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超音速火焰喷涂(HVOF)多相流瞬时演化机理及敏感性分析

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中国表面工程 2024年第1期37卷 148-159页

作者：赵晓玉李昌李思语刘鹏飞韩兴辽宁科技大学机械工程与自动化学院鞍山114051

以航空煤油为燃料的超音速火焰喷涂(HVOF)技术在制备WC-Co涂层方面具有独特优势。目前对HVOF热喷涂稳态过程的研究无法揭示燃料液滴在燃烧室中的动态燃烧行为。液体燃料进入燃烧室前需要雾化,量化揭示燃料燃烧反应瞬时演化机理是优化喷... 详细信息

以航空煤油为燃料的超音速火焰喷涂(HVOF)技术在制备WC-Co涂层方面具有独特优势。目前对HVOF热喷涂稳态过程的研究无法揭示燃料液滴在燃烧室中的动态燃烧行为。液体燃料进入燃烧室前需要雾化,量化揭示燃料燃烧反应瞬时演化机理是优化喷涂工艺的关键。基于JP5000喷枪建立HVOF热喷涂过程瞬时演化数值模型。将煤油液滴破碎、气化过程、燃烧反应焰流与喷涂粒子直接耦合。采用双向耦合欧拉-拉格朗日方法跟踪连续相和离散相,以realizable k-ε湍流模型、一步反应涡耗散模型(EDM)表述喷涂燃烧焰流特性。通过KHRT(Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)破碎模型描述航空煤油液滴破碎过程。基于可靠性理论,综合分析煤油液滴直径、氧气/燃料比率及反应物质量流量对喷涂粒子飞行行为的影响。结果表明:氧气/燃料比率对粒子温度影响程度最大,煤油液滴直径对粒子速度影响最大。HVOF瞬时演化模型可以直观呈现燃料的动态行为及喷涂粒子的飞行特性,可为优化热喷涂工艺提供参考和理论支撑。

关键词：超高音速火焰喷涂(HVOF) 多相流瞬时演化灵敏度分析

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航空发动机分布式系统的事件触发滑模控制

航空动力学报 2024年第2期39卷 144-155页

作者：王玮轩彭靖波张志芬张驭谢寿生温广瑞郑劲松空军工程大学航空工程学院西安710038 西安交通大学机械工程学院西安710049

针对存在时变时延和随机丢包的航空发动机分布式控制系统,在具有外部扰动的情况下,设计了保证系统渐近稳定的事件触发滑模控制器。为了提高资源的利用率,引入了动态事件触发机制(DETM)来调度采样信号的传输。为了便于滑模面的建立,设计... 详细信息

针对存在时变时延和随机丢包的航空发动机分布式控制系统,在具有外部扰动的情况下,设计了保证系统渐近稳定的事件触发滑模控制器。为了提高资源的利用率,引入了动态事件触发机制(DETM)来调度采样信号的传输。为了便于滑模面的建立,设计了状态观测器,并基于观测状态构造了积分滑模面。通过李雅普诺夫方法,得到了稳定性准则,并给出了线性矩阵不等式(LMIs)形式的控制器、观测器、事件触发器的参数计算方法。随后设计了滑模控制律,确保了滑模面的可达性。此外,为了提高LMIs的可行性,提出了基于iL-SHADE算法的LMIs参数优化方法。仿真结果表明,在给定的控制框架下,闭环系统能够保证较好的控制性能。在给定的仿真条件下,减少了96.5%的信号传输,极大节省了通信资源。

关键词：分布式控制系统时延和丢包动态事件触发机制滑模控制线性矩阵不等式

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液滴撞击柔性基底研究进展

力学学报 2024年第6期56卷 1529-1539页

作者：许勇琪彭泽瑞周新平华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074 华中科技大学航空航天学院武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形... 详细信息

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

关键词：液滴撞击柔性基底流固耦合基底形变杨氏模量

考虑相变诱导塑性下40Cr激光淬火工艺参数显著性分析

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航空动力学报 2024年第4期39卷 84-98页

作者：李昌邓双九高鹤芯韩兴辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

定量化揭示激光淬火过程多场耦合瞬时演变规律,进而实现40Cr激光淬火工艺参数显著性分析。基于相图计算法(CALPHAD)计算温变物性参数,建立40Cr齿轮钢激光淬火数值模型,对瞬态温度、相变以及应力分布进行数值计算,揭示相变行为与塑性应... 详细信息

