针对传统电火花加工时,主轴不能及时调整极间间隙导致加工效率低下的问题,提出了一种多自由度磁悬浮驱动器代替传统电火花主轴运动。分析了该磁悬浮驱动器的结构及原理并建立了磁悬浮驱动器的动力学模型,运用有限元仿真软件对该驱动器所产生的电磁力进行仿真分析,通过设计传统PID控制系统及模糊PID控制系统对磁悬浮驱动器的控制效果进行仿真与实验验证。结果表明,该磁悬浮驱动器具有较好的跟随特性和快速的响应速度及符合要求的电磁力,满足微细电火花加工要求。

针对螺栓连接结构在舰船爆炸冲击中容易发生松动的现象,设计了一种齿形双螺母的防松结构。利用局部滑移理论分析齿形双螺母的防松原理,采用有限元仿真法,通过预紧力和微滑移的变化量对其防松性能进行分析,并研究了齿形双螺母防松性能的影响因素及其影响规律。研究结果表明:横向冲击载荷下,齿形双螺母预紧力下降慢,微滑移变化小,具有较好的防松性能;当楔形角与螺纹升角相同时,防松效果最差;楔形角越大,齿形数量越多,齿形双螺母的防松效果越好。

针对现阶段直升机滑撬式及三点式起落架在复杂地形或动态非线性运动平台降落性能较差的问题,提出了一种基于STM32的X型腿式布局线缆驱动自适应起落架。结合自适应起落架结构特点及控制硬件搭建多维感知协同控制系统,以姿态控制为例对算法进行说明并在仿真环境中进行可行性验证。实验结果表明,自适应起落架及协同控制系统能够实现在多种工况斜坡及崎岖路面的平稳安全降落。

针对基于单通道声信号的机械故障诊断信号干扰成分大,故障特征难以提取的问题,提出了一种结合改进自适应噪声完备经验模态分解(ICEEMDAN)和快速独立分量分析(FastICA)的方法。依据峭度与信号相关性准则设定本征内模分量(IMF)选取系数,对ICEEMDAN自适应分解的IMF进行有效筛选,实现信号降噪和粗提取,并以所选IMF作为虚拟通道,应用FastICA成功实现信噪的盲源分离。通过内外圈故障轴承实验数据对算法实行对比验证,结果表明,所提算法大幅降低了噪声及干扰,有效提取了故障特征。

针对可变磁路式永磁悬浮系统鲁棒性较差的问题,提出了一种基于辅助模型的改进线性自抗扰控制(LADRC)方法.阐述了悬浮系统的工作原理,建立了动力学模型,设计了改进LADRC控制器,分析比较了改进LADRC、PID和传统LADRC控制效果.仿真结果表明:输入0.1 mm阶跃外扰时,与传统LADRC和PID控制比较,采用改进LADRC系统响应速度最快且无超调量;输入0.5 N外扰力时,采用改进LADRC系统气隙变化量最小且调节时间最短;与PID相比,采用LADRC方法可提高可变磁路式永磁悬浮系统抗扰能力.

针对6R机械臂逆向运动学求解过程复杂繁琐、求解精度不理想的问题,提出一种基于位姿分离的解析求逆优化算法.利用改进型D-H参数法建立机械臂的运动学模型,通过连杆变换矩阵推导出机械臂的正向运动学方程,利用位姿分离思想进行逆解优化算法设计,利用蒙特卡洛法分析机械臂的工作空间,运用Matlab Robotics工具箱验证改进算法的有效性.结果表明:该改进算法具有较高的求解精度,与现有解析优化算法相比,大幅度简化了求解过程,提高了运算效率.

针对数控机床的同一故障引发因素不同,甚至存在多因素共同作用的问题,提出了数控机床故障诱因分析方法,准确判断并查找故障位置,从而解决数控机床出现的故障.采用麻雀搜索算法改善BP神经网络性能,进而诊断数控机床服役中的常见故障,采集不同状态的故障信号作为BP神经网络样本,利用经过麻雀搜索算法优化后的BP算法识别机床的故障状态.结果表明:诊断结果发生误判的概率仅为2.29%,说明麻雀搜索算法优化BP神经网络在检测数控机床故障诊断问题中能够进行推广应用.

针对传统被动悬架系统无法在复杂工况时保持较好行驶平顺性的问题,为电磁主动悬架设计了鲁棒控制器.建立整车七自由度电磁悬架动力学模型,利用鲁棒控制理论对被控输出和控制输入量进行加权处理,设计了H_∞鲁棒控制器.在车速为30 km/h和60 km/h的随机路面、20 km/h和45 km/h的正弦冲击路面时,对电磁主动悬架系统进行仿真分析.结果表明,鲁棒控制的电磁主动悬架与被动悬架相比,主要性能指标均有所改善,在随机路面下车身垂向加速度改善28.03％,说明所设计的鲁棒控制器比较合理,采用鲁棒控制的电磁主动悬架可以有效改善汽车行驶的平顺性.

