劳载荷。本文为揭示早期骨关节炎的发病机制和防治关节软骨疾病提供了参考数据。

关键词：关节软骨表面粗糙度载荷磨损

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

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金属学报 2022年第3期58卷 375-384页

作者：郭祥如申俊杰天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶... 详细信息

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明:孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。

关键词：晶体塑性孪生软化取向效应应变硬化塑性变形

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含柔性动平台并联机器人动力学建模方法研究

农业机械学报 2023年第12期54卷 417-430页

作者：刘凉汪博深冯建峰赵新华天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

针对含柔性动平台的空间并联机器人刚柔耦合问题,基于Bézier三角形与绝对节点坐标法提出一种高阶柔性三角形厚板单元模型和连续性约束条件,基于该模型分析动平台变形状态及其对系统动力学特性的影响。利用自然坐标法与绝对节点坐标法... 详细信息

针对含柔性动平台的空间并联机器人刚柔耦合问题,基于Bézier三角形与绝对节点坐标法提出一种高阶柔性三角形厚板单元模型和连续性约束条件,基于该模型分析动平台变形状态及其对系统动力学特性的影响。利用自然坐标法与绝对节点坐标法建立刚柔耦合系统动力学模型,通过引入板单元第4个面积坐标的二阶梯度来描述厚度方向上的变形并解决泊松闭锁问题,结合广义-α法与牛顿迭代法求解动力学方程,并对系统静力学模型和动力学模型进行仿真分析。结果表明,动平台在运动过程中产生的周期性凹陷变形对机器人空间位姿的影响与机构布局方式、质量分布和负载作用方式完全一致,系统刚性构件与柔性动平台的运动耦合方式符合多体动力学模型的非线性规律;运动轨迹误差低于1.2×10^(-12)mm,动力学方程和约束方程迭代误差均小于设定阈值10^(-6)和10^(-14),求解精度能满足工程应用要求;基于不同参数开展仿真对比分析,验证了所述方法的有效性和通用性。

关键词：机器人三角形厚板单元刚柔耦合多体动力学

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F范数度量下的鲁棒张量低维表征

自动化学报 2023年第8期49卷 1799-1812页

作者：王肖锋石乐岩杨璐刘军周海波天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384

张量主成分分析(Tensor principal component analysis, TPCA)在彩色图像低维表征领域得到广泛深入研究,采用F范数平方作为低维投影的距离度量方式,表征含离群数据和噪声图像的鲁棒性较弱.L1范数能够抑制噪声的影响,但所获的低维投影数... 详细信息

张量主成分分析(Tensor principal component analysis, TPCA)在彩色图像低维表征领域得到广泛深入研究,采用F范数平方作为低维投影的距离度量方式,表征含离群数据和噪声图像的鲁棒性较弱.L1范数能够抑制噪声的影响,但所获的低维投影数据缺乏重构误差约束,其局部表征能力也较弱.针对上述问题,利用F范数作为目标函数的距离度量方式,提出一种基于F范数的分块张量主成分分析算法(Block TPCA withF-norm,BlockTPCA-F),提高张量低维表征的鲁棒性.考虑到同时约束投影距离与重构误差,提出一种基于比例F范数的分块张量主成分分析算法(Block TPCA with proportional F-norm, BlockTPCA-PF),其最大化投影距离与最小化重构误差均得到了优化.然后,给出其贪婪的求解算法,并对其收敛性进行理论证明.最后,对包含不同噪声块和具有实际遮挡的彩色人脸数据集进行实验,结果表明,所提算法在平均重构误差、图像重构与分类率等方面均得到明显提升,在张量低维表征中具有较强的鲁棒性.

关键词：张量主成分分析低维表征特征提取鲁棒性重构误差

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

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机械工程学报 2023年第5期59卷 142-155页

作者：李照童杨玉维李彬赵磊刘凉马跃刘祺天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体... 详细信息

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。

关键词：膝关节外骨骼人-机并联研究原型仿生灵巧包容度多体运动学尺度综合

一类厚度误差影响下单边微谐振器模态耦合动力学研究

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振动与冲击 2022年第21期41卷 325-332,341页

作者：冯晶晶王冲郝淑英胡文华吴梦玉天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384

通过表面加工技术制造的微谐振器不可避免的存在加工误差,该文章引入了用于描述微梁上下表面变化的截面参数,并基于欧拉伯努利梁模型,研究了厚度形态误差下微梁谐振器模态间的耦合振动。应用Galerkin离散和多尺度方法获得了相应的非线... 详细信息

