仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验

根据柔性并联机构逆向自适应运动原理,设计了一种3转动输出的3SPS+S仿腕关节柔性并联打磨机构,建立了机构运动方程,得到了柔性支链变形量与动平台姿态的关系;分析了柔性支链的变形力以及打磨工具打磨力、输出力矩情况,并建立力学模型;以打磨工具姿态变化和打磨力恒定为目标,对建立的三维模型进行仿真,并通过样机模拟得到机构的工作参数范围;仿真和试验结果表明,这种打磨机构可根据工件曲面几何形状的改变而实时改变打磨工具姿态,在有效控制力的前提下可保持打磨头和工件间的接触打磨力不变,该机构设计简单、运动灵活、方便控制,具有较好的应用价值。     

四自由度混联天线机构静力学及运动特性仿真与设计

研究天线机构静力学和运动特性是提高天线轨迹跟踪精度的有效途径。首先,对混联天线机构结构进行构型描述;然后,基于力旋量变换关系对混联天线机构各部件进行受力分析,借助数值计算软件进行静力学求解,分析特定位姿混联天线机构驱动力的分布情况,并将理论求解结果与仿真结果进行对比,以验证理论分析的正确性;应用有限元软件分析混联天线机构特定位姿下的变形情况,对混联天线机构的整体变形进行评估;针对混联天线机构进行振动特性仿真,获得混联天线机构特定位姿下的振型和固有频率;采用数值计算软件进行混联天线机构运动仿真,获得混联天线机构俯仰运动和方位运动的包络空间;最后,基于设计完成的关键零部件模型设计了混联天线机构物理样机。     

大型重载并联稳定接货平台动力学建模

大型重载并联稳定接货平台对于海上集装箱货物的安全转运发挥着重要的作用。根据需求设计了一个具有3个变形剪叉分支的并联稳定接货平台,该变形剪叉分支具有行程放大的功能,其由1个含子闭环的运动链URRRUU和2个SPS驱动单元构成,当分支中的2个驱动单元同步驱动时,变形剪叉分支与RPS运动链等效。在非惯性系下,首先基于矢量法分析了并联稳定接货机构上平台的伴随位移、速度和加速度,相应求得该机构的位置解;然后基于螺旋理论建立了该机构的运动学和动力学解析模型;最后通过数值算例验证了所建运动学和动力学模型的正确性,为此机构的后续结构优化和控制奠定了理论基础。     

非稳态侧风对高速汽车操纵稳定性影响的仿真研究

侧向风对高速汽车的操纵稳定性有明显的影响,其影响规律与风压中心和中性转向点的相对位置密切相关。根据多体系统动力学及运动学理论,在ADAMS软件平台上建立了侧风环境下仿真所需要的整车多体动力学模型。运用汽车侧风稳定性理论,对阶跃阵风作用下的敏感性试验进行了详细的仿真分析;进而引入了驾驶员模型,并对该模型的侧风响应特性进行了初步分析,为优化汽车操纵稳定性参数提供了借鉴依据。     

大变形柔性转动副结构设计与柔度分析

目前运用较多的柔性运动副基本上只能产生微细变形,适用于微动领域,缺少能产生宏观尺度变形的柔性运动副。在弹性曲板变形理论的基础上设计出一种新型柔性转动副,可以满足宏观尺寸下的变形要求。通过理论分析建立其柔度矩阵,分析其转动刚度与转动误差,利用Matlab进行了理论计算,并进行了Ansys软件仿真与实体模型试验。结果表明:理论计算与仿真的转动刚度相对误差为5.6%,转动误差相对误差为3.4%,通过试验验证了转动刚度和转动误差相对角度变形的变化规律,说明对该新型大变形柔性转动副的柔度分析正确。     

一种面向非线性材料的二维高阶ANCF梁单元

对二维高阶绝对节点坐标(ANCF)剪切梁单元位移模式进行研究。通过在剪切梁单元位移模式中引入x^(2)y项构建了一个新的二维二节点高阶剪切梁单元,其多项式系数与x^(3)项共用。运用连续介质力学理论以及Yeoh本构模型建立了单元非线性弹性力矩阵,并基于绝对节点坐标法推导和建立了系统运动微分方程。利用静力学以及动力学算例进行单元模型的验证和分析。将单元的计算结果分别与不同的ANCF高阶单元以及ABAQUS软件的仿真结果进行比较。结果表明,引入了x^(2)y项的二维ANCF剪切梁单元在大变形以及非线性弹性力问题中具有较高的分析精度和单元收敛性能。     

基于UG的花生收获机挖掘装置有限元静力学分析

为优化花生收获机挖掘装置的性能和质量,提高工作效率,采用UG软件建立挖掘铲和立刀杆的实体模型并利用其高级仿真功能进行了有限元静力学分析。通过简化模拟挖掘装置的工作状态,对其进行受力分析,并根据挖掘装置的材料属性建立有限元模型,计算出不同条件下挖掘装置的变形和应力分布情况,对比得出最优设计参数。     

