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[博士论文] 饶晓波
机械设计及理论 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:研究多个参数同时变化对旋转机械系统动力学的影响、探寻参数的关联关系,是旋转机械系统动力学研究领域的前沿与热点课题。目前主要是基于单参数分岔讨论对系统动力学的影响,但要研究参数空间中的动力学分布及参数关联关系,由于受可视化手段以及计算任务量巨大的制约,限制了这方面的研究。本文提出了追踪参数空间中动力学行为的GPU并行计算方案,应用CUDA编程技术,实现参数空间中动力学行为的追踪;设计三种相互补充的稳定相图、选择典型的双参数平面,展示系统各种动力学特征及其转迁规律。发现一些新颖的分形结构,如Farey树和Stern-Broot树等类二叉树等级结构,“混沌之眼”环状层次结构、“混沌喷井”齿状结构。这些结构通过分形的自相似性揭示了参数区域局部与局部、局部与整体之间的关联关系。另外,发现了旋转机械系统中普遍存在的几种混合模式振荡,如混沌调谐和非混沌调谐的混合模式振荡,三个尖峰数覆盖的虾形以及尖峰自由振荡形成的“马赛克”相等。这些结果揭示了旋转机械系统复杂动力学背后的共性及规律,能帮助我们更深入的理解旋转机械系统动力学的本质,同时为旋转机械系统动力学参数优化设计、故障的监测与诊断、振动控制等提供大范围参数选择的动力学依据。本文具体研究工作如下:
  遵循从简单到复杂的研究思路,首先研究两类最简单的旋转机械系统,即六角离心调速器与菱形离心调速器,应用GPU并行计算方法追踪这两类旋转系统在参数空间中的动力学特性并揭示参数关联规律。通过获得的大量动力学信息分析表明,六角离心调速器系统主要以Hopf分岔引起运动失稳,并且在主要参数(频率、振幅以及阻尼等)组合平面,其中的锁模结构按照Farey序列排列,这是六角离心调速器系统锁模结构的本质属性。对于菱形离心调速器系统阵发混沌是使其运动失稳的主要因素,并在其所有主要参数平面形成一种特殊的齿状分形结构——“混沌喷井”。另外这类简单旋转系统的锁模结构是按照更一般的Stern-Broot序列排列的,Farey树是其中一棵子树。详细的分类这类离心调速器系统各个动力学变量的振荡情况,发现存在混合模式振荡,并且不同的变量之间存在不同的振荡模式,尖峰数的分布具有等差性质。
  其次研究了单轴、三轴、电机-三轴陀螺体系统在参数空间中的动力学特性及其参数关联关系,这三类系统的数学模型具有刚性,采用并行隐式RK方法积分系统。通过分析GPU并行计算得到的大量动力学信息表明,陀螺体系统主要以阵法混沌引起运动失稳,并且在以振幅为主的参数平面形成“混沌喷井”结构,发现相对较小的主惯动量和相对较大的转子角动量有利于系统平稳运行。对于三轴和电机-三轴陀螺体系统还存在倍周期分岔通向混沌的路,在频率-转子角动量平面中正向和反向的倍周期分岔序列堆积形成“混沌之眼”环状结构。另外着重研究了陀螺体系统的混合模式振荡现象与参数组合之间的关系。发现某些动力学变量的振荡和离心调速器一样具有规律性,尖峰数的分布呈现出等差性质,另一些变量则是非常复杂的振荡,在局部的参数区形成“马赛克”的相。
  最后研究了复杂故障转子系统的动力学行为及其参数关联关系。故障转子系统是多自由度多参数系统,数值求解比低维的离心调速器系统困难,CPU的串行计算受到极大的挑战,GPU并行计算处理这类复杂系统时优势更加凸显。通过GPU并行计算得到故障转子系统大量的动力信息,研究表明在裂纹转子、碰摩转子、碰摩-裂纹耦合转子中,当转速小于临界转速时,系统的各种故障因素(裂纹深度、裂纹角、质量偏心、碰摩间隙、油膜黏度等)对故障转子系统的动力学基本没有影响,系统主要表现为周期1运动;当转速达到临界转速小于二倍临界转速的区域,主要是正向和逆向的倍周期分岔序列;在高转速区域,以拟周期运动为主。对于裂纹转子系统在拟周期区域主要是夹杂一些高周期的亚谐振动,但锁模结构不像离心调速器系统那样形成规律的结构;对于碰摩转子在拟周期区域中主要是嵌入了大面积的周期3运动。对于碰摩-裂纹耦合故障转子,就质量偏心来说,在较大偏心下和裂纹转子相似,在小偏心下和碰摩转子相似。另外在这三类故障转子中,参数对动力学影响的程度不一样,在裂纹转子中质量偏心的影响最大,在碰摩转子和碰摩-裂纹耦合故障转子中定子刚度的影响最大,质量偏心的影响其次,其它参数对三类故障转子系统动力学的影响基本相同。三类故障转子系统在局部的参数区域都会产生混合模式振荡,但是振荡不像陀螺体系统和离心调速器系统具有规律性,属于自由形式振荡。
[硕士论文] 刘杨
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:带式输送机具有运量大、运输距离长、可连续运输等特点,被广泛应用于煤炭等领域,但输送带易跑偏,托辊与输送带之间的摩擦会使输送带磨损严重,并易使输送带过热,形成火灾和爆炸的隐患。因此,采用无托辊的支撑结构是解决上述问题的关键。永磁悬浮带式输送机是近年来出现的一种极具发展潜力的新型低阻力无辊带式输送机,要实现永磁悬浮带式输送机的稳定运行,其核心问题就是要保证磁性输送带—永磁悬浮支撑系统的平衡及稳定。
  本文以永磁悬浮带式输送机悬浮支撑系统稳定性问题为研究对象,介绍了永磁体空间磁场三种计算方法,在前人研究基础上,建立了永磁悬浮支撑系统的三维模型,推导出永磁悬浮支撑系统磁性输送带在正常运行、跑偏和侧倾三种情况下所受的悬浮力和侧向力公式。
