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[博士论文] 何俊
机械制造及其自动化 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会对产能需求的增大以及科技水平的进步,机械设备正朝着高速、高效、高精度方向发展。齿轮箱作为机械设备中用于连接和传递动力的关键部件,一旦发生故障将直接影响设备的安全可靠运行。因此,开展齿轮箱故障诊断技术研究,准确地识别出故障模式,对保障机械系统安全可靠运行,避免重大事故的发生具有非常重要的意义。本文以齿轮箱为研究对象,围绕着其在智能故障诊断领域中的几项关键问题:故障特征提取、故障特征评价与选择、故障诊断模型训练以及多传感器信息融合展开了深入的研究,主要内容包括以下四个方面:
  (1)滚动轴承振动信号的故障特征提取方法研究:针对滚动轴承振动信号表现出的强非平稳性以及故障特征不明显的现象,提出了一种基于同步压缩小波变换和非负矩阵分解的滚动轴承振动信号特征提取新方法;利用同步压缩小波变换对滚动轴承振动信号进行时频分析,提取出能够表征滚动轴承不同故障状态的特征空间;针对时频分析后存在的轻微模式混叠及维度过高的问题,利用非负矩阵分解对特征空间进行精简和优化,获取维度适中且对各种故障模式敏感程度较高的特征集;实验分析结果验证了本文方法的有效性。
  (2)基于深度置信网络的非监督式智能故障诊断方法研究:分析了基于监督式特征学习机制的传统智能诊断方法在对机械结构进行故障诊断时所存在的问题;提出了一种基于深度置信网络的非监督式智能故障诊断方法,实现了对齿轮箱内部滚动轴承多种不同类型故障的准确识别;研究了深度置信网络的自适应特征学习能力以及模型参数变化和样本数目变化对其性能的影响情况;实验分析结果表明,相比起传统的智能诊断方法,本文方法具有更好的分类性能和更强的鲁棒性。
  (3)齿轮故障的振动特性分析方法研究:建立了齿轮传动的简化动力学模型,研究随机激励作用下齿轮振动特性;同时还建立了齿轮故障信号模型,利用仿真信号进行特征提取及诊断模型训练,并将该诊断模型用于识别实测振动信号所对应的齿轮故障状态,准确地识别出了多种齿轮故障,为解决工程实际中存在的故障数据样本缺乏、诊断模型训练不充分这一问题提供了一种全新的思路。
  (4)基于多传感器信息融合的齿轮箱智能故障诊断方法研究:针对基于单传感器的智能诊断方法在对机械系统进行故障诊断时容易出现的诊断信息不完备这一缺陷,以及仅依据单一的评价准则选择出的故障特征可能并非最优这一潜在问题,提出了一种基于多传感器信息融合的齿轮箱智能故障诊断方法;结合能量算子和时域同步平均提取出来自多传感器及多特征域的故障信息;进而结合距离评价函数和最大相关最小冗余筛选出对故障敏感且包含冗余信息较小的故障特征;实验数据分析结果表明,相比起传统的基于单传感器信息的故障诊断方法,本文方法能够更准确地识别出齿轮箱多种故障类型。
[博士论文] 牛乾
机械制造及其自动化 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会的进步、科技的发展、现代工业水平的提高,机械设备日益向大型化、高速化、精密化、系统化及自动化方向发展。为了满足生产要求,机械设备功能越来越复杂,工作环境更加恶劣多变,在长期运行过程中会逐渐老化,剩余寿命会逐步下降,发生故障的潜在可能性逐渐增加。故障一旦发生,不仅造成巨大的经济损失,甚至会导致灾难性的人员伤亡,形成严重的社会影响。重大机械设备如燃气轮机、航空发动机、风力发电机等,都离不开旋转部件。关键机械旋转部件如轴承、齿轮、转轴等的性能状态直接影响着机械设备能否长期安全可靠地运行。某一部件发生故障,都有可能引发一系列的连锁反应,导致整台设备乃至整条生产线的异常运行。