六旋翼植保无人机风场竖直分布特性数值模拟与验证

植保无人机作业过程中,旋翼风场竖直方向分布特性对雾滴的输运效应及作物冠层的扰动作用直接影响施药沉积效果。本文以六旋翼植保无人机风场竖直分布为研究对象,采用基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟技术建立了无人机前飞作业时旋翼风场仿真模型,并根据正交试验方法研究了多特征参数融合对风场竖直分布特性的影响。仿真结果表明,竖直分布风场垂直于飞行方向对称分布,当飞行高度和飞行速度增加或作业载荷减小时,风场强度逐渐减弱;竖直分布风场沿侧风方向倾斜,侧风风速大于3m/s时,风场横向倾斜超45°。基于此,采用恒温差热敏芯片研制了微型无线风速采集系统,并开展了植保无人机风场竖直分布特性的多因素田间验证试验,试验结果表明：仿真模拟与田间试验旋翼风场竖直分布规律基本一致,相对误差较小,风场竖直分布特性具有较好的一致性;数值模拟方法可有效模拟植保无人机飞行过程的非定常流动,仿真与田间试验结果为植保无人机雾滴沉积的研究提供了理论基础。     

基于多体接触碰撞的松软地面车轮沉陷仿真

提出了一种大规模多体系统接触碰撞理论与车辆地面力学理论相结合的仿真方法,并基于多体动力学仿真平台开发了车轮土壤相互作用仿真模块。基于该方法建立的土壤动力学模型和车轮土壤接触碰撞模型,进行了车轮沉陷的仿真。根据记录,在普通配置台式计算机上模拟土槽系统30 s的运动,仅需20 min。在相同实验条件下,仿真结果与土槽实验结果趋势一致,仿真曲线与土槽实验曲线吻合良好。由此表明该仿真算法能够满足越野行驶仿真的需要。     

永磁直线同步电动机法向力对机床结构变形的影响

在建立永磁直线同步电动机驱动结构机械模型的基础上,采用有限元仿真分析运动部件在不同位置时法向力变化对龙门结构横梁变形的影响,得出横梁在y轴方向的变形曲线.实验测得横梁背面变形,并与仿真结果对比分析,得出电动机定子磁场对应的法向力.实验结果验证了仿真结果的正确性.     

玉米秸秆粉料单模孔压缩成型过程有限元分析

为了在有限元分析软件中模拟玉米秸秆粉料,建立了秸秆粉料的D-P材料本构模型,并通过三轴压缩试验确定了秸秆粉料的粘聚力及内摩擦角。在三维建模软件中建立了秸秆粉料和单模孔成型模具的简化分析模型,利用有限元分析软件中的热应力耦合分析来模拟秸秆粉料在模具模孔中被挤压的全过程。根据分析得到的玉米秸秆粉料模型被挤压后的变形及受力的规律,确定了秸秆粉料的变形特点、受力特点和时间-应变关系,并进行了试验验证,为模具的设计提供了依据。     

气力输送式小麦播种机垂直型分配器设计与试验

传统小麦播种机存在作业效率较低、生产成本高、各行排量一致性差等问题,设计了一种适用于气力输送式小麦播种机的垂直型分配器。分配器采用垂直分配的种子分配方式,能使种子运动轨迹平滑,运动方向变化小,实现种子均匀分配。通过研究种子在分配器内部的受力情况,确定了风速、圆锥角度等对排种性能影响较大的关键参数;采用Flow Simulation对分配器进行了内部流场仿真,得出了气流场在不同圆锥角度及风速作用下的状态;通过对种子的运动仿真,得出了种子在分配器内运动状态,验证了垂直分配式分配器的分配效果。搭建了气力输送式小麦排种试验台,以排种器转速、圆锥角度和风速为试验因素,以小麦排种系统各行排量一致性变异系数为试验指标进行正交试验,确定较优参数组合为风速15m/s,排种器转速40r/min,圆锥角度90°。在该条件下,测试结果各行排量一致性变异系数2.78%,远远满足小麦播种各行排量一致性变异系数低于3.9%的要求。     

柔顺机构PR伪刚体动力学建模与特性分析

基于伪刚体模型,综合考虑柔性杆的横向变形和轴向变形的影响,建立了末端受力作用下柔顺机构的PR伪刚体动力学模型,应用拉格朗日方程推导了其动力学方程.从方程特征、响应曲线等方面显示了PR伪刚体动力学模型的性能变化.数值分析结果表明:PR伪刚体模型引入了P副来模拟柔性杆件的轴向运动,可以更真实地体现出柔顺机构的动力学特性,更适合于柔顺机构的动力学分析与设计.     