  通过FEM有限元分析方法计算出磁性带各方向上的磁场力,与推导的公式进行对比,并对公式进行修正,对比了平型、槽型和V型三种输送带跑偏时所受的侧向力,找到稳定性较好的带型,通过对比下方永磁体几种不同布置形式下的受力,得到稳定性较好的方案,在此基础上提出了物理阻断防跑偏、增大拉紧力以及自动控制调偏三种防跑偏措施。
  建立了悬浮支撑系统竖向振动模型,并对该模型进行仿真,提出了几种防止系统过载的稳定措施,对悬浮支撑系统进行开发实例研究,得到改进后的方案;通过对永磁悬浮带式输送机悬浮支撑系统稳定性的研究,设计并搭建出满足本课题需要跑偏后能够自动回正的样机。
[硕士论文] 徐海林
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:泥浆泵是机械工程钻探领域机械设备的重要组成部分,广泛应用于石油钻井。泥浆泵主要起到循环泥浆,冷却钻头,把岩屑传送回地面等作用。随着深井、超深井的出现,钻探深度的增加,对泥浆泵的功率、压力等性能的要求越来越高,泥浆泵不断地向着大功率、大排量的方向发展。同时,泥浆泵野外工作条件的复杂和恶劣,使得人们越来越关注泥浆泵的使用性能和使用寿命。连杆和曲轴作为泥浆泵动力端的核心组成部分,其结构参数,结构强度以及疲劳寿命很大程度上决定了泥浆泵整体的大小与轻重、承载能力和使用寿命。泥浆泵在循环载荷的反复的持续的作用下,零部件容易发生疲劳失效,而这种失效形式具有隐蔽性,直到损伤累积到一定程度发生质变,引起突发性的断裂与破坏,造成严重的后果与经济损失。为了预防事故的发生,对泥浆泵动力端的主要零部件进行动力学分析和疲劳寿命预测就显得格外重要。
  运用理论力学知识分析泥浆泵动力端曲柄连杆机构的运动规律和受力情况,并绘制成图直观地显示各个构件在一个周期内所受的作用力的变化情况和运动规律。运用有限元软件ANSYS创建泥浆泵动力端的有限元模型,对泥浆泵动力端主要结构做静力学分析,找到容易产生应力集中的部位,计算出最大应力。为了更好地还原泥浆泵动力端的真实工作状况,应该把曲柄连杆作为柔性体来看待,运用ADAMS动力学软件创建泥浆泵动力端的刚柔耦合模型,分别对连杆与曲轴进行动力学模拟仿真,分析连杆和曲轴的动应力状态。连杆曲柄承受着循环交变应力的反复作用容易产生疲劳损伤,损伤累积到一定程度会导致零件的损坏,利用MSC.fatigue软件米分析和预测连杆与曲柄的疲劳寿命,找到发生破坏前疲劳寿命最短的部位,计算出最小总应力循环次数。虽然连杆和曲轴受到的最大应力值均远远小于其各自的材料屈服强度极限,但是在循环载荷的长时间作用下仍然会发生疲劳失效,最终引起零部件突发性的断裂,带来严重的后果与经济损失。对曲轴连杆进行动力学分析及疲劳寿命预测,为连杆与曲轴的设计或改进奠定了基础。
[硕士论文] 刘增家
材料工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:类金刚石碳基(DLC)薄膜因其低摩擦因数、高硬度、良好的化学稳定性和耐腐蚀性而越来越受到科研工作者的广泛关注。在软金属中,铜与金刚石或类金刚石薄膜的摩擦学行为表现特殊,并且界面处钝化元素氟、氢会影响其力学特性和摩擦学行为。相关界面黏着转移和减黏着调控机理尚不清晰,因此本文第一部分运用第一性原理方法研究清洁和钝化界面结构,电学及力学特性。研究结果表明铜/金刚石界面体系因原子间的相互作用表现出特殊的黏着转移现象,直接导致相较于其他软金属而言特殊的摩擦学行为。接下来又系统分析了界面处氟原子和氢原子对其力学特性的影响,氟原子的钝化作用使得界面的分离功大大降低,结合相关动力学研究,理论预测了氟元素对铜/金刚石体系摩擦学性能的改善具有巨大潜力。与此同时,本文第二部分通过制备含氢与无氢类金刚石碳基薄膜,采用实验分析与模拟计算结合的方法研究了不同氢含量碳基薄膜与铜配副的摩擦学特性并讨论氢原子在其调控摩擦界面时所发挥的作用。结果表明摩擦界面结构特性对于类金刚石碳基薄膜/铜配副体系摩擦学性能有非常重要的影响,氢原子可以通过减小摩擦副之间的黏着从而起到调控摩擦界面的作用。通过向DLC中掺杂氢等钝化元素可有效调控界面处的相互作用从而调控体系摩擦学行为。以上结论对从原子尺度到宏观尺度下理解铜/金刚石体系的摩擦学行为提供借鉴,并且促进了类金刚石碳基薄膜在工程领域的应用。
[硕士论文] 许永坤
船舶与海洋工程 集美大学 2018(学位年度)
摘要:用海水来代替润滑油一方面成本低廉、循环利用、安全可靠,另一方面可以避免润滑油泄露带来的污染。这使得海水成为最具前景的润滑介质。聚合物基复合材料由于具有比重小、强度高、耐腐蚀等优良的特性正逐步代替一些金属材料制造运动部件,获得了越来越广泛的应用。本文研究了聚苯硫醚及聚醚醚酮基复合材料在海水润滑条件下的摩擦磨损和界面的摩擦腐蚀特性,为聚合物基复合材料在水利水电、航运、海洋作业机械以及如何提高服役寿命等方面的应用提供了重要的理论和实验依据。
  论文的主要工作和研究结论如下:
  采用MRH-3型摩擦试验机,对偶全浸泡在海水中,考察了聚苯硫醚复合材料的摩擦磨损性能,综合分析了载荷对聚苯硫醚基复合材料摩擦磨损性能的影响。研究结果表明,50 N-200N的载荷下,向PPS基体材料添加BN或SiC纳米颗粒显著提高复合材料的摩擦学性能。相比于BN纳米颗粒,SiC纳米颗粒的添加帮助PPS复合材料具有更低的摩擦系数和更好的耐磨损性能。添加Si3N4纳米颗粒对载荷为50 N和100 N条件下的PPS复合材料的摩擦学性能在起着消极的作用。相反,在载荷为200N的条件下Si3N4纳米颗粒大大降低了PPS的摩擦磨损。当聚合物的纳米颗粒被释放到摩擦界面时,摩擦化学产物(例如二氧化硅凝胶)会分布在摩擦膜中并起到润滑作用。我们认为水解产物不仅可以提高摩擦膜的承载能力并且具有良好的边界润滑效果。
  采用MFT-EC-4000往复摩擦腐蚀试验机,对偶全浸泡在海水中,考察了聚醚醚酮基复合材料的摩擦腐蚀特性。研究结果表明,采用h-BN纳米粒子和SCF增强PEEK可以有效的提高其耐磨性能。在不同的电化学摩擦环境下,相比于PEEK/SCF,PEEK/S CF/h-BN与不锈钢发生滑动时表现出更加优异的耐摩擦腐蚀性能。证明了h-BN的水解反应,并在钢表面上的形成的边界膜中发现反应产物(H3BO3和B2O3)的存在。具有层状结构的H3BO3和B2O3可以增强钢表面转移膜的弹性从而抵抗摩擦过程中的切向应力。因此,钢表面形成具有承载能力的边界膜覆盖对于摩擦对偶间的边界润滑和强化不锈钢表面的钝化具有及其重要的作用。
[硕士论文] 林梦杰
机械设计及理论 集美大学 2018(学位年度)
摘要:较之四杆机构,脱胎于Stephenson运动链的Stephenson六杆机构能实现更复杂的运动规律、运动轨迹和刚体导引。但不能实现任意运动规律、运动轨迹和刚体导引。作为演化构型——Stephenson型固定凸轮-连杆组合机构,能够实现任意的运动规律、运动轨迹和刚体导引。
  本文选取Stephenson型固定凸轮-连杆组合机构为研究对象,开展并完成如下具体工作:
  (1)基于运动特征、结构布局进行机构型式分类,分析机构的形态构成、工作原理和基本尺寸参数,提出机构的纵向、横向和整体尺寸,归纳概括出机构尺寸综合问题的准确描述。
  (2)机构的性能分析设计首先需要解决机构的性能评价问题。性能评价指标应具有明确物理意义和可计算性。提出具有普适性的六项性能条件/评价指标,给出一整套解析公式判据,为解决尺寸综合问题奠定重要理论基础。
  (3)针对Stephenson型固定凸轮-连杆组合机构,提出“转化机构法”,引入驱动、从动尺寸参数的概念,进行驱动/从动尺寸参数组配划分。提出尺寸综合基本思路与步骤,即各项性能评价指标的作用路线、顺序和机制,为系统解决机构尺寸综合问题打通了科学合理路径。
  (4)以前述性能评价与尺寸综合理论为坚实基础,通过采用Visual Basic6.0语言环境,研究提出适合于该编程环境的评价指标/性能条件的一整套解析公式和判据,完成Stephenson型固定凸轮-连杆组合机构性能评价与尺寸综合可视化软件开发。
  通过对尺寸综合理论与方法的深入研究,发现和揭示机构第一/第二驱动尺寸参数与从动尺寸参数间相互依存,相互嵌套的耦合关系,将性能评价体系与尺寸综合理论有机结合,构建一套系统完备、通用有效的Stephenson型固定凸轮-连杆组合机构性能评价与尺寸综合理论体系。
[硕士论文] 金瑞婕
概率论与数理统计 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随机机械系统的稳定性是动力学特性研究里很重要的一部分,可以借助数学模型来分析它维持稳定的条件.本文以随机激励下的机械系统作为主要研究对象,分析了这类系统的稳定性及分岔.即是针对含参数的机械系统的阻尼优化问题、转子运行的稳定性以及齿轮传动系统的分岔特性进行了研究.由于所研究的系统连接结构的复杂性,自身材质的不均质性,以及受到其他随机因素的影响,最终导致系统的不确定性,因此运用非线性随机动力学理论对含随机的机械系统的动力学行为进行了详细的研究,主要内容如下:
  1.详述了含随机的机械系统在国内外研究进展,以及本文所研究的目的,然后叙述了非线性随机动力学理论的基本内容,包括随机平均原理,最大Lyapunov指数法,边界理论的具体概念和主要内容.
  2.研究了一个含参数的机械系统在阻尼优化问题中的稳定性及Hopf分岔,运用随机非线性动力学拟不可积Hamilton系统理论,将系统渐进收敛于一个一维It(o)微分方程,通过计算出最大Lyapunov指数,根据其特性分析局部稳定性,然后通过It(o)随机微分方程的奇异边界理论,对系统的全局稳定性进行了分析,最后得到平稳概率密度函数和联合概率密度函数,通过数值模拟,得到系统由稳定到发生Hopf分岔的过程.
  3.研究了一个四维转子系统的随机稳定性及Hopf分岔,通过运用拟不可积Hamilton系统理论对四维随机非线性系统进行分析,将其通过随机平均原理,依概率1弱收敛于一个一维随机扩散过程.但是在计算漂移扩散指数的时候,为了降低计算复杂程度,避免计算多重积分,引入了极坐标变换,得到It(o)随机微分方程.然后分析局部稳定性及全局稳定性,通过进行数值仿真,得到系统由稳定到发生Hopf分岔的过程.
  4.研究了一个具有随机扰动的传动系统的稳定性及Hopf分岔,将系统受到的内部因素与外部随机影响皆用Guass白噪声代替.通过随机平均原理,将拟不可积的Hamilton系统收敛于一个一维It(o)随机扩散过程,通过计算出最大Lyapunov指数,用其与零的关系得到系统局部稳定的条件.然后通过FPK方程之解,即平稳概率密度函数图像来模拟系统发生Hopf分岔的概率.