  机械旋转部件在服役过程中会经历由正常到退化直至失效的过程,这期间通常要经过一系列不同的性能退化状态。传统的故障诊断研究多是关注机械旋转部件健康和故障的二值状态,且进行故障诊断时,往往机械部件性能已严重退化。要想尽早地诊断出故障,更需要关注和了解机械旋转部件的性能退化过程。对机械旋转部件性能退化及其寿命预测方法的研究,有助于降低设备使用风险,避免因设备失效引起的灾难性事故,减少不必要的设备维护维修成本,提高设备使用效能,对于提高企业的经济效益和社会效益,促进国民经济的发展具有重要的意义。
  针对传统故障诊断技术通常只对健康和故障二值状态进行分类与识别的不足,本文着眼于机械旋转部件的性能退化过程,以性能退化机理研究为基础,开展了性能退化状态识别与跟踪及寿命预测的相关研究。主要研究内容包括以下四个方面:
  (1)振动-损伤耦合作用下机械旋转部件的性能退化机理研究。建立了机械旋转部件振动-损伤耦合作用下的性能退化模型,基于迭代运算提出了一种耦合模型的近似数值解法。进而以裂纹转子作为实例进行了具体地分析研究。分析了裂纹转子的竞争退化失效准则,建立了性能退化指标,分析了非线性振动行为以及各因素包括转速、不平衡偏心距和偏心角、阻尼系数,对裂纹转子性能退化过程的影响。研究结果表明,当忽略振动-损伤耦合作用会造成错误的性能退化寿命估计。对于裂纹转子,当转速远离共振区时,也可能由于在某些参数族下振动发生分岔而造成性能的快速退化。尽量减小不平衡偏心距和增大阻尼,可以有效地减慢裂纹转子的性能退化速度,延长性能退化寿命。
  (2)基于相空间曲变的机械旋转部件性能退化状态跟踪与识别方法研究。利用机械旋转部件运行具有周期性的特点,提出了一种改进的相空间曲变法。针对原相空间法计算量大和对相近的退化状态分辨能力差的不足,提出了改进的损伤跟踪函数计算方法和改进的性能退化信息提取方法。数值模拟和试验验证结果表明,相比于原方法,改进的相空间曲变法有效地减小了计算成本,对性能退化状态跟踪结果更加平滑准确,且对相近退化状态分辨能力更强。可以有效适用于机械旋转部件性能退化状态的实时跟踪与识别。
  (3)基于物理模型的非平稳载荷作用下的寿命预测方法研究。提出了一种非平稳随机载荷作用下疲劳寿命预测的频域法。通过经验模式分解和选择,得到了疲劳损伤有效的本征模式分量。进而提出了一种简化的非高斯过程雨流循环分布计算方法,计算各有效本征模式分量的雨流循环幅值分布。通过加权平均把有效本征模式分量的雨流循环幅值分布合成原应力历程的雨流循环幅值分布。结合线性损伤累积准则实现非平稳载荷作用下的疲劳寿命预测。通过对多种类型非平稳载荷的模拟仿真验证表明,该方法适用于工程实际中多种类型的非平稳载荷,且不需要预先获取原应力历程的相关先验知识。相比于传统的疲劳寿命预测时域法,该方法避免了大量的统计计数和复杂的动力学计算,大大减小了计算成本。
  (4)基于物理-数据混合模型的寿命预测方法研究。提出了一种基于物理-数据混合模型的剩余寿命预测方法。通过对损伤演化过程的定性分析建立损伤演化模型,采用改进的相空间曲变法提取损伤特征作为性能指标,采用Z统计量和切比雪夫不等式将性能退化过程自动地识别成若干不同的性能退化阶段。建立损伤演化模型参数的状态空间模型,采用无迹卡尔曼滤波更新外推模型参数实现剩余寿命预测。通过轴承加速寿命试验验证了该方法。结果表明该方法可以将基于物理模型和基于数据驱动寿命预测方法的优势有机地结合起来,充分利用了从性能退化机理研究中获取的和从历史数据、实时数据中获取的损伤演化信息。相比于单独基于物理模型和单独数据驱动的方法,该方法的剩余寿命预测值可以更快地趋近于真实值,预测结果更加稳定、准确。
[博士论文] 张依东
机械设计及理论 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国综合实力的日益提升和科技水平的不断进步,现代工业对高质量、低成本产品和安全生产的需求越来越高,工业机械设备的维护策略也快速从预防性维护转向为基于运行状态的实时监测与智能故障诊断。旋转机械是机械设备中最广泛普遍的类型之一,在工业应用中具有不可替代的地位。而基于旋转机械设备的状态监测与故障维护可以有效减少运行机组突发性的停机次数,甚至避免灾难性的事故。因此,发展研究旋转机械的故障诊断技术对于确保工业设备的安全高效运行具有十分重要的意义。