通过表面加工技术制造的微谐振器不可避免的存在加工误差,该文章引入了用于描述微梁上下表面变化的截面参数,并基于欧拉伯努利梁模型,研究了厚度形态误差下微梁谐振器模态间的耦合振动。应用Galerkin离散和多尺度方法获得了相应的非线性耦合方程,得到了不同截面参数误差下产生耦合振动的临界阈值,对频率响应曲线理论解进行了数值验证,表明了模态耦合可以有效地抑制微梁中点位移;同时截面参数的减小会促进系统内部的模态耦合,更大程度地抑制了微梁中点位移并且拓宽了系统的频率响应带宽。该研究中所分析的不同截面参数下系统模态耦合共振问题对于提升微谐振器系统稳定性和额定电压均具有潜在的应用价值。

关键词：微谐振器截面参数多尺度法模态耦合振动

S-CO_(2)离心压缩机不同进口条件流场分析

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工程热物理学报 2023年第4期44卷 968-976页

作者：尚鹏旭童志庭鞠鹏飞张超天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

为了研究超临界二氧化碳(S-CO_(2))离心压缩机在进口条件发生变化时,性能曲线的变化规律和流场内超临界之外区域的变化情况。对某一10 MW级S-CO_(2)离心压缩机通过改变进口温度和压力来进行定常数值模拟。对不同进口条件下的性能曲线和... 详细信息

为了研究超临界二氧化碳(S-CO_(2))离心压缩机在进口条件发生变化时,性能曲线的变化规律和流场内超临界之外区域的变化情况。对某一10 MW级S-CO_(2)离心压缩机通过改变进口温度和压力来进行定常数值模拟。对不同进口条件下的性能曲线和非超临界区域范围进行分析,得出进口温度越低或进口压力越高时,压缩机的性能越高。压缩机的进口温度或压力越靠近临界点时,压缩机的流场内部越进入非超临界区域,且范围也越大。同时,当压缩机的进口处工质密度相近时,压缩机的效率曲线基本一致。

关键词：超临界二氧化碳离心压缩机数值模拟进口条件

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能量空间裂纹转子振动特性与诊断研究

哈尔滨工程大学学报 2022年第2期43卷 243-254页

作者：刘军张宇汪畅张冕天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

在旋转机械中转子因高速运转、承受变周期及交变载荷的影响,容易导致其裂纹的萌生与扩展等问题。本文考虑具有裂纹的水平支撑非线性转子系统模型及动力学方程,推导了裂纹转子的能量表达式,引入能量空间概念,提出了振动能量空间分析方法... 详细信息

在旋转机械中转子因高速运转、承受变周期及交变载荷的影响,容易导致其裂纹的萌生与扩展等问题。本文考虑具有裂纹的水平支撑非线性转子系统模型及动力学方程,推导了裂纹转子的能量表达式,引入能量空间概念,提出了振动能量空间分析方法,研究了不同临界转速区域能量空间的转子振动特性;基于提出的能量轨道概念,在能量FFT和轨道畸变中比较不同裂纹参数和非线性参数对系统振动特性的影响;相关实验验证了裂纹转子的能量FFT和能量轨道。研究结果表明:裂纹转子的能量FFT和轨道畸变能够诊断转子的裂纹故障,为分析裂纹转子系统振动响应和故障诊断提供了一种方法。

关键词：裂纹转子非线性振动能量空间能量空间分析能量轨道能量FFT 轨道畸变裂纹故障

腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合

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机械工程学报 2024年第5期60卷 107-118页

作者：周祖意杨玉维齐文耀龚健超李照童天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合... 详细信息

针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合性能优化及其方法研究。首先,基于相关离体生物力学实验数据,构建人体腰椎仿生等效复合刚度力学模型,进而于人体矢状面内搭建人机穿戴并联系统多刚-柔体正动力学模型;其次,旨在腰部外骨骼机器人性能优化综合的有效实现,提出一种新型动力学综合性能评价指标——仿生承载舒适度;再次,相对于柔性逆动力学频域法求解的非因果复杂性,提出一种通过正动力学线性优化迭代逼近多刚-柔体动力学逆解的等效方法,以实现外骨骼机器人穿戴前后人体胸椎运动轨迹的一致性;最后,深入开展人机穿戴并联多刚-柔体系统仿生综合性能优化研究,进而得到外骨骼机器人最优设计参数组。仿真结果表明:外骨骼机器人穿戴前后,在保障人体胸椎在矢状面内弯曲角度轨迹误差极小(4.5×10^(-6)(^(o)))工况下,人体等效受力较穿戴前得到明显改善;优化后的外骨骼机器人穿戴舒适性指标明显提升,从而证明了腰部外骨骼机器人具有较好的动力学仿生综合性能,以及所采用研究方法的合理有效性。同时,优化后的系统设计参数对后续腰部外骨骼机器人物理样机的建造及相关实验的开展具有重要意义。

关键词：腰部无动力外骨骼机器人多刚-柔体正动力学等效逆动力学仿生承载舒适度综合性能优化