为进行高重合度人字齿轮系统设计,采用知识发现方法获得多因素对啮合刚度的影响规律。在多次仿真数据的基础上,采用模糊聚类方法对人字齿轮副啮合刚度进行分类。基于粗糙集理论完成给定仿真数据集的离散化、属性约简以及属性值约简,从而获得综合考虑多因素的决策影响规则集,最终建立各结构设计因素与高重合度人字齿轮副啮合刚度之间的知识规则。新样本的综合判断表明,所获得的设计知识对高重合度齿轮系统的设计具有一定理论指导作用和实用性。
采用W-M函数建立具有分形特征的三维双粗糙面接触模型,考虑了接触界面间的黏着效应,在滑动速度、法向载荷及界面剪切强度等参数变化下,运用有限元方法探讨了粗糙体在滑动过程中摩擦因数的变化情况。结果显示,滑动速度、法向载荷及界面剪切强度等参数对摩擦因数的变化有一定的影响,边界润滑工况下平均摩擦因数为0.28,无润滑工况下平均摩擦因数为0.713,最大界面剪切强度时的平均摩擦因数为0.73;随着界面剪切强度的减小、法向载荷的增大、滑动速度的增加,滑动摩擦因数有所减小。与相关文献结论或实验结果进行比较,证明了上述结果的正确性。分析结果可为摩擦学设计和摩擦材料的制备提供理论参考。
提出了复杂齿轮轮系运动分析的单元运动特征状态建模方法。通过研究复杂齿轮轮系构成规律,并分解其构成,定义了轮系基本单元;以齿轮原型机构为基础,利用机构拓扑特征构建了轮系基本单元构型图谱;构建了运动特征状态向量用以描述运动的类型和方向特征等属性,并利用状态方程建立了轮系基本单元的运动特征状态模型,为后续的轮系运动方案设计提供了理论基础。
在超声旋压系统中,变幅器由变幅杆与旋轮耦合而成,其谐振振型为变幅杆纵向振动与圆盘弯曲振动。该振型计算复杂,很难直接获得较为精确的尺寸,设计过程中需要不断修正尺寸以达到所要求的频率和振型。借助MSC.Marc有限元分析软件对变幅杆与旋轮耦合后的变幅器进行数值模拟分析,研究旋轮各个尺寸对变幅器谐振频率的影响,得到了旋轮各个尺寸对变幅器谐振频率的影响规律,设计出了符合要求的变幅器,试验表明其振动效果理想。
声振耦合影响燃烧室燃烧稳定性,加剧火焰筒薄壁结构疲劳破坏,声振耦合特性研究对燃烧室燃烧稳定性设计与结构抗疲劳设计非常必要。利用有限元软件建立燃烧室结构-声三维模型,进行燃烧室封闭结构声振耦合特性研究,计算出结构的固有频率和模态振型。通过试验,测量燃烧室声振传递函数,得到燃烧室结构声振耦合固有频率和模态振型。研究表明,声场相当于给结构增加了附加质量,降低了结构固有频率,并产生了特殊的耦合频率。试验验证了有限元计算结果的正确性,从而为燃烧室薄壁结构设计提供了参考。
针对汽车发动机水泵O形橡胶密封圈宽温度域的工况特点,构建其与温度相关的Mooney-Rivlin材料模型,探讨冷却液温度、压力、摩擦因数等对O形密封圈接触压力、等效应力以及密封性的影响。研究表明：温度的升高将引起接触压力及等效应力的峰值呈幂指数减小,导致密封可靠性降低,但在宽温度域（-40~130℃）工况下,接触压力的峰值始终远大于液体压力,因此该密封圈具有可靠的密封性;液体压力的增大虽然会引起接触压力峰值增大,但其增大的速度比液体压力增大的速度小,因此将引起密封可靠性下降;摩擦因数对密封可靠性的影响不大。
数控位置伺服系统的前馈控制具有动态响应快、跟踪精度高、实用性高等特点,在位置跟踪数控伺服系统中应用广泛,但对数控伺服系统的位置阶跃响应作用不明显,且超调量大。为此,提出在位置前馈控制的基础上,引入位置环微分负反馈的新型控制策略。在伺服系统位置环增加微分负反馈后,对前馈控制函数进行修正,使微分负反馈控制既能保证系统实现无超调快速响应,又不影响位置前馈跟踪性能。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性,表明该新型控制方法适用范围广,响应速度快,超调量小,具有很高的工程实用价值。