针对传统被动悬架无法将振动产生的能量充分利用的问题,提出了一种直线电机式馈能悬架,并探究了该悬架的馈能特性.建立1/4车动力学模型,以正弦路面作为输入激励推导出影响馈能的悬架系统参数;以感应电动势为指标,基于直线电机式馈能悬架模型,采用控制变量法对悬架系统参数进行仿真分析;通过搭建的1/4车悬架实验平台进行实验验证.结果表明,簧载质量、非簧载质量和弹簧刚度与直线电机产生的感应电动势呈负相关,轮胎刚度与直线电机产生的感应电动势呈正相关.

针对难以获取足量样本数据的齿轮故障诊断率低的问题,提出一种基于最小二乘生成对抗网络(LSGAN)结合长短期记忆网络(LSTM)的方法.将齿轮的原始样本输入LSGAN模型中,通过对生成网络和判别网络的交替训练,学习出不同状态的样本数据,从而实现数据增强,通过生成样本结合原始样本训练LSTM诊断模型,完成小样本下的故障诊断.以康狄涅格大学的齿轮实验数据为例对所提方法进行验证,结果表明,与传统方法相比,诊断准确率提高至98.3％.通过可视化方法显示出诊断方法的优越性,为小样本条件下的故障诊断提供参考.

由于非标配电柜具有个性化定制的特点,决定其无法实现自动化装配而只能采取手工方式进行.以装配者脑电波中θ、α、β波的能量变化为基础,构建了装配者脑力负荷模型.通过分析脑电波各波段能量随时间的变化规律,确定引起脑力负荷曲线大幅上升的关键因素;根据脑力负荷随时间的变化曲线,判断出易出现装配错误的脑力负荷阈值.结果表明,实验结论与手工装配作业实际检测结果相一致,证明了该方法的有效性,进而为非标配电柜手工装配作业的优化提供理论依据.

为了掌握小型风力机尾流特征,并实现其尾流快速模拟,以小型四叶片水平轴风力机为研究对象,采用大涡模拟(LES)研究了其尾流时空分布特征,提出了基于致动盘模型(AD)的风力机尾流的快速模拟方法.结果表明,小型四叶片水平轴风力机尾流较复杂,尾流区存在多种类型的涡结构,导致尾流存在严重速度亏损,湍流度剖面出现两个峰值,利用致动盘模型可以准确地计算风力机尾流的速度亏损,实现风力机尾涡动力行为的快速模拟.

针对分级注水泥器在实际固井使用过程中出现的循环孔打不开、关不上等失效问题,基于热流固耦合分析理论和CFD数值模拟方法,结合某油井的实际固井数据,建立从井口到分级注水泥器位置处的完整三维有限元模型.运用流体计算软件得到不同流体在不同井深位置处产生的压力与温度,将流体域求得的压力与温度传递到固体域,对分级注水泥器变形进行分析.结果表明,固井过程中注入不同流体产生的压力不同,压力对分级注水泥器的变形量有较大影响,本体与滑套的变形是导致循环孔无法正常打开或关闭的主要原因.

针对传统机械系统难以完成密封环境中的驱动任务,提出了一种非接触式磁力耦合直线驱动装置,分析了不同优化方案的磁力特性.采用等效磁路法分别建立了水平驱动力和法向干扰力的解析模型,通过有限元瞬态仿真和实验测量对理论计算模型的准确性进行验证,应用该解析模型对不同优化方案的磁力特性进行对比分析.结果表明,所建立的解析模型与实验结果的误差较小,采用径向磁化圆柱形永磁体的双轮驱动方案最大驱动力提高近2倍,并消除了法向干扰力,在一定负载工况下可实现高效运行.

针对某汽车座椅混流装配线多型号多批次混流装配周期长、订单多样化、难以满足客户需求等问题,建立以产品最小完工时间和等待时间为目标的排产优化模型,并设计一种基于循环拥挤排序的改进快速非支配排序遗传算法进行求解.以某企业混流装配线为例,运用多种算法进行优化前后排产方案的对比分析,验证所提模型及算法的可行性.应用Plant Simulation对所提排产优化模型与算法实用性进行验证,仿真结果表明,文中模型及算法能有效缩短装配周期,提高装配线资源利用率.