[硕士论文] 张涛
机械工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:摩擦学是研究相对运动表面间的摩擦、磨损和润滑的科学技术。减轻摩擦,降低磨损一直是一个永恒而重要的研究课题。从19世纪50年代起,二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)就作为润滑油的主要抗磨剂使用至今,然而它会降低汽车尾气催化剂的寿命,释放含磷、硫等有害物质,因此找到一种新型、“绿色”润滑油抗磨剂来代替或部分代替ZDDP具有重要的研究意义。人工合成纳米羟基硅酸镁(MSH)纳米材料具有独特的层状结构,其作为润滑油添加剂具有优异的摩擦学性能,本文将研究人工合成MSH与ZDDP的协同摩擦学性能。
  首先利用高温高压水热合成法,设置反应温度200℃、转速450r/min、反应时间12h,制得羟基硅酸镁纳米粉体,并借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线荧光衍射(XRD)对其形貌,结构等进行表征。
  其次,研究了不同试验条件下MSH纳米粉体作为润滑油添加剂的摩擦学性能。通过静置沉淀法研究了不同分散剂条件下,纳米粉体在基础油PAO10中的分散性能;利用四球摩擦磨损试验机进行摩擦学试验,筛选出使MSH具有最优分散性能及摩擦学性能的分散剂类型。在此基础上,探讨了分散剂添加量、纳米粉体添加量对MSH摩擦学性能的影响和不同载荷、转速条件下纳米粉体的摩擦学性能。
  最后,对传统抗磨添加剂ZDDP进行摩擦学性能测试,并在特定工况下与MSH纳米粉体添加剂的减摩抗磨效果进行对比。并且将ZDDP与MSH纳米粉体进行复配,对其在PAO10基础油中的协同摩擦学性能进行试验,分别探讨了复配过程中ZDDP添加量以及分散剂添加量对其协同摩擦学性能的影响。借助SEM、X射线能谱仪(EDS)等手段对磨损表面进行形貌及元素分析,初步探究其抗磨机理。
  试验结果表明,不同类型分散剂对MSH纳米粉体在PAO10中的分散性能及摩擦学性能有重要的影响,通过分散剂对纳米粉体表面进行改性,可以显著改善其分散性能,并且在摩擦过程中,显著提高摩擦稳定性,降低磨损;随着分散剂添加量的增多,MSH作为润滑油添加剂对应磨斑直径值先减小后增大;MSH纳米粉体添加量的改变对磨斑大小没有显著的影响,并且其在高速高载、高速低载、中速高载的工况下具有较优的抗磨效果;与ZDDP相比,纳米粉体及Span80在基础油PAO10中的摩擦系数较小且稳定性提高,磨损量降低;ZDDP与MSH纳米粉体具有优异的复配减磨抗磨性能,磨损表面相对更加平整、光滑,并且生成了一层含有Fe、C、O、Mg、Si、P、S、Zn等元素的减摩抗磨膜。
[硕士论文] 丘佩邕
机械工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:机构在运转的过程中,惯性力或者惯性力矩的存在会对机架或者机构本身造成不平衡的力或力矩,从而对机架或机构的动力性能、使用寿命等带来不利的影响。区别于配重法、附加机构法等传统被动平衡的方法,引入控制输入的主动平衡方法可以实现对机构的动力性能的柔性调节。基于前期对主动平衡方法及主动平衡器的研究,本文以齿轮动力学相关理论为基础,针对主动平衡器本身的动态特性进行理论和实验研究。主要研究内容包括:
  1、基于单对齿轮啮合的弹簧阻尼等效模型,针对主动平衡器,进行了振动激励机理的研究。通过对啮合刚度、误差等主要动态激励因素的分析,采用集中参数法,建立了主动平衡器的平移-扭转耦合振动分析模型,结合各构件动力学平衡方程,建立了主动平衡器的振动微分方程组。
  2、基于所建立的振动微分方程,研究了主动平衡器在自由振动情况下的固有特性及振动模态;进而,采用Newmark法对振动微分方程进行求解,得到了主动平衡器的动态响应。
  3、基于灵敏度分析的方法,研究了齿轮间的啮合刚度、构件质量和误差等结构参数对主动平衡器的固有特性和动态响应的影响,提出了主动平衡器的结构改进方案。
  4、将刚体动力学与弹性振动相结合,研究了时变输入参数对主动平衡器动态响应的影响;进一步,考虑主动平衡器自身的振动,建立了主动平衡系统的振动模型,通过算例证明了主动平衡器对待平衡机构的柔性调节作用。
  5、基于主动平衡器实验台,进行了实验方案的设计和相应的实验研究。通过实验验证了所提出的结构改进方案的有效性,以及主动平衡器对待平衡机构的动力性能的柔性调节作用。
[硕士论文] 张瑞
机械工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:在旋转机械中,转子系统常出现碰摩与松动故障,故碰摩与松动影响着转子系统运行的平稳性。油膜力、碰摩力、松动都表现出非线性特征,使转子系统也具有一定的非线性。在系统中,参数的变化会引起转子系统动力学行为的改变,因此研究参数的变化了对转子系统的动力学行为影响具有重要的意义。本文主要以基础松动为基础,研究了转子系统的动力学特性。
  本文首先研究了碰摩力作用下一端松动的转子系统模型,列出系统的动力学微分方程并对方程进行无量纲化,通过数值模拟与仿真,深入研究分析转子系统的动力学行为。文中基于基准参数的基础上,选取可变参数,绘制系统的分岔图、轴心轨迹图、Poincaré截面映射图等图,研究与分析系统的动力学参数对系统的动力学特性的影响,得出系统的刚度比K、阻尼系数ξ1、摩擦系数f、质量比μm的变化对松动转子系统的动力学特性产生较大的影响。研究分析表明:(1)随着刚度比的增大,系统的稳定性逐渐降低;(2)随着阻尼系数值的增大,系统的稳定性逐渐提高;(3)当摩擦系数适中时,系统处于周期运动状态,当摩擦系数较大或较小时,系统的稳定性逐渐降低;(4)当质量比小时,转子系统在中等转速范围出现混沌运动,增大质量比的值,混沌运动区域扩散且范围较大,进一步增大质量比,混沌运动区域有所减少。