为了改善传统铣削钛合金的加工条件,研究了进给方向超声振动辅助铣削对切削力的影响。定值计算了不同振动频率、振幅、铣削速度时的净切削时间比,建立了对工件施加超声振动的铣削加工三维有限元模型,根据仿真结果讨论了加工参数对进给方向切削力瞬时值的影响,并结合净切削时间比分析了加工参数对三个方向切削力平均值的影响。研究表明:施加超声振动后切削力明显减小;振动频率小于40kHz和振幅小于30μm时切削力平均值同净切削时间比变化趋势一致,当频率或振幅超过上述值时,刀具、工件间的摩擦力对切削力平均值的影响显著。
分析了液压挖掘机基于与负载压力无关流量分配（LUDV）多路阀的电液流量匹配控制（EFMC）系统的控制原理,建立了EFMC系统的液压挖掘机虚拟样机模型,采用实时检测油缸速度信号的反馈闭环控制方法提高流量匹配的精度。分别建立液压挖掘机EFMC系统动力学模型与液压系统模型并根据其实际工况进行联合仿真,研究了挖掘作业过程动态特性及节能特性。与传统的基于LUDV的负载敏感系统实验结果进行对比,结果表明: EFMC系统与传统负载敏感系统相比,改善了系统的动态响应特性和稳定性,泵的压力裕度明显减小,提高了系统的节能性,反馈闭环控制系统动态响应特性也明显得到提高。研究方法可为进一步研究挖掘机的动态性、节能性、稳定性提供理论依据和参考。
针对人工涂胶过程中出现的效率低下、黏胶剂有毒等问题,设计了一种面向鞋大底的自动涂胶机器人。为减小因径向移动机构与固定架的连接方式导致的机器人涂胶头的定位误差与运动误差,根据径向移动机构的螺栓连接方式,运用有限元方法,建立了以外框架变形最小为目标的装夹布局优化模型,通过将外框架的最小变形定义为个体的适应度评价函数,运用遗传算法构建了装夹布局优化模型的递推求解算法。利用所提出的方法能够找到螺栓数目增加后的最优装夹位置,使得涂胶过程中外框架变形最小,从而确保涂胶的均匀性,提高鞋子的耐用性。
为了提高复杂螺旋面的加工精度,对其刀位轨迹算法进行研究,提出了基于最小有向距离的刀位轨迹数值计算方法。建立了刀具与工件曲面的三维数值几何模型,并通过坐标变换矩阵来建立与实际加工情况一致的数值计算模型。采用空间离散化思想将刀具与工件两空间曲面的最小有向距离的求解问题简化为一个二维求解问题,保证了求解效率和精度。根据阿基米德插补曲线原理,建立了刀位轨迹的数值计算方法。实例加工结果证明,基于该方法得到的刀位轨迹编制的数控加工程序能够加工出满足精度要求的螺旋面。
提出了一种基于局部特征尺度分解(LCD)和核最近邻凸包（KNNCH）分类算法的齿轮故障诊断方法。该方法采用LCD对齿轮原始振动信号进行分解得到若干内禀尺度分量(ISC),然后提取包含主要信息的ISC分量的能量作为特征向量输入到KNNCH分类器,根据其输出结果来判断齿轮的工作状态。实验分析结果表明,所提出的方法能有效地提取齿轮故障特征信息,而且在小样本的情况下仍能准确地对齿轮的工作状态进行识别。同时,与支持向量机(SVM)算法的对比分析结果表明,KNNCH算法能取得与SVM算法相当或更高的正确识别率。