  作为机械设备中的关键零部件,齿轮广泛运用于工业生产线的传动系统,在几乎所有类型的旋转机械中都扮演着重要角色,机组设备的工作效率、运行状态都和它紧密相关。因此,本文以齿轮为研究对象,针对齿轮早期的弱局部性故障,在特征提取、噪声抑制和齿轮箱系统复合故障的解耦分离等方面展开了深入研究。
  针对齿轮箱系统中齿轮信号的非线性、不平稳现象,本文充分借鉴利用共振稀疏分解(RSSD)算法。区别于传统线性分离的信号处理技术,该方法可以将复杂信号分解为包含不同共振属性(振荡次数)的高低分量,更适用于具有明显非线性和非平稳特性的振动信号。但RSSD方法对噪声敏感,抗噪性能差,分解效果易受到信号信噪比的影响,需要对RSSD方法进一步优化处理来提高噪声抑制能力。本文针对齿轮的振动特点,利用RSSD进行预处理,并改进多尺度离散熵方法来分析处理其分解的分量信号,增强对齿轮弱故障特征的提取能力。论文主要研究内容如下:
  (1)从预测健康管理的学科理论和旋转机械故障诊断技术在实际工程中的应用价值等角度出发,论述了本课题的背景和研究意义。对近年来旋转机械系统中有关齿轮的故障机理研究、特征提取、监测诊断等方面的国内外研究现状进行了梳理和回顾,并总结了各类信号处理方法的优缺点,从而确定了本文的研究内容。
  (2)针对故障齿轮的振动特性,提出一种多尺度融合离散熵的特征提取方法。该方法可以从不同尺度快速有效的量化齿轮振动信号中故障特征的丰富程度,避免单一尺度的误差,并结合流形学习来融合多维特征,有效克服传统信息熵特征不灵敏和信息冗余的不足,增强了齿轮故障特征的提取能力。同时,基于该特征提取方法和RSSD,提出一种适用于平稳工况下齿轮故障诊断的滤波方法。RSSD分解之高共振分量持续振荡的波形特点更适用于齿轮裂纹故障的高频共振解调。首先利用多尺度融合离散熵来提取、挖掘目标信号中蕴含的周期性冲击振荡成分,从而有效辨识出齿轮的结构共振频带。再结合FIR带通滤波方法,设计出相应的理想滤波器来实现对齿轮弱故障特征的识别提取、克服背景噪声和其他成分的干扰,并通过仿真信号和试验数据的分析验证。此外,该滤波方法为本文后续完整的齿轮故障诊断方法提供可靠的参照依据。
  (3)针对变载荷工况下齿轮信号非平稳特点,基于上述的多尺度融合离散熵,提出一种信号稀疏表示的齿轮故障诊断方法。该方法利用RSSD对信号进行预处理,以更适用于齿轮故障稀疏表征的低共振分量为研究对象,将低共振分量中蕴含的周期性瞬态冲击视为一串移位脉冲的连续叠加,通过自适应字典来稀疏表征目标信号,实现更加灵敏的动态追踪和定位识别齿轮的故障冲击。该方法首先采用多尺度融合离散熵和延时分段处理来实现字典设计,基于信号自身结构中具有敏感特征的局部短时序列来量身定制自适应字典。再通过K-SVD算法对字典进行更新学习,有效降低字典冗余度。相比于传统分析字典和学习字典,该字典设计方法有效实现原子与缺陷诱发脉冲之间的高度相似,无需先验知识且物理意义明确,更具灵活性和适应性。然后利用原子分解算法来稀疏表征目标信号,实现最大限度地捕获、识别故障冲击特征。同时,联合上述基于高共振分量的齿轮滤波方法来建立自约束迭代终止条件,根据目标信号自身的噪声水平来灵活确定最佳迭代次数,有效提高了稀疏表征精度、避免引入额外干扰成分。最后通过和其他传统信号分解方法的比较分析,突出所述方法的优越性和可靠性。
  (4)针对齿轮箱系统中齿轮和滚动轴承同时并发故障的问题,提出一种基于啮合共振的齿轮箱复合故障解耦分离方法。根据齿轮和轴承不同的故障冲击特性,本文充分利用故障齿轮在啮合频率及其谐波处的调制现象表现更为强烈的啮合共振特点,提出了一种复合故障的滤波分离方法:应用平移加窗法对不同频带进行滤波,分别计算包络谱中啮合频率及其谐波频带的谱峭度来寻找齿轮的最大啮合共振频率序列,从而确定出齿轮和轴承的各自共振频率,通过共振解调来实现对齿轮和轴承故障信号的有效解耦和分离。考虑到分离后的齿轮滤波信号中噪声干扰可能仍比较严重,该分离方法结合本文上述的齿轮故障诊断方法来进一步分析处理,从而能更加有效的增强齿轮局部性故障特征,提高抗噪性能。最后通过模拟仿真和试验数据的分析研究,表明该方法能够有效分离、辨识出齿轮和轴承的复合故障。