定量化揭示激光淬火过程多场耦合瞬时演变规律,进而实现40Cr激光淬火工艺参数显著性分析。基于相图计算法(CALPHAD)计算温变物性参数,建立40Cr齿轮钢激光淬火数值模型,对瞬态温度、相变以及应力分布进行数值计算,揭示相变行为与塑性应力之间的耦合作用机理。通过Axio Vert.A1显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、超景深3D显微镜和显微硬度仪进行分析。基于正交试验,分析了激光半径、激光功率、扫描速度对淬火质量的显著性影响。结果表明:影响最高温度和相变深度的显著工艺参数依次为光斑直径、扫描速度、激光功率;残余应力成“驼峰”分布,影响残余拉应力的显著工艺参数依次为光斑直径、激光功率、扫描速度。该研究为有效控制淬火残余应力,优化工艺参数提供重要理论依据。

关键词： 40Cr齿轮钢激光淬火多场耦合相变诱导塑性正交试验

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结构刚塑性动力解的弹性补偿

爆炸与冲击 2024年第1期44卷 1-10页

作者：余同希胡庆洁朱凌香港科技大学机械与航空航天工程系中国香港九龙武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实... 详细信息

近年来,我国学者以膜力因子法和饱和分析方法相结合为理论工具,对梁、板等结构件在脉冲载荷作用下的塑性大变形行为作了全面深入的研究,为脉冲加载下结构的最终挠度提供了优于历史上各种刚塑性近似解的最佳刚塑性预测公式。然而,由于实际工程应用中金属结构弹塑性动力响应的复杂性和数值模拟的局限性,与考虑材料弹性效应的结果相比,刚塑性解对脉冲加载下结构所预测的最终挠度的误差有多大,是一个亟待解决的关键问题。对这个问题的首阶段研究成果厘清了材料弹性对脉冲加载下结构塑性动态大变形的影响,定量评估了由最佳刚塑性理论解与弹塑性数值模拟得到的最终挠度预测结果之间的差异。在此基础上,提出了补偿弹性效应的策略和方法,即:在已有的最佳刚塑性解预测的挠度基础上添加一个补偿项,将补偿项表达为脉冲载荷强度的效应与结构自身刚度的效应分离的变量函数,并尽量减少待定系数/指数的数量,以求表达式的简洁;根据这些原则在金属结构的主要工程应用领域内选定结构刚度和外载参数的变化范围,对固支梁和固支方板的案例实施拟合与补偿,最后得到了对梁和板增添补偿项后的简单而实用的最终挠度预测公式,其相对误差在3%的范围之内,很适合工程设计应用。文末列表给出了符号与公式的一览,并对梁和方板的结果作了综合和比较。

关键词：结构塑性动力响应脉冲载荷固支梁和固支方板弹性效应补偿最终挠度的最佳预测

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磁控式小型化医疗机器人研究综述与展望

机械工程学报 2024年第17期 1-21页

作者：秦岩丁蔡卓丛申亚京韩建达南开大学人工智能学院南开大学深圳研究院智能技术与机器人系统研究院香港科技大学电子与计算机工程系

磁控式小型化医疗机器人能够被外部磁场隔空控制，在人体狭窄腔道内主动运动，检查并治疗人体深层的病变区域，在临床医疗领域具有巨大的潜力。根据尺度不同，磁控式小型化医疗机器人可分为厘米毫米尺度的胶囊机器人、毫米微米尺度的连... 详细信息

磁控式小型化医疗机器人能够被外部磁场隔空控制，在人体狭窄腔道内主动运动，检查并治疗人体深层的病变区域，在临床医疗领域具有巨大的潜力。根据尺度不同，磁控式小型化医疗机器人可分为厘米毫米尺度的胶囊机器人、毫米微米尺度的连续体机器人、微米纳米尺度的微型机器人。系统总结各自磁控原理、结构设计和潜在医疗应用，并综述最新研究进展。最后，展望磁控式小型化医疗机器人的未来研究方向，包括机器人材料的生物相容性，执行医疗任务的视觉反馈，多种医疗功能集成的小型化，运动控制的稳定性和鲁棒性。

关键词：磁控式医疗机器人胶囊机器人连续体机器人微型机器人

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硬磁软材料输流管的屈曲不稳定性分析

力学学报 2024年第3期56卷 691-703页

作者：马地龙王琳陈伟华中科技大学航空航天学院工程力学系武汉430074 华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074 智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

输流管道广泛应用于海洋工程、航空航天、先进制造和生物医学等工程行业和前沿科技领域.在内部流体作用下,软材料输流管易丧失稳定性并出现较大位移.因此,如何预测其稳定性以及调控其力学行为显得至关重要.基于Hamilton原理,建立了磁调... 详细信息