针对目前加工激光沉积制造钛合金Ti6Al4V存在的加工质量较差、加工效率较低等问题,以切削力、表面形貌、表面粗糙度、亚表面损伤作为评价指标,采用了正交试验的方法通过设置不同的铣削参数对立铣后的表面层进行分析.结果表明:切削深度对切削力和表面粗糙度的影响较大;在每齿进给量为0.03 mm、切削速度为70 mm/min、切削深度为0.9 mm、切削宽度为0.5 mm时,切削力较小,表面粗糙度较低且亚表面损伤较小;沉积钛合金会出现未熔化粉末颗粒缺陷.工艺参数会对沉积钛合金的加工产生重要影响,且加工参数仍需要进一步优化.

针对履带车辆在积雪路面的牵引力较差的问题,提出了将北极熊熊爪作为仿生对象,设计出具有较好通过性的仿生履带板.通过理论分析和有限元分析对履带板的牵引力进行计算,建立了履带板-积雪路面的力学模型.对不同形式的履带板在积雪路面上的通过性进行分析,并对履带板设计进行了优化.结果表明,影响履带板在积雪路面通过性的主要因素是履刺高度和履带节距,其他因素对履带板的通过性影响较小.

针对现有馈能悬架安全性低、结构复杂的缺点,提出并设计了一种新型磁力悬架.通过对二自由度1/4悬架系统进行数学建模和实验研究,分析簧载质量、悬架刚度和轮胎刚度对磁力悬架馈能特性的影响.仿真与实验结果表明:在频率6 Hz和幅值4 mm的输入激励下磁力悬架的最大输出瞬时电压值达到16 V,磁力悬架输出电压与悬架刚度的变化成反比,与轮胎刚度的变化成正比,且馈能数学模型具有一定的准确性.在保证车辆行驶安全的前提下,磁力悬架可以通过改变悬架系统参数来优化其馈能效果.

针对舰船继电器在河海上受到的振动冲击对其触簧系统危害较大的问题,提出了一种基于有限元法的探究继电器触簧系统的振动冲击响应特性方法.分别对继电器底座施加振动载荷与正负三角波冲击载荷,得到在不同振动载荷与不同冲击载荷下的簧片振动响应特性与冲击响应特性,改变继电器模型静触点面积,并进行仿真对比.结果表明,振动载荷使接触力曲线产生拍振现象,振动频率接近固有频率时拍振周期陡然升高,呈现“金鱼型”曲线.工作环境远离继电器固有频率与加大静触点面积可明显提高继电器触簧系统的抗冲击振动能力.

为了提高舰船设备的抗冲击性能,将仿生结构应用到缓冲器中.构建缓冲器的原理模型,应用Lagrange法建立缓冲系统的动力学方程,用泰勒公式对该方程进行简化,探讨缓冲器的刚度特性.用四阶龙格库塔方法进行冲击仿真计算,研究了连杆安装角度为60°时系统的抗冲击性能.结果表明,仿生缓冲器的等效刚度呈非线性特性,随相对位移的增大而增大,呈现出刚度硬化特性;在一定条件下,随着连杆长度的减小和连杆安装角度的增大,等效刚度的非线性越明显;与经典缓冲器相比,仿生缓冲器能有效降低设备的高度,而且具有更好的抗冲击性能.

为了适应舰载设备抗冲击考核要求的增长,提出一种能够实现冲击强化的方法,并对这种方法进行理论推导和算例验证.利用二次冲击实现冲击强化,对冲击强化方法进行物理模型建立,将全部过程分段进行碰撞振动分析;以实际算例进行计算,分别以时间历程响应和冲击谱描述冲击环境,对二次冲击前后的冲击环境进行比较.结果表明,加速度峰值放大了9.5倍,等速度谱值放大了2.01倍,等加速度谱值放大了5.6倍,所提方法能够在时域和频域范围内有效实现冲击环境的强化.

针对支撑轮式管道机器人在过弯时驱动轮与管道内壁易发生打滑的问题,设计了一种可适应140~150 mm管内径的机械差速式管道机器人.对机器人的结构组成及驱动原理进行了介绍,建立了机器人变径支撑、越障条件及过弯阶段的理论模型.运用ADAMS软件对管道机器人进行运动仿真分析.结果表明,仿真数据与理论模型分析结果误差较小,验证了该机构的合理性.本文设计的机器人驱动轮在过弯时具有差速功能,避免了与管道内壁之间的打滑,提高了运动稳定性.

针对准零刚度系统受冲击载荷作用时相对位移响应较大的问题,提出限位式准零刚度隔离系统.分析了限位式准零刚度系统的工作原理,建立其冲击激励下的动力学方程,采用龙格-库塔法进行仿真计算,研究了限位器参数(刚度比、阻尼比)对冲击响应的影响.结果表明,限位式准零刚度隔离系统能有效降低冲击载荷作用下的相对位移响应,通过匹配合理的限位器刚度及阻尼参数,可有效提高其抗冲击性能.