[硕士论文] 陈云鹏
机械工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:液压接头是液压系统工作中不可或缺的连接零件。由于液压接头中心孔属于深孔,在用普通钻头对其深孔加工过程中会出现冷却困难、散热不良、断屑及排屑困难等问题,经常出现钻头损坏并造成工件报废。在当前激烈的市场竞争情况下如何解决这些问题并对超大批量、小型液压接头以极低的成本生产加工出来成为了本课题研究工作的首要任务。本论文以超大批量、小型零件液压接头的低成本深孔钻削为研究对象,从金属切削热分析、低成本啄钻技术、全自动倒立式啄钻中心设计三方面进行了研究讨论。
  本论文通过对切削过程中切削热和刀具磨损原因的分析,得出刀具磨损主要与切削热有着密切关系,结合切削过程中刀具受热情况、温度分布和刀具材料的极限切削温度,推导出单次啄钻加工的极限钻削深度的计算方法,并利用有限元传热仿真验证其计算方法的正确性;通过对切削加工中深孔啄钻技术与普通深孔加工技术的刀具温度对比,得出影响深孔啄钻技术的主要参数,为啄钻加工在实际生产中的应用提供可靠理论依据。
  顺应智能制造发展的需要,与深孔啄钻加工技术相结合,目的是提高啄钻技术的加工效率,为相关企业设计研究出了全自动倒立式啄钻中心。针对超大批量、小型液压接头设计了自动上料、退料及旋转夹具等装置,并用UG三维建模软件建立了倒立式啄钻中心系统装配实体模型。
  利用数值模拟分析方法对啄钻中心的关键部件——旋转夹具进行静力分析,得到旋转夹具在静态载荷作用下每个节点的应力值与变形值;对旋转夹具进行的前十阶模态分析,得出对应每阶的频率、振幅和振动形态,进而分析夹具工作的动态特性。根据分析结果,判断此机床夹具能够满足工作需要。
  最后以普通麻花钻为刀具测试对象,利用普通数控机床,通过深孔啄钻加工与普通深孔加工刀具寿命对比试验和最佳啄钻深度探究试验,对深孔啄钻技术对刀具影响的理论研究成果进行了试验验证。
[博士论文] 冀瑜
机械设计及理论 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:在综合分析了专利知识的提取方法、基于专利知识的创新设计方法、国际专利分类表(IPC)中知识的研究现状后,本文针对从IPC中提取知识进行创新设计,提出了研究方法和思路,主要研究进展体现在以下四个方面:
  一、IPC中的设计知识及其表示
  提出从IPC中提取设计知识的思路,将IPC中的知识分为功能、效应和作用结构知识3个层次,并定义功能关联度、效应互换度、效应通用度与作用结构知识兼容度定量参数,建立知识之间的关联关系。提出从IPC中获取这些设计知识的流程,采用知识网的形式组织和表示所获取的知识,以辅助创新设计。以电加热水龙头的创新设计为例,表明从IPC中获取设计知识能有效拓展设计人员的创新思维,促进创新方案的产生。
  二、IPC设计知识社团分析及其应用于创新设计的策略
  通过从IPC中提取并分析功能动词的共现关系,构建功能动词共现网络。选用Newman贪婪算法(CNM算法)对功能动词共现网络进行社团发现,归纳了网络节点之间的4种典型拓扑关系,对社团内部和跨社团的节点之间的拓扑关系进行了分析。根据从《专利审查指南》中归纳的4种创新策略和功能动词之间同社团和跨社团的2种关系,提出9条产品功能创新策略。基于“供水-排水-干燥”共现网络和“分拣-收集”共现网络,结合实例对9条功能创新策略及其应用进行了说明。应用其中的一条功能创新策略发明了一种利用排水能量供电的管道照明系统。
  三、IPC中设计知识启发创新灵感作用的实验研究
  针对当前对创新方法启发灵感作用研究不足的现状,提出用实验研究的方法,对创新灵感启发因素的作用进行分析。将启发创新灵感的因素分为三个:知识、知识之间的关系和创新策略,分析了三个因素的表现形式。先后进行了两个阶段的实验,结果显示:IPC中的动词对启发创新灵感有显著作用;以表格和文本形式表示的知识社团关系对启发创新灵感的作用不显著,图形形式的知识社团关系对提高设计的创新性有显著作用;创新策略因素对启发创新灵感有作用趋势但不显著,知识关系和创新策略的综合作用可弥补设计者在经验方面的不足。