风光沼储微电网系统容量优化配置

多清洁能源互补的微电网供电模式是解决偏远地区供电问题的一种有效途径,将两种或两种以上的可再生能源结合起来可以提高供电的可靠性、稳定性,因此文章首先分析了风光沼储分布式发电系统特性,并以此为基础构建微电网能源系统数学模型和目标函数,在约束条件下,利用改进型粒子群算法优化目标函数以获得最优配置。最后,以某农业园区微电网建模,对所提方法的有效性进行仿真分析,结果表明采用改进型粒子群算法搜索能力更强,该优化配置具有较好的工程价值和实用性。     

6—PSS柔性并联机器人动力学分析与仿真

为了提高风洞试验的安全性,对风洞试验用6-PSS并联机构进行柔性动力学分析。首先,对机构进行运动学分析,得到机构的运动学逆解,利用一阶影响系数法,推导出机构雅可比矩阵。其次,在拉格朗日方程基础上,采用一种合理简化模型动力学建模方法,给出机构动力学方程。提出一种简单实用的柔性动力学建模方法,运用ADAMS软件建立机构的柔性动力学模型,进行并联机构的柔性动力学仿真。对比刚体动力学和柔性动力学曲线,验证了柔性动力学仿真的正确性。最后,分析柔性动力学中驱动力和柔性变形等数据曲线,总结出并联机构柔性状态下动力学特征。     

基于共振声学放大原理的涡激振动自发电装置设计与试验

为实现从自然环境中自动获取清洁能源,并给无线传感器和通讯模块供电,基于涡激振动及共振声学放大原理,设计了一种压电自发电装置。首先对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析;其次基于计算流体力学数值方法,对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析,以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。利用有限元软件ANSYS对压电悬臂梁复合结构的横向往复振动进行数值模拟,确定了复合结构的横向振动频率随板长L的变化规律。最后对位于该装置两侧的亥姆霍兹共振器的结构尺寸进行优化设计,以使流场的脱涡频率、压电悬臂梁复合结构的一阶横向振动频率和共振器的谐振频率达到一致,从而使压电发电装置产生共振并输出最大的电能。试验结果表明,涡激振动自发电装置在5 m/s的风速下可产生两相峰峰值为6.0 V的开路电压,且上述3个频率达到一致。4~6.25 m/s为该自发电装置的自锁风速区间,在此风速范围内,自发电装置均能产生较大的电压。     

基于Mask R-CNN的单株柑橘树冠识别与分割

针对在复杂果园背景中难以识别分割单株果树树冠的问题，研究了基于Mask R-CNN 神经网络模型实现单株柑橘树冠识别与分割的方法。通过相机获取柑橘园图像数据，利用Mask R-CNN神经网络实现单株柑橘树冠的识别与分割，根据测试集的预测结果评估模型的性能和可适应性，并分析模型的影响因素。结果表明：参与建模的果园单株树冠识别分割准确率为97%，识别时间为0.26s，基本上可满足果园精准作业过程中的树冠识别要求；未参与建模果园的单株树冠识别分割准确率为89%，说明模型对不同品种、不同环境的果园具有一定的适应性；与SegNet模型相比，本文模型准确率、精确率和召回率均约高5个百分点，说明在非目标树冠较多的复杂果园图像中具有较好的识别分割效果。本研究可为对靶喷药、病虫害防护、长势识别与预估等果园精准作业提供重要依据。     

降雨灌溉蒸发条件下苹果园土壤水分运动数值模拟

根据土壤水动力学原理和果树根区土壤水分运动特点,建立了降雨灌溉蒸发条件下含根系吸水项的二维土壤水分运动数学模型,采用有限元法求解,对降雨灌溉蒸发条件下的地表边界条件进行处理.在田间进行了灌溉蒸发条件下果园土壤水分运动验证试验,采用田间实测土壤含水率分布资料对模型进行验证,结果表明模拟值与实测值吻合较好,所建的根区土壤水分运动模型是正确的,采用有限元法求解是可行的,该模型可用于预测果园田间土壤水分运动.     

高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力学分析

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法及抗裂验算公式.以河北某抛物线形渠道为例,分析衬砌截面轴力、弯矩及应力分布规律.结果表明:轴力自渠顶向渠底中部逐渐增大且均为压力;衬砌板主要在负弯矩作用下凸向内侧,仅在临近渠底时由负变正转而凸向外侧;由于存在拱效应,各截面均以压应力为主,仅渠坡中下部内侧及渠底中部附近外侧出现拉应力从而易导致开裂.分别应用直梁理论和曲梁理论计算衬砌板截面应力并进行对比分析.发现渠底中心附近曲率较大处两者相对误差可达11.78%,且直梁理论的计算结果量值偏小、安全性低,应当基于曲梁理论进行应力分析更加合理.     

逐日降水的随机模拟模型及其在黑龙江省的应用

在模拟逐日降水数据方面,近些年来的一种通用方法是联合应用一阶马尔科夫链和伽玛分布函数建立随机模拟模型,这种方法在国外很大的环境范围内被证明是有效的。为此,应用黑龙江省14个站点56年的实测降水数据,针对马尔科夫两状态转移概率和伽玛分布参数的不同来源,即统计分析实测降水数据直接获得和利用实测降水数据建立回归模型间接推求,分别模拟了各站点的1 000年逐日降水过程。结果表明:应用一阶马尔科夫链和伽玛分布函数可以很好地模拟黑龙江省14个站点的逐日降水过程,模型的模拟精度很高,证明了这种方法是有效的;但国外推求转移概率和伽玛分布参数的经验模型和长系列法在黑龙江省不完全适用,应用重新建立的回归模型推求的转移概率和伽玛分布参数模拟的逐日降水数据的精度同样很高。