输流管道广泛应用于海洋工程、航空航天、先进制造和生物医学等工程行业和前沿科技领域.在内部流体作用下,软材料输流管易丧失稳定性并出现较大位移.因此,如何预测其稳定性以及调控其力学行为显得至关重要.基于Hamilton原理,建立了磁调控下硬磁软材料输流管道的动力学理论模型,推导了铰支-可滑动铰支边界条件下输流管道的控制方程.在Galerkin方法离散的基础上,对输流管系统进行了稳定性分析.研究发现:当流速小于失稳临界值时,输流管在静态平衡位置保持稳定;当流速大于失稳临界值时,输流管以静态分岔形式发生屈曲失稳.通过求解输流管道的非线性控制方程,得到管道的非线性力学响应.研究结果显示,磁场力幅值P和磁偏角α会共同影响输流管系统的非线性力学响应行为,α的取值决定了系统临界流速和管道屈曲形状随P值增大的演化趋势,实现了对管道屈曲变形行为的磁调控.理论模型还可方便地推广应用于非均匀磁化管道的力学响应分析之中.文章采用的磁场调控方法具有非接触式和快速响应等优势,可望进一步应用于医用器械及极端环境作业等领域.

关键词：硬磁软材料输流管道稳定性磁调控屈曲

V形沟槽纳米线团簇表面的毛细抽吸-补液蒸发传热特性研究

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化工学报 2024年

作者：王禹丹徐晨阮达春江马学虎辽宁省化工资源清洁利用重点实验室大连理工大学化学工程研究所香港科技大学机械与航空航天工程学系

利用V形沟槽纳米线团簇表面的毛细抽吸和补液特征，结合实验观测和建模分析对表面的薄液膜蒸发进行研究。探究了表面结构参数和沟槽液位对蒸发性能的影响，建立薄液膜蒸发模型求解纳米线团簇和V形沟槽中的液膜轮廓方程并分析传热性能。... 详细信息

利用V形沟槽纳米线团簇表面的毛细抽吸和补液特征，结合实验观测和建模分析对表面的薄液膜蒸发进行研究。探究了表面结构参数和沟槽液位对蒸发性能的影响，建立薄液膜蒸发模型求解纳米线团簇和V形沟槽中的液膜轮廓方程并分析传热性能。结果表明随着纳米线直径减小和高度增大，薄液膜蒸发传热系数增大，最高可达369 kW/(m2·K)。团簇内液膜在毛细力驱动下具有极高的爬升速度，使得小持液量下液膜仍位于团簇顶端蒸发。沟槽液膜完全润湿沟槽且与团簇顶端液膜相连通，为团簇蒸发补液，沟槽液位下降不影响团簇顶端蒸发，能够延伸薄液膜长度并减薄沟槽侧壁液膜厚度，进一步强化传热。纳米线团簇中液膜宏观传热系数显著高于沟槽，证明了团簇在整体蒸发中的决定性贡献，阐明了V形沟槽纳米线团簇表面薄液膜蒸发微观机制。

关键词：纳米线团簇毛细抽吸 V形沟槽薄液膜微尺度蒸发传热

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固有成分滤波器的旋转机械故障诊断方法

振动．测试与诊断 2024年第1期44卷 159-165,204页

作者：张宗振韩宝坤李舜酩鲍怀谦王金瑞山东科技大学机械电子工程学院青岛266590 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

针对噪声环境下旋转机械微弱复合故障诊断问题,提出了一种强噪声干扰下基于固有成分滤波器(intrinsic component filtering,简称ICF)的旋转机械故障检测和分离方法。ICF通过最小化样本间特征的L1/2范数和样本内特征的L3/2范数来实现样... 详细信息

针对噪声环境下旋转机械微弱复合故障诊断问题,提出了一种强噪声干扰下基于固有成分滤波器(intrinsic component filtering,简称ICF)的旋转机械故障检测和分离方法。ICF通过最小化样本间特征的L1/2范数和样本内特征的L3/2范数来实现样本之间特征的一致性和样本内部特征的稀疏性,并训练出最优滤波器组,是一种无监督多维盲解卷积算法。首先,构建输入信号的Hankel训练矩阵,通过权值矩阵与Hankel矩阵的乘积模拟卷积过程,再利用固有属性滤波器实现特征学习;其次,通过峭度信息选择最优滤波器;最后,根据滤波后的时域波形和包络谱实现故障诊断。仿真和试验信号验证了提出方法的故障诊断性能,研究结果表明,提出的方法无需任何先验经验,可以实现强噪声环境下的微弱故障的分离,同时具备很好的鲁棒性。

关键词：旋转机械故障诊断无监督学习固有成分滤波器微弱信号检测复合故障分离