  四、基于IPC中设计知识的计算机辅助创新系统研究
  以前述理论研究为基础,开发了基于IPC中设计知识的计算机辅助创新系统(CAISIPCK),该系统由设计知识提取模块、知识关系分析与创新设计模块、灵感启发验证分析模块和系统管理模块组成,实现了基于IPC中设计知识启发创新设计的流程。结合实例,说明了该系统功能模块的操作界面及操作方法,初步验证了该系统的有效性。
[博士论文] 孙琦
流体机械及工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:压缩机在运行过程中受气候影响及客户需求需要经常调节气体的流量,很多情况下通过在进口加装进口导向叶片的方法来控制流量,但目前由于进口导向叶片调节流量的能力普遍不足,导致在冬季由于气量过剩而排空浪费掉,最多的时候要浪费高达30%的气量,造成能源的浪费,目前国际先进水平最多仅需排空15%的气量,因此改进进口导叶的设计,开发出高效流量调节装置是中国目前压缩机行业急需解决的关键技术之一,对于提高中国压缩机设计技术,提升企业竞争力具有重要的意义,同时对于节能减排具有重大的现实意义。
  本文从进口导叶调节装置的结构、调节机理和对叶轮压缩功的影响等方面对导叶调节的基本理论做了详细论述,并以导叶自身的调节能力和对压缩机性能的影响两方面阐明了进口导叶调节装置的评价体系。介绍了应用于叶轮机械数值模拟技术的相关理论知识,建立了带进口导叶的压缩机实体模型,利用计算流体力学的方法对导叶不同开度下的流场分布规律做全面的研究与分析,揭示了导叶调节时的一些重要流动现象。导叶在绕其自身转轴旋转时为了避免与机匣端壁发生碰撞,会在导叶顶部留有圆弧状的间隙,部分气流从间隙处流过而得不到有效调节,并形成叶顶间隙泄漏涡,对主流造成影响,使压缩机性能下降。针对这一问题,本文提出了三种导叶通道结构形式的改进方案,有效地提高了导叶的调节能力,扩大了压缩机的稳定工况范围,减少了压缩机的功耗,提高了压缩机的效率。
  为了探究导叶叶片形状对导叶调节能力和压缩机性能的影响,本文分别对导叶叶片型面的厚度、弯曲度和最大挠度位置做系统的研究和分析,总结出这几项参数的变化对导叶调节性能影响的规律。为了找出调节性能最好的进口导叶叶片形状,本文采用现代优化方法对进口导叶的叶片型面进行三维的优化设计,主要的方法学思想是以人工神经网络对连续设计进行适应度评价,并用遗传算法进行全局寻优。经过优化后,导叶的调节性能有了显著的提高,大大增强了导叶的预旋能力,并减少了压力损失,使压缩机的流量和功率在导叶安装角较大时大幅减少,效率显著提高,同时使导叶通道内的流场有了明显改善,使原来的流场分布不均匀和流动分离等现象大幅减弱,甚至完全消失。最后,对本文所提出的三种改进后的叶顶通道结构形式和优化叶型的进口导叶装置进行试验测试,并与原始形式进行对比,结果证明了本文研究成果的可靠性。
  最终,应用改进优化后的进口导叶调节装置可使压缩机在冬季运行时减少20%左右的压缩气体排空浪费量,同时降低压缩机20%左右的功耗,并提高了压缩机的效率和稳定工况范围。此项课题的研究成果可应用到工业生产各个领域中的离心压缩机中,在压缩机进口处加装这种高效的流量调节装置可以使其在冬季运行时大幅减少压缩气体的排空浪费量及功耗,并提高压缩机的效率,提升能源的利用率,避免能源的浪费,因此具有很广阔的应用前景。
[硕士论文] 夏烨
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:轴流泵主要应用于低扬程泵站中,具有流量大、扬程低、信息化程度高的特点。现今,中国已有大型的低扬程泵站300余座,形成了以其为核心的防洪排涝与跨流域调水工程体系,促进了中国现代化建设及经济的快速发展。轴流泵作为泵站的主要部件,它的性能的好坏决定了泵站性能的好坏,而叶轮叶片截面翼型的水力特性对轴流泵的性能有着重要影响。因此,翼型的好坏直接影响着轴流泵的水力性能和汽蚀性能,从而影响泵站的整体运行效率及其安全运行的可靠性分析。而在叶片翼型的优化中,大多采用改变翼型的参数来改变翼型的特性的方法,基于Bezier曲线的翼型的参数化在水轮机、风机等中应用广泛,应用在轴流泵的叶轮翼型中的还不多见。因此,本文以Bezier曲线参数化翼型为优化基础是有研究意义的。