南水北调东线工程江都第四抽水站在运行中发生了叶轮外壳气蚀严重、内嵌不锈钢开裂、叶片调节机构受油器发热抱死、叶轮密封老化导致漏油等故障,在进行维修性处理后,有必要对轴流泵可靠性进行分析验证.采用数值模拟技术从流场速度与静压分布、刚强度、拉杆受力等方面进行分析评估.分析结果验证了叶片、转臂的安全性,确定液压站外置、系统油路复杂是渗漏油故障多发的根源,提出并实施了内置式叶片调节机构改造,成功消除了渗漏油的隐患.

滚动轴承在旋转机械中应用十分广泛,其运行状态直接影响设备的工作性能,有必要对轴承故障机理进行深入研究.基于Hertz接触理论,建立了四自由度的内外圈复合缺陷球轴承模型,该模型考虑了缺陷引起的时变位移激励和冲击力激励,并分析计算了冲击力的大小及作用角度.分别对内圈、外圈单一缺陷及内外圈复合缺陷情况下球轴承的振动响应进行了数值仿真,仿真结果与实验数据吻合较好,内圈故障特征频率(BPFI)和外圈故障特征频率(BPFO)及其倍频在频谱图中清晰可辨,分析了负载大小和缺陷宽度对轴承振动特性的影响.研究结果可为滚动轴承的故障诊断提供理论参考.

为了模拟单颗粒金刚石磨削碳化硅陶瓷的加工过程,采用控制单一变量的方法,设置同一条件下不同工件进给速度的工艺参数,用Johnson-Holmquist ceramic本构关系建立有限元模型,仿真分析不同工件进给速度下单粒金刚石磨削碳化硅陶瓷的磨削力、磨削表面应力、磨削表面形貌和裂纹损伤.仿真模型数据与已有相同工况下的单粒金刚石磨削碳化硅陶瓷实验值吻合度较高,所提出的数值模型为金刚石砂轮设计、预测陶瓷磨削的磨削力、切屑去除和观察划痕形貌提供了高效的方法和理论依据.

刚度调控策略作为实现多级变胞机构的关节柔顺性,提高多级变胞机构的集成度,实现多级变胞机构紧凑化的重要方法,对其进行深入研究有着十分重要的意义.针对多级变胞机构刚度调控复杂的问题,本文通过对弹簧长度、最佳弹簧刚度以及最佳弹簧安装位置的确定,提出了针对多级变胞机构的刚度调控策略.实验结果表明,在一定范围内,最佳弹簧刚度随着安装位置l3的增大而减小,当最佳弹簧刚度达到最小值后,最佳弹簧刚度随着安装位置l3的增大而增大,两者之间为非线性关系.

针对煤矿用支架液压系统乳化液过滤问题,开发一种可在不拆解条件下实现滤芯反向清洗的反冲洗过滤站,基于AMESim建立反冲洗过滤站的仿真模型,研究了反冲洗工况的系统压力、流量和液控主阀启闭性能,并对过滤站的反冲洗功能进行了定性试验.结果表明:反冲洗过滤站可以顺利实现反冲洗功能;反冲洗时绝大部分流量经反冲洗口排出,系统处于低压状态;负载和未反冲洗滤芯的堵塞会对反冲洗功能产生影响,负载越小,反冲洗启动换向时间越长,严重时会导致不能完全开启;未冲洗滤芯压差越大,液控主阀不能完全开启现象越严重.

为了识别出振动、声学激励及路径传递率对车内噪声的具体影响,根据车内噪声产生机理建立了工况传递路径分析模型,并搭建了汽车振动与噪声测试采集系统.采用奇异值分解和主分量衰减方法确定较小主成分的剔除率,提出了输入激励实测信号和路径传递率二者与车内噪声响应信号之间的因果效应,完善了现阶段贡献量分析时的分析条件,准确定位了对车内噪声异常峰值影响较大的因素,并将完整的研究方法应用于某乘用车的车内噪声识别.通过车内噪声的合成响应与实测响应对比分析及响应修正分析,验证了本文所提方法的可靠性.

针对传统并联机构的支链多和承载能力差的缺点,提出了一种具有三自由度的3-PRC并联机构.利用旋量理论和自由度计算方法,分析和验证了并联机构的运动学性能及其动平台的三维平移运动方式,通过建立三维坐标系和运动影响系数法,分析了并联机构的位置正反解、速度和加速度的变化规律.基于MATLAB、ADAMS、Pro/E软件对3-PRC并联机构进行了三维建模与运动学仿真.测试得到其动平台的位移曲线、速度曲线、加速度曲线和变形结构图,分析指出了该并联机构的薄弱部分,为未来的并联机构设计提供了参考.