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具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器

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光学精密工程 2021年第6期29卷 1356-1364页

作者：胡意立胡影李建平温建明兰虎浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321004

针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题,创造性地提出双振子反向连接的接线方式,在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式,可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式,从原理上彻底消除回退现象。首先,为了更好地... 详细信息

针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题,创造性地提出双振子反向连接的接线方式,在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式,可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式,从原理上彻底消除回退现象。首先,为了更好地理解驱动器的运动特性,深入分析了反接条件下的驱动器的运动原理并初步建立了理论模型。接下来,本文设计并制作了试验样机,搭建了试验系统,进行了一系列试验探究该驱动器在正接(传统的接线方式)、反接(所提出的接线方式)两种接线方式下的运动性能。此外,为了评估驱动器的应用价值,利用斑马鱼胚胎进行了细胞药物注射模拟实验。试验结果表明:相较于“前进-回退”的运动模式,在“前进-前进”的运动模式下,驱动器可以实现无回退,能量转换效率从2.16%提高至2.60%,运动速度从6.08μm/s增大至7.88μm/s,最大偏差为0.12μm,标准偏差为0.0356。所设计的驱动器具有较高的稳定性和能量转换效率,并且完全解决了回退问题,有望用于细胞操作和微电极植入等领域。

关键词：惯性驱动器非对称夹持无回退反接细胞操作

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圆柱及切割圆柱低Mach数绕流气动声辐射

声学学报 2023年第5期48卷 978-988页

作者：蔡建程余梦瑶陈超倩夏文俊鄂世举浙江师范大学工学院金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321005

以柱体绕流声辐射为研究对象,探讨低Mach数流动气动声定量预测方法。首先,理论分析Lighthill声类比理论与基于流体动力学压力对时间求导的扰动分离模型之间内在联系。其次,利用计算流体动力学对圆柱及其尾部切割后的亚临界流态绕流进行... 详细信息

以柱体绕流声辐射为研究对象,探讨低Mach数流动气动声定量预测方法。首先,理论分析Lighthill声类比理论与基于流体动力学压力对时间求导的扰动分离模型之间内在联系。其次,利用计算流体动力学对圆柱及其尾部切割后的亚临界流态绕流进行二维数值求解,分析两种湍流模型的流场计算效果。最后,分别使用声类比理论FW-H方程及扰动分离模型进行柱体绕流气动声辐射定量预测,分析声指向性及频谱特性。数值结果表明声类比理论与扰动分离模型预测的声辐射频谱相似,但前者的幅值略高;圆柱尾部切割使尾流脉动增强,导致声辐射变大。

关键词：声类比声扰动方程低Mach数流动柱体绕流

排风方式对高速列车客室内气流组织和呼吸污染物扩散特性的影响

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中国科学：技术科学 2023年第1期53卷 101-111页

作者：吴松波李田易彩张继业张卫华西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321000

高速列车载客量大、运行时间长,通风系统的优化设计对于提高乘车舒适性和客室空气品质具有重要意义.基于计算流体动力学理论(CFD),建立了满载工况的全尺寸车厢模型.以客室顶部中间送风为例,针对两端排风、下端排风、上端排风以及改变两... 详细信息

高速列车载客量大、运行时间长,通风系统的优化设计对于提高乘车舒适性和客室空气品质具有重要意义.基于计算流体动力学理论(CFD),建立了满载工况的全尺寸车厢模型.以客室顶部中间送风为例,针对两端排风、下端排风、上端排风以及改变两侧排风流量比的上端排风,对比分析了客室内的流场结构以及呼吸污染物扩散特性.采用不均匀系数、能量利用系数、通风效率指标进行评价分析.结果表明,采用改进后的上端排风方式时,客室内的综合评价指标最优,室内平均浓度不足500 ppm(parts per million),稀释倍数超过10000倍.当乘客与污染源向前间隔超过两排或者向后间隔超过一排时,污染物浓度降低至500 ppm以下,可以有效控制前后扩散距离.根据污染物扩散规律,为进一步阻止乘客之间的交叉传播,应避免第B列与第C列乘客相邻乘坐.

关键词：高速列车示踪气体室内流场污染物扩散数值模拟

管道不可压缩流动压力脉动(伪声)的数值研究

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振动与冲击 2021年第14期40卷 10-17页

作者：蔡建程谢新俊 MOCHALIN Ievgen BRAZHENKO Volodymyr 鄂世举浙江师范大学工学院浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321005

以直管和90°弯管为对象,研究管道不可压缩流动的水动力压力脉动(伪声)特性。分析了不可压缩流动中压力脉动的Poisson方程,并与波动方程进行了比较;在管道进口处设置随时间正弦变化的压力脉动,使用SST k-ω湍流模型,通过数值求解不可压... 详细信息

以直管和90°弯管为对象,研究管道不可压缩流动的水动力压力脉动(伪声)特性。分析了不可压缩流动中压力脉动的Poisson方程,并与波动方程进行了比较;在管道进口处设置随时间正弦变化的压力脉动,使用SST k-ω湍流模型,通过数值求解不可压缩流动的Navier-Stokes方程得到直管和弯管内的脉动流动;比较分析了直管和弯管内的时均流场及脉动流动。结果表明:沿管道流动方向流场压力脉动线性衰减,压力脉动传播整体上呈一维形式,而速度脉动形式紊乱;90°弯头对局部流动影响明显,导致压力和速度脉动均有提高;流场脉动以基频及低次谐波为主,90°弯头导致宽频脉动分量有所提高;归因于压力脉动的椭圆型Poisson方程,扰动的传播速度为无穷大,管道各处压力脉动信号无相位差。

关键词：压力脉动伪声不可压缩流动管道流动数值研究

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强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

力学学报 2020年第5期52卷 1323-1333,I0003页

作者： Ievgen Mochalin 林静雯蔡建程 Volodymyr Brazhenko 鄂世举浙江师范大学工学院浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321005

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法,用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动.首先,理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动,外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件.强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动,基... 详细信息

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法,用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动.首先,理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动,外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件.强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动,基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式.其次,通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型,使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素.针对这些因素的综合影响,采用解析修正和经验参数对模型进行调整.同时,基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果,校准代数湍流模型中的经验参数.最后,给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法,该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况.计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动,其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近.并且表明,当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时,该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.