  本文先对轴流泵翼型进行二维分析,然后应用Bezier曲线对原始翼型进行参数化,通过移动控制点来改变最大拱度位置,从而研究最大拱度位置对翼型水动力特性的影响。并从中选出三个较好翼型,以现有轴流泵叶轮的造型规律为基础,进行三维叶轮建模,比较三种不同翼型的轴流泵叶轮的水力性能,获得了以下结果:
  (1)使用了标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizablek-ε模型三种紊流模型对NACA0012翼型进行计算,通过与实验结果对比并结合NACA66翼型的特点确定采用RNGk-ε紊流模型进行后续翼型计算和优化最为理想;对NACA66翼型(原始翼型)进行数值模拟计算及分析,得到其水力性能。
  (2)运用Bezier曲线对原始翼型进行四阶、五阶参数化,结果表明五阶参数化后的翼型与原始翼型在外形上最为相似。对五阶参数化翼型的最大拱度所处位置进行移动,发现:在最大拱度位置不变的情况下,随着最大拱度高度的降低,升阻力系数降低。在升力系数相同(误差在2%以内)的情况下,随着最大拱度位置的右移,其高度降低,最小压力增大;升阻比大体呈现先增大后减小趋势;在翼型的最大拱度处于相对弦长0.4~0.6位置时其翼型升阻比最好。
  (3)对最大拱度处于相对弦长0.4、0.5、0.6位置的翼型进行三维建模,其中最大拱度处于相对弦长0.6位置效率最高,其效率为84.53%。比较不同泵段在不同流量下的内部流线,发现螺旋状水流集中于出水弯管的右侧。且出水弯管进水端的流态随着最大拱度位置的右移,逐渐杂乱。在小流量时叶轮A的叶片静压分布最为均匀;在最优流量附近叶轮B的静压分布较为均匀;而在大流量区域叶轮C的静压分布最为均匀,因此,可以根据所需流量扬程的大小,选择不同的最大拱度位置。在叶展位置span=0.9位置,相同叶轮,随着流量的增加,其最小压力值呈现先增大后减小趋势,在最优工况附近取得最大值,该处汽蚀性能最好;不同叶轮,同一流量下,随着压力的向后加载,其汽蚀性能变好。
[硕士论文] 李志雯
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:轴流泵具有流量大、扬程低等特点,因此被广泛运用于农田灌溉、跨流域调水、防洪排涝等工程中。随着轴流泵应用的日益广泛,提高轴流泵效率的问题也受到越来越多专家学者的重视。叶轮和导叶是轴流泵的重要过流部件,它们之间的配合对轴流泵性能有很大影响。目前叶轮与导叶体基本上仅限于在设计工况下实现两者之间较好的匹配,而在其他工况下两者该如何匹配仍是一个亟待解决的问题。本文提出在各流量下,先调节叶轮叶片安放角,再调节导叶片安放角以提高轴流泵效率。
  本文采用TurboGrid软件对轴流泵叶轮与导叶进行建模并划分网格,采用UG软件对轴流泵进、出水管进行建模,采用ICEM CFD软件对其进行网格划分。在进行网格无关性分析时,选取6种不同网格数量的轴流泵模型模拟计算,比较计算结果以确定计算所用的网格数为118万左右。最后,将不同的计算方案导入CFX软件中进行计算,并对模拟结果进行分析比较。