  其次,对油膜力作用下两端松动转子模型的动力学行为进行了研究分析,列出系统的动力学微分方程并对方程进行无量纲化,通过数值模拟与仿真,深入研究分析转子系统的动力学行为。文中基于基准参数的基础上,选取可变参数,绘制系统的分岔图、轴心轨迹图、Poincaré截面映射图等图,研究与分析系统的动力学参数对系统的动力学特性的影响,得出系统的刚度比K、质量比um、偏心量U、轴承端阻尼系数ξ2等的变化对松动转子系统的动力学特性产生较大的影响。各参数对系统的影响规律可大致总结为:(1)随着系统的刚度比K、质量比um、偏心量U值的逐渐增大,系统的混沌运动区域逐渐增加,系统的稳定性逐渐降低;(2)当轴承端阻尼系数较小时,转子系统的混沌运动区域较大,系统处于不稳定状态,随后增大阻尼系数,混沌运动区域逐渐减少,系统运动的稳定性有所提高。
[硕士论文] 衡东领
机械设计及理论 广西大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,变胞机构发展成为机构学中一个新兴的研究方向,因其能够在不同工作环境和不同功能需求情况下进行自我重构,以实现机构的空间结构变形,进而备受众多研究工作者的关注。
  本文以一种能够在三自由度、两自由度和单自由度构态间进行灵活变换的新型三构态变胞机构为研究对象。首先,基于图论法对三活动度十连杆机构进行数综合,通过对所得构型进行筛选,选定其中一构型作为原始构型,并通过杆件的增减和运动副的缺失进行构型变换,设计出一种新型三构态变胞机构。通过运用旋量法对变胞机构各构态的自由度进行计算,并对此变胞机构进行尺度综合,分析得到机构系统各杆件间的约束关系,之后建立该变胞机构的三维模型。
  然后,运用闭环矢量法对变胞机构各构态输出端的位置、速度和加速度的正、逆解进行分析计算,通过雅克比矩阵对变胞机构各构态进行奇异位形分析,又结合隐函数存在定理求解出该变胞机构工作空间边界条件。通过数值仿真验证了以上求解结果的正确性,并根据机构的奇异位形和边界条件仿真得到该变胞机构各构态的有效工作空间。
  接着,依据各杆件质心位置和质心速度表达式,计算出机构各杆件的动能和势能,通过求和得到新型三构态变胞机构的动能和势能,运用Lagrange法构建变胞机构的刚体动力学方程,对其求解得到其解析解并运用Matlab软件进行仿真分析。
  最后,在求解出梁单元体质量矩阵和刚度矩阵的条件下,建立起此变胞机构各构态的有限元模型,并通过机构系统中各梁单元体质量矩阵和刚度矩阵分别求和来获得此变胞机构各构态系统的质量矩阵和刚度矩阵。再运用有限元法进行弹性动力学建模,通过纽马克(Newmark)法求解弹性动力学方程,并利用Matlab进行数值仿真分析。
  通过以上对该新型三构态变胞机构在运动学、动力学等方面的研究,为其在工程实践方面的应用打下坚实的理论基础。
[硕士论文] 张立新
材料工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:固体-液体复合润滑技术是通过利用固体润滑材料与液体润滑材料间的协同效应,来提高润滑效果,改善极端工况下材料摩擦磨损的一种重要手段。目前,润滑油添加剂的设计都是基于与金属表面的相互作用,与碳基薄膜不匹配,且多为硫磷化合物污染环境。因此设计合成不含硫磷基团,同时又能与碳基薄膜有良好匹配性的环境友好型添加剂成为解决碳基薄膜固-液复合润滑系统的关键问题。利用金属纳米微粒既可以与碳基薄膜产生强的物化作用以及可与金属形成紧密结合的特性;采用无硫磷基团修饰的金属纳米微粒作为碳基薄膜固-液复合润滑系统的添加剂具有巨大潜力。为研发针对碳基薄膜固-液复合润滑体系的环境友好型添加剂提供一条新途径,为金属纳米微粒对碳基薄膜固-液复合润滑体系润滑、磨损机制的研究提供有效的理论依据。主要研究结果如下:
  (1)利用NP-V纳米粉体宏量生产设备制备出具有球形度高、颗粒之间单分散、无团聚的金属Cu纳米微粒,并将金属Cu纳米颗粒添加至基础油PAO6获得稳定分散的纳米润滑剂。
  (2) Cu纳米微粒作为基础油添加剂在钢/钢、钢/DLC和钢/WC-DLC配副体系中均体现出优异的摩擦学性能,特别是在碳基薄膜固-液复合润滑体系中表现良好的协同润滑效应,摩擦磨损显著降低,摩擦系数降低8.7%~32.6%,磨损率降低幅度达75.9%~83.7%。
  (3)钢/钢配副体系中Cu纳米颗粒添加剂通过物理吸附层和“微轴承”机制;金属Cu纳米微粒在钢/DLC、钢WC-DLC配副作用机制主要依赖于纳米微粒的纳米轴承和纳米填充等物理效应,与Cu纳米微粒的剪切成膜关联不大。其中,金属Cu纳米微粒与碳基薄膜表面的抛光行为是纳米微粒的纳米轴承机制得以充分发挥的关键。
  (4)通过表面活性剂改善Cu纳米微粒的分散稳定性以及与碳基薄膜固体润滑材料的匹配性,能进一步改善Cu纳米微粒与碳基薄膜的协同润滑作用。油酸复合Cu纳米微粒在钢/DLC、钢/WC-DLC配副体系协同润滑性能最佳,能够显著降低摩擦副磨损率,分别降低88.9%和97.1%。酯类化合物在摩擦过程中发生摩擦化学反应生成的金属皂化反应层具有更强的抵抗磨损的能力,因此钢/DLC配副、钢/WC-DLC配副在酯类化合物复合Cu纳米微粒油中均具有较低磨损,而酯类化合物在WC-DLC表面的强吸附作用使得钢/WC-DLC配副在油酸化合物复合Cu纳米微粒表现出更低磨损率。
[硕士论文] 刘江涛