针对滚动轴承故障振动信号的非平稳特性,提出了一种基于多特征参数和概率神经网络的滚动轴承故障诊断方法。首先利用经验模态分解（EMD）方法将采集到的滚动轴承原始振动信号分解为有限个固有模式函数（IMF）之和,然后提取表征故障信息的若干个IMF的能量、峭度和偏度作为概率神经网络的输入参数来进行故障分类。试验结果表明,该方法可以准确、有效地识别滚动轴承的工作状态和故障类型,是一种可行的滚动轴承故障诊断方法。
从能量的角度出发,运用本构方法,以热力学唯象理论为基础,通过对压电陶瓷晶体Helmholtz自由能关系进行推导而得出压电晶体的电场强度E与极化强度P的本构关系。与实验结果的对比分析表明,所推导的E-P本构关系能够较为准确地在宏观上描述压电陶瓷晶体的迟滞特性。最后结合实验数据和E-P迟滞曲线对压电陶瓷晶体的Helmholtz自由能和电滞回线进行了分析和讨论。
为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。
针对FlexRay网络参数设计问题,定性分析了动态段长度等参数和消息ID分配对网络性能的影响,推导出动态段带宽利用率和消息最坏响应时间计算方法。以消息响应时间为约束,以最大带宽利用率和最小整体响应时间为设计目标,给出了FlexRay动态段长度和帧ID的优化设计模型及求解算法。以CANoe和DaVinci Network Designer为仿真平台进行实验,结果表明,该设计方法能够保证较高的动态段带宽利用率和较小的消息响应时间。
研究了车体振动影响下某自行火炮的弹药传输机械臂的动力学与位置控制。采用第二类拉格朗日法建立了弹药传输机械臂的动力学方程,并将方程中的车体振动项提取出来看作不确定外部扰动力。在此基础上,基于一种隐式Lyapunov函数设计了系统的位置控制器（控制器的增益是系统状态变量的可微函数）。基于牛顿迭代法与龙格库塔法求解了系统的动力学方程。结果显示,所设计的控制器有效抑制了车体振动的影响,实现了弹丸传输机械臂位置的精确控制。
以旋量为基本运算单元,建立了非惯性系下弹性欠驱动机器人的动力学模型。首先以两个旋量的李括弧运算为基础,得到了惯性系下机器人的加速度映射关系。利用多刚体系统的速度、加速度旋量在不同坐标系之间的变换,推导出非惯性系下机器人在惯性系中的加速度映射关系。然后利用刚体的牛顿-欧拉公式,建立了非惯性系下机器人的动力学模型。推导的过程中始终以运动旋量、力旋量为基本的运算单元,简化了动力学建模过程。最后,以空中加油系统这种典型的非惯性系下的弹性欠驱动的应用为例,建立了其在非惯性系下的动力学模型,并用动力学仿真软件进行了验证,验证了理论分析的正确性和可行性。
在工具磨床上刃磨刀具时,待刃磨面的位姿调整涉及复杂的空间平面联动变换,其角度调整的计算问题用一般方法很难解决。以平面表像法为基础,建立了刀具待刃磨面的平面像图,提出了一种将空间平面的旋转问题转化为射影平面内像点的移动问题,进而利用万向夹多关节联动旋转来实现刀具刃磨面位姿调整的方法,并给出了相应的计算公式。刃磨实验与建模仿真表明,所提方法能够方便地刃磨出具有不同切削角度组合的单点刀具。
建立了混凝土离散元模型,并通过L箱流动实验校核了该模型,得到了计算参数。采用该模型及得到的参数对混凝土泵送过程进行数值模拟,其中,以颗粒对管壁的冲击力和平均力表征壁面磨损程度,对泵送过程中管壁磨损过程进行研究。分析了泵送速度、弯管角度等因素对管壁磨损分布的影响,预测了最易磨损位置。结果表明：弯管管壁磨损随着泵送速度的增大而增大,随着弯管角度的增大而增大,模拟结果与实际泵送过程中观测到的最易磨损位置吻合较好。