关键词：湍流边界层旋转同心圆筒壁面吸气 Cebeci-Smith代数湍流模型

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钝体结构对纵振式压电气流发电机性能的影响

振动与冲击 2021年第2期40卷 9-14,80页

作者：梁程阚君武张忠华王淑云黄鑫富佳伟浙江师范大学精密机械研究所浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321004

为满足管道监测系统的自供电需求,提出一种复合钝体扰流纵振式压电气流发电机。介绍了发电机的结构、工作原理。通过理论分析与实验测试研究了钝体结构对其性能的影响,证明了发电机原理的可行性。研究结果表明:平均阻力随流速及直径比... 详细信息

为满足管道监测系统的自供电需求,提出一种复合钝体扰流纵振式压电气流发电机。介绍了发电机的结构、工作原理。通过理论分析与实验测试研究了钝体结构对其性能的影响,证明了发电机原理的可行性。研究结果表明:平均阻力随流速及直径比增加呈二次方增长,平均阻力系数随直径比的增大而增大,最后趋于稳定(5.34);对于柔性钝体发电机,直径比与钝体厚度对其输出电压均有较大影响,存在最佳直径比(α=0.953)与最佳厚度(0.1 mm

关键词：压电自供电发电机流体自激

钢-聚氨酯柔性复合构件一体化注塑成型及界面强度研究

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机械工程学报 2023年第14期59卷 73-82页

作者：丁杰泰李熹平赵元汪斌李梦佳董卫平浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004 浙江师范大学工学院金华321004

金属-聚合物异质复合构件具有强度高、轻质和减振等优点,在航空航天、汽车制造、能源等领域得到广泛应用。探索成形便利、界面结合强度高、且可形成复杂特征的成形工艺是工业领域共同追求的目标。提出了一种利用注塑工艺一体化成型钢-... 详细信息

金属-聚合物异质复合构件具有强度高、轻质和减振等优点,在航空航天、汽车制造、能源等领域得到广泛应用。探索成形便利、界面结合强度高、且可形成复杂特征的成形工艺是工业领域共同追求的目标。提出了一种利用注塑工艺一体化成型钢-热塑性聚氨酯(TPU)复合构件的方法。首先,对钢表面进行喷砂、氧化和硅烷化处理,改变钢材表面的微结构形态和成分;然后,将处理后的试样放入模具型腔中,在其表面直接注塑TPU熔体一体化成型钢-TPU复合构件;最后,对成型的复合构件进行退火处理,既消除了成型构件的残余应力,又促使金属表面硅烷化后氨基类官能团与TPU中官能团产生作用,进一步提高其界面强度。拉剪测试表明,当复合构件界面结合强度达到17.8 MPa时,TPU材料自身发生破坏,而其结合界面并未产生脱落。利用提出的方法成功制得了钢-TPU柔性可变形夹具,可用于对不同直径的工件施加径向力以实现夹紧的作用,提高了夹具的通用性。

关键词：一体化成型界面强度注塑工艺复合构件

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限幅激励式压电发电机性能分析与试验

机械工程学报 2020年第20期56卷 206-213页

作者：王淑云朱雅娜阚君武张忠华黄乐帅杨泽盟浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,... 详细信息

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,利用移动凸轮限幅激励压电振子可获得无明显峰值、较平坦的电压幅频特性曲线;其他条件相同时,降低凸轮升程有助于降低最大输出电压、拓宽有效转速带宽,凸轮升角(30°~45°)增加对最大输出电压无影响、但可拓宽有效转速带宽,增加激振力可拓宽某一输出电压所对应的有效带宽,复位和缓冲弹簧刚度对有效转速带宽及转速值都有一定的影响,当复位弹簧刚度50 N/m、缓冲弹簧刚度20 N/m、激励距离8 mm、凸轮升程2 mm、升角为40°时,输出电压大于30 V所对应的有效转速范围为0~537.6 r/min,故通过合理匹配系统参数可有效提高发电机的可靠性及有效带宽;存在最佳电阻使发电机输出功率达到最大值,最佳电阻70 kΩ、转速392 r/min时的输出功率为10.88 mW。

关键词：压电发电机旋磁激励凸轮限幅刚度

基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析

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中国机械工程 2020年第17期31卷 2059-2063,2070页

作者：李建平高云叶温建明马继杰王仁明浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004 浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损,提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位,通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位... 详细信息

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损,提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位,通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位移输出。优化了驱动器结构的相关参数,制作了压电尺蠖驱动器样机并对其进行试验测试,结果表明:驱动器性能稳定,最小分辨率为0.119μm,最高速度和最大载荷分别为481.43μm/s、950 g。

关键词：压电驱动器箝位尺蠖