机械制造及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:冲击振动与摩擦振动不仅大大缩短了机械系统的使用寿命,降低系统稳定性和工作效率,而且造成严重的噪声污染。深入研究摩擦力作用下的碰撞振动系统的动力学特性,对实现各机械系统的动力学响应分析与稳定性控制,以及参数的工程优化,具有重要的理论意义和工程实用价值。
  在单自由度系统的基础上,综合考虑系统摩擦环境、支撑条件、限位边界条件等因素,且将Dankowicz和LuGre两类动摩擦模型作为摩擦来源,分别建立了两自由度含摩擦对碰振动系统以及两自由度含摩擦双侧约束系统。对系统方程进行无量纲处理,借助R-K算法对系统进行数值求解。通过系统相图、时间历程图、分岔图以及滑移分岔图等数值仿真结果,对系统动力学分岔演化、粘-滑以及颤碰振动进行了探究;通过分析双参平面内的参数域分布,研究了关键参数对系统粘-滑、颤碰振动的影响。主要内容如下:
  针对所建立的含动摩擦两自由度对碰振动系统,分别将Dankowicz和LuGre两类动摩擦模型作为系统的摩擦来源,分析了系统的运动状态,且在给定系统参数下,通过数值仿真分析系统的非线性动力学行为以及振动特性。研究发现:动摩擦力作用下,系统低频区为粘-滑振动与颤碰振动发生的主要区域,为波纹状分岔结构,颤碰次数与波纹条数相对应,存在幅值跳跃以及周期性分岔行为、且均存在完全颤碰振动与不完全颤碰振动。随着激振频率的增大,系统粘-滑振动逐渐减弱,完全颤碰振动弱化为不完全颤碰振动,且逐渐转变为中频区的单次碰撞振动;中频区域通常为稳定的无粘-滑、无颤碰的单次碰撞振动区,存在幅值跳跃现象;高频振动区,系统无粘-滑、颤碰振动行为,系统存在Hopf分岔、周期倍化与退化分岔、幅值跳跃、阵发性混沌、周期泡等丰富的动力学分岔演化形式。碰撞冲击导致系统运行速度发生跃迁,摩擦力突变,且粘滞振动状态下,系统动态平衡。系统全局由穿越滑移轨线与粘滞振动带转换引发穿越滑移分岔、切换滑移分岔、擦边滑移分岔以及多滑移分岔。选定参数平面内,系统粘-滑振动与颤碰振动随着参数的变化产生振动区域的增减;但系统粘-滑、颤碰振动对于不同的系统参数存在不同强弱的敏感性。特定参数条件下,相邻振动区域之间存在交叉振动区,使得系统振动复杂且敏感。
  针对考虑双侧刚性约束的含动摩擦两自由度碰撞振动系统,研究Dankowicz和LuGre两类动摩擦作用下系统的非线性动力学分岔行为以及颤碰、粘-滑振动特性。研究表明:激振频率控制下的系统分岔行为存在同样的区域分割特性;两侧刚性约束处均存在完全颤碰振动;系统粘-滑、颤碰振动对于不同的系统参数同样存在不同强弱的敏感性,且同样存在交叉振动行为。
[硕士论文] 贾永皓
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:并联机构具有累积误差小、承载能力强、精度高等特点,在众多领域得到广泛应用。目前,并联机构向着轻质、高速、高精度等方向发展,而机构中的轻质柔性构件产生的弹性变形和间隙运动副处各副元素产生的冲击碰撞会对并联机构的动力学特性产生影响。因此,对同时考虑运动副间隙和构件柔性的空间并联机构进行动力学分析具有重要意义。本文以空间五自由度4-UPS/RPS并联机构作为研究对象,建立了考虑运动副间隙和构件柔性的动力学模型,对其动力学响应和非线性特性分析进行了系统的研究。论文主要研究内容如下:
  首先,建立了空间球面副间隙运动学模型,结合L-N连续接触力模型和改进的库伦摩擦力模型,推导出含球面副间隙的并联机构刚体动力学模型。运用拉格朗日方程建立了并联机构的弹性动力学模型,把间隙模型嵌入到弹性动力学模型中,得到考虑运动副间隙和构件柔性的空间并联机构动力学模型。
  其次,基于上述建立的动力学模型,采用龙格库塔和Newmark积分法对考虑运动副间隙和构件柔性的空间并联机构动力学方程进行求解。分析对比了不同轨迹、不同间隙值、不同摩擦系数和柔性构件对动平台位移、速度、加速度及碰撞力的影响,并对空间并联机构的驱动杆进行了动应力分析。
  最后,根据非线性动力学理论,基于动力学方程的数值解,通过相轨迹图、Poincare映射、最大Lyapunov指数等多种方法对考虑运动副间隙和构件柔性的空间并联机构进行了混沌特性分析,并研究了间隙大小对空间并联机构的影响。利用分岔图分析了间隙大小对空间并联机构非线性特性的影响。
[硕士论文] 饶舜禹
机械工程 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:本文针对柱形内表面研磨加工的特点,设计了一类对称式并联机构。该类机构的两侧均包含一个并联机构,且任意一侧机构即可完成整个机构的自由度运动形式。在整个机构运动过程中,一侧机构为主动机构,驱动机构动平台沿预定轨迹运动;另一侧机构为从动机构,处于随动状态,为机构动平台提供所需支撑力。本文所提出机构的机构特点决定了此类机构为冗余并联机构,通过冗余驱动的引入,可以降低各驱动瞬时驱动力,同时提高机构承载能力以及刚度、精度等性能。两侧机构通过转动副与末端执行器进行连接,使末端执行器可以实现预定的轨迹,同时使机构具有较高的静刚度特性,从而保证机构具有较高精度地完成加工任务。
  首先,本文基于螺旋理论综合出了20种平面对称式并联机构和12种空间对称式并联机构,结合应用情况和运动支链的形式从中选择了新型Double机构作为后续研究对象。
  其次,对新型Double并联机构建立了运动学数学模型,完成了机构的位置求解,得到了机构的雅可比矩阵,并对机构的工作空间特性进行了研究。针对机构的奇异性和静刚度进行了性能评价。同时,对可能产生的杆长误差和驱动误差以及其所对机构产生的影响进行分析研究。