建立与珩磨工艺参数相关的内孔圆柱度预测模型,有利于快速确定优化的工艺参数,控制加工精度。采用二次通用旋转组合设计方法拟定试验方案,在试验基础上建立了与冲程长度、珩磨压力、旋转速度及每次珩磨量等工艺参数相关的内孔圆柱度预测模型,用Design-Expert 8.0对预测模型进行分析,优化了圆柱度预测模型。分析珩磨工件圆柱度与工艺参数的二阶响应曲面图,获得了优化的珩磨工艺参数组合。验证试验表明,基于响应曲面法的珩磨工件圆柱度预测模型是准确的,优化工艺参数是有效的。
采用左螺纹圆柱搅拌头对O态和T4态2024铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,研究了材料性能对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响,并用软性约束分析了材料性能对焊核尺寸的影响。试验结果表明：焊缝形貌受焊核周边金属约束的影响,约束程度与材料力学性能和温度有关。O态2024铝合金对接焊时,软性约束体对塑性金属横向迁移的约束小,焊核面积和焊核宽度较T4态2024铝合金的焊核面积和焊核宽度大。两种热处理状态2024铝合金对接焊时,强度和硬度较高的T4态2024铝合金置于返回边时,在焊缝两侧、前进边的软性约束体对塑性金属的约束较返回边的软性约束体对塑性金属的约束强,焊核向返回边偏移;由于在返回边有更多的塑性金属,使其沿焊缝厚度方向向上的运动趋势增强,因此返回边的焊核高度较前进边的焊核高度高。对T4态2024铝合金进行适当的预热,会增强焊缝金属的塑化程度,使其向焊缝两侧的迁移运动趋势增强,焊核宽度及面积增大。
薄板焊接结构的抗疲劳设计是轿车底盘结构件设计开发中的主要难题,充分理解并掌握薄板焊接结构的疲劳性能是进行焊缝抗疲劳设计的基础。通过一系列的薄板焊接结构疲劳性能试验研究,总结出了焊缝疲劳性能受焊接母材材料强度、母材厚度、焊接制造工艺等因素影响的普遍规律,从而为薄板焊接结构的抗疲劳设计打下了基础。
为准确确定汽车道路耦合动力学的路面激励,提出一种基于实际用户使用的道路谱获取方法。使用多功能激光路面检测仪进行道路谱数据采集,根据汽车用户需求,选择实际使用的路面数据,通过对路面高程数据去除毛刺、平滑连接、多倍频程滤波等预处理,进行功率谱密度分析计算,获得用户典型道路谱的等级功率谱;应用开发的Caroad软件系统重构出用户需要的道路时域谱,并生成可用于ADAMS、VPG、Carsim动力学软件的仿真路面,通过相关系数分析了道路谱的重构精度。通过实例分析,获得了符合用户需要的典型虚拟三维路面谱,道路谱重构精度较高。
针对大规模结构重分析计算中,随着待分析结构规模的扩大,重分析计算效率大幅度下降的问题,采用CUDA并行编程模型并结合组合近似法,建立了基于GPU平台的重分析并行系统。分别对刚度矩阵组装、预处理共轭梯度法等重分析关键计算流程进行了GPU并行实现。通过对车架和车门的刚度分析对该系统的性能进行了测试。测试结果表明,所提出的重分析方法能够在确保重分析计算精度的同时,大幅度提升计算效率。
以某挖掘机驾驶室为例,建立结构有限元与声学边界元模型,基于频域逆矩阵方法求解工况下的激励载荷,利用基于模态的强迫响应法求得该激励下驾驶室振动速度响应。以此速度响应为边界条件,将声学传递向量（ATV）法与边界元法相结合计算驾驶员右耳处的声压,并进行了试验验证。对峰值频率处驾驶室面板声学贡献量进行计算,确认贡献显著的板件,对相应板件进行形貌优化和添加阻尼处理,结果表明,驾驶室内声压在对应峰值位置有较明显的下降。