  然后,对新型Double并联机构进行了动力学分析,得到了机构的各个驱动力矩。并且对比了与由单独一侧机构驱动运动时机构各个驱动关节力矩的数值大小。运用ADAMS动力学仿真软件,将机构运动时力矩值的仿真结果和理论计算结果进行验证。分析了机构在几种工作模式下各个驱动力矩的大小,结果对机构在不同模式下的驱动配置方式提供了理论依据。并基于增大工作空间中间截面面积和增强静刚度的优化目标,对机构的结构参数进行优化设计,得到最优解,实现优化目标。
  最后,基于以上理论与结果对新型Double并联机构进行了虚拟仿真建模。利用ADAMS软件和MATLAB软件对机构的误差补偿运动进行联合仿真。在机构的整体运动工作空间内,基于明确的工作模式对机构的末端操作器的轨迹进行规划。仿真结果进一步验证了机构的运动性能,达到了设计要求。
[硕士论文] 宋浩
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:锻压生产工艺具有效率高、质量好和成本低等特点,在工业生产中占有重要地位。多连杆机械压力机作为重要的锻压设备,与普通曲柄滑块机构相比,在工件塑性变形区具有较低的速度,可防止工件产生裂纹,降低振动和噪声,提高模具使用寿命,在电器、五金、汽车、交通及军工等行业应用广泛。本论文以新型多连杆机械压力机机构为研究对象,对其运动学、动态静力学、刚体动力学和弹性动力学进行了系统研究。主要研究内容如下:
  首先,对多连杆机械压力机机构进行运动学建模。描述六连杆机械压力机机构的结构特征,运用复数矢量法建立机构的运动学模型,推导出滑块的运动学表达式。通过Matlab和Adams软件对运动学进行数值计算和虚拟样机仿真分析,验证运动学模型的正确性。以工作段内滑块最大速度及波动量最小为设计目标,建立了机构的优化模型,利用遗传算法对压力机机构进行尺度优化。
  其次,对多连杆机械压力机机构进行动态静力学建模。分析机构中各构件受力状况,采用达朗贝尔原理建立机构的动态静力学模型。运用Matlab对动态静力学方程进行数值求解,运用Adams软件对机构进行仿真分析,得出压力机机构在空载及加载条件下的运动副约束反力曲线和曲柄的平衡力矩曲线,通过对比数值计算和仿真分析结果,验证动态静力学模型的正确性。
  然后,对多连杆机械压力机机构进行刚体动力学建模。选取曲柄角位移为广义坐标,列出机构的动能、势能及广义力表达式,运用Lagrange方程建立机构的刚体动力学模型。运用Matlab对模型进行数值求解,利用Adams对机构进行虚拟样机仿真分析,求得曲柄在空载及加载条件下的驱动力矩曲线,通过对比数值计算和仿真分析结果,验证刚体动力学模型的正确性。
  最后,对多连杆机械压力机机构进行弹性动力学建模。采用有限元法将柔性连杆划分梁单元,设置单元广义坐标,基于Lagrange方程,建立单元的弹性动力学模型。根据约束条件,将各单元弹性动力学方程装配成系统的弹性动力学方程。采用Newmark积分法对方程进行求解,并对系统的运动学误差、弹性连杆变形量及固有频率等进行分析。
[硕士论文] 王栋
机械制造及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:动摩擦广泛存在于各种机械以及工程结构中,尤其在系统的两物体间的相对速度较低时,表现出强烈的非线性行为。本文针对含LuGre动摩擦、改进LuGre动摩擦的两自由度振动系统以及含LuGre动摩擦的两自由度刚性碰撞系统,通过数值仿真,分析了系统参数对系统动力学行为的影响、系统的粘滑特性以及相对速度与动摩擦力之间的关系,并用最大Lyapunov指数对系统稳定性进行判定。具体研究内容为:
  首先对含LuGre动摩擦、改进LuGre动摩擦的两自由度振动系统进行建模,得到系统的状态方程,利用频闪法建立系统的Poincaré映射,借助系统的分岔图、Poincaré映射图,数值仿真分析了带速对系统动力学行为的影响。结果表明,在一定参数下,两种系统中出现了倍周期分岔、Hopf分岔、周期泡和混沌泡等丰富的分岔和混沌特性。同时,两系统都普遍存在粘着运动,并且质块以大于带速的速度进入粘着运动。在分析相对速度与动摩擦力的关系时发现,在相对速度为零附近,摩擦力表现出下垂特性,质块所受的最大正向摩擦力小于最大静摩擦力,在同一组参数下,带速的不同会影响到负向摩擦力的出现。在含LuGre动摩擦的两自由度振动系统中,出现了逆时针迟滞环的现象;而在含改进LuGre动摩擦的两自由度振动系统中,出现了改进LuGre动摩擦所特有的顺时针迟滞环以及逆时针和顺时针迟滞环共存的现象。
  接着对含LuGre动摩擦的刚性碰撞系统,建立了刚性碰撞的Poincaré映射,通过系统的分岔图、Poincaré映射图、相图和时间历程图,分析了随带速和质量比的变化,系统动力学特性的变化。结果表明,在一定参数下,系统出现了倍周期分岔、周期泡等丰富的分岔行为。当带速处于中速和质量比小于0.5时,碰撞质块在刚性碰撞前发生粘着运动,并以粘着运动发生碰撞。在质量比较大时,系统发生颤振运动。在分析相对速度与动摩擦力的关系时发现,在相对速度为零附近,摩擦力都表现出下垂特性,随着相对速度正向或负向越大,摩擦力越小。由于刚性碰撞的影响,在带速和质量比变化时,出现了质块受到的最大正向和负向摩擦力都大于最大静摩擦力的情形,并且出现了逆时针迟滞环的现象。
[硕士论文] 李林泽
轮机工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:往复式压缩机具有效率高、结构紧凑、压力大的优点,广泛应用于船舶行业。由于往复式空压机的工作特点,使得该类设备振动噪声大,因此,近年来设备振动噪声预测已成为低噪声往复式空压机的研究难点,准确掌握振源及其影响因素是低噪声设计的关键。以往关于往复式空压机动力学分析中为简化计算,假设转速恒定且忽略活塞与缸套间油膜作用力,与实际工作情况存在偏差。为此本文以级联式空压机为研究对象,探求波动转速及活塞润滑特性对空压机振动影响研究。主要工作有:
  建立曲轴—连杆—活塞机构的动力学模型,通过实测空压机转速,将波动转速引入动力学分析模型,得到波动转速下运动部件受力,如往复惯性力、曲柄销切向力及倾覆力矩等,并与恒定转速下的受力进行对比。
  建立了含有兰彻斯特机构的轴系扭振模型,计算轴系自由振动,并与实测的轴系扭振固有频率进行对比,验证模型的准确性。将波动转速及恒定转速下曲柄连杆受力作为扭振激励,分别计算空压机轴系的强迫振动,通过与实测数据对比验证仿真的正确性,得到波动转速对轴系扭振计算的影响规律。
  建立活塞动力学与摩擦学耦合的数学模型,联立求解雷诺方程与牛顿力学方程,采用迭代方法求解活塞润滑油膜压力,并得到活塞实际在缸套内的运动姿态,进而得到润滑油膜对缸套的激励力特性,并与侧推力进行对比。
  利用ANSYS软件建立往复式空压机有限元模型,通过与实测模态对比,修正边界条件,保证有限元模型的正确性。分别考虑激励源是否包含活塞油膜作用力的两种情况,开展有限元模型的谐响应分析,并均与实测振动响应进行对比,验证计算正确性并分析引入活塞润滑特性对机体振动响应计算的影响。
[硕士论文] 董梦诗
机械电子工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:高速旋转机械在其工作过程中会产生振动,尤其在跨越共振区时振动更为激烈。强烈的机械振动会使零部件产生故障,降低机器工作寿命,因而对系统减振分析十分必要。磁流变液(Magnetorheological Fluid,MRF)是一种由微米级铁磁性颗粒悬浮于载液中的新型智能材料。MRF在外加磁场作用下可迅速形成链状结构而产生磁流变效应。磁场作用下MRF的表观粘度可以产生数个数量级的可控变化,将其应用到阻尼器中能够实现对阻尼器刚度、阻尼值的变化控制。将该阻尼器应用到转子系统中可大幅度降低系统的振动加速度,保证了跨越共振区时的安全稳定性。
  本文对MRF阻尼器及减振原理进行了理论分析。根据相同磁场强度下挤压模式可提供更高屈服强度的特点,确定了MRF阻尼器的工作模式为挤压模式。分析了转子系统正常运行的工作条件,得出阻尼器刚度、阻尼的表达式;利用MATLAB对系统状态进行数值求解,分析得出转子系统固有频率主要受支承刚度的影响,而转子振动幅值则主要受支承阻尼的影响。
  测试并分析了MRF性能,确定了挤压式MRF阻尼器的结构。以羰基铁粉、二甲基硅油作为主要成分制备了MRF。利用流变仪对MRF的体积分数、通电电流、剪切速率等相关参数进行性能分析,得出:MRF的应力均随着体积分数、外加电流及剪切速率的增加而增加。结合MRF性能及转子系统的工作状态确定了挤压式MRF阻尼器的整体结构,并利用ANSYS/Workbench对其关键结构-弹性杆进行仿真分析,结果显示其强度满足设计要求。对挤压式MRF阻尼器磁路进行了设计和理论分析,并利用有限元软件分析得出阻尼器内部的磁感线及磁感应强度分布情况,结果表明仿真结果与理论设计相一致。
  搭建了转子振动控制实验台并对减振性能进行了测试分析,确定了振动控制方案。实验过程分别将MRF的体积分数及磁场强度作为变量,对转子系统的振动加速度进行测试与分析,结果表明:系统的加速度衰减率均随着体积分数与励磁电流的增加而增加。基于以上分析确定了转子系统的振动控制方案并进行了实际测试和分析。相比于未加入MRF时的测试结果,该方案的实施可使转子系统的加速度衰减率达到41.6%,且可平稳跨越转子共振区,实现较好的减振效果。
[硕士论文] 高文花
机械电子工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:并联机构由于具有刚度大、精度高、承载能力强、可灵活实现空间姿态等优点在航天模拟器、并联机器人操作器、加工机械、食品包装以及医学领域等得到了广泛的应用。球面副是空间并联机构中比较常见的运动副之一,由于制造与装配等因素,球面副中普遍存在间隙,球面副间隙会导致间隙处球面副元素之间的接触碰撞,造成机构的振动与噪声,恶化机构的动力学性能,因此有必要对含球面副间隙的空间并联机构动力学特性进行研究。本文以4-UPS-RPU空间并联机构为研究对象,对含球面副间隙空间并联机构的动力学建模及动力学行为分析进行了系统的研究。主要研究内容如下:
  首先,建立了含球面副间隙4-UPS-RPU空间并联机构的运动学模型,基于球面副间隙的几何关系建立了间隙球面副的运动学模型,分别采用Lankarani-Nikravesh接触碰撞力模型和修正的Coulomb摩擦力模型,建立了法向与切向接触力模型,将间隙球面副之间的接触力嵌入到理想球面副并联机构的动力学模型,得到了含球面副间隙空间并联机构的动力学模型。
  然后,基于龙格库塔法对含球面副间隙空间并联机构动力学方程进行了求解,分析了不同轨迹和不同球面副间隙值对动平台质心点的位移、速度、加速度以及接触力的影响。研究了不同间隙值对中心轨迹以及嵌入深度的影响,并且利用相轨迹、Poincare映射和Lyapunov指数等对含球面副间隙并联机构混沌特性进行定性与定量的分析。
  最后,阐述了磨损的基本理论,对比分析了Archard磨损模型和Reye’s hypothesis磨损模型,并且基于Archard磨损模型,分别从滑移距离和接触速度的角度建立了含间隙球面副三维磨损深度的模型,对比分析了不同间隙值下含球面副间隙空间并联机构的三维磨损特性,为含球面副间隙并联机构磨损的研究奠定了基础。
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