  针对轴流泵可调叶轮,分析其调节原理,计算在不同工况下,叶轮叶片角度为0°、±3°、±6°时轴流泵的外特性数据,简单分析了调节叶轮叶片角度对轴流泵水力性能的影响。本文重点在导叶调节部分,针对轴流泵可调导叶,分析其条件原理。在叶轮叶片安放角为0°、±3°、±6°的基础上调节导叶片角度,分别计算不同工况下轴流泵的外特性数据,并与调节叶轮叶片角度相比较,分析同时调节叶轮与导叶叶片安放角对轴流泵水力性能的影响。计算结果表明,当流量变化时,与叶轮相匹配的导叶片角度也随之改变。小流量下,导叶片向负角度方向调节;大流量下,导叶片向正角度方向调节。当Q=0.9Qd=306L/s时,叶轮叶片安放角为-3°,导叶片安放角为0°时的效率最大为87.86%,比不调节叶轮和导叶时提高了1.46%,比不调节导叶时最大提高了5.17%,比调节导叶时最大提高了3.02%;当Q=1.1Qd=374L/s时,叶轮安放角为3°,导叶片安放角为3°时的效率最大为86.66%,比不调节叶轮和导叶时提高了3.74%,比不调节导叶时最大提高了25.42%,比调节导叶时最大提高了16.11%。越是偏离最优工况,调节导叶片安放角对提高轴流泵性能的效果就越是明显。因此,在实际工程中应当根据运行工况变化,合理调节叶轮和导叶片安放角,使其能够有效配合,从而减少损失,提高轴流泵的性能。
[硕士论文] 叶鹏
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:进水流道是泵站前池和水泵的叶轮室之间的过渡段,其主要作用都是使水流加速和更好地转向,为叶轮室进口提供良好的进流条件。进水流道按进水方式可以分为弯管进水流道和喇叭管进水流道,喇叭管进水流道的优点是流道高度较低,故挖深较小且便于施工。喇叭管进水流道要求具有适宜的悬空高、有一定的后壁空间以及足够的宽度,以便水流均匀的从四周进入喇叭管内。如果喇叭管进水流道设计不当则会产生回流及旋涡,导致叶轮进水不对称,叶轮内部流动脱流的发生,引起水泵压力脉动增大,振动加剧,恶化泵装置工作状态,从而降低泵装置的效率、水泵的汽蚀性能以及安全性。因此,深入地研究泵站喇叭管进水流道的水力设计对理论研究和工程实际都有重要的意义。
  本文采用数值模拟和实验相结合的研究方法对喇叭管进水流道的主要形状尺寸(包括进水流道的喇叭管高度、悬空高、后壁距)对泵装置性能影响,重点研究了喇叭管进水流道宽度对侧壁旋涡的影响以及侧壁旋涡形成、流动机理。首先采用单因素法对不同形状尺寸的喇叭管进水流道进行包括水泵在内的全流道泵装置数值模拟,同时引入进水流道出口截面轴向流速均匀度、进水流道水力损失和泵装置效率等目标函数来分析比较计算结果,然后重点分析侧壁旋涡的核心区域的细部流动结构和涡核附近切向速度的发展规律,最后通过V3V三维体流场测量技术对侧壁旋涡进行流场测量,并将实验得到的结果和数值模拟的结果进行比较分析,对比发现V3V测试得到的结果与CFX计算结果较为吻合。
  数值计算结果表明:
  (1)喇叭管高度对喇叭管进水流道内部流态和水力性能有重要的影响。在进水流道名义高度一定的条件下,随着喇叭管高度的增加,悬空高的减少,进水流道典型截面速度分布和喇叭管下方截面压力分布先趋向均匀后趋向紊乱,出口截面流速均匀度和泵装置效率都是先增大后减少,水力损失先减少后增加。当Ht=0.4D0时,速度分布最均匀,流速均匀度最大,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态和外特性指标综合分析得出喇叭管高度Ht的推荐范围为0.3D0~0.6D0,最优值为Ht=0.4D0。
  (2)悬空高对喇叭管进水流道内部流态和水力性能显著的影响。在喇叭管高度一定的条件下,当悬空高C<0.4D0时,进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较差;当悬空高C=0.4D0~0.8D0时进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较好。当悬空高C=0.8D0时,水流流态最好,进水流道出口截面流速均匀度最高,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态和外特性指标综合分析得出悬空高C的推荐范围为0.4D0~0.8D0,最优值为C=0.8D0。
  (3)后壁距对喇叭管进水流道内部流态和水力性能有较大的影响。当后壁距T=0.8D0~1.0D0时,进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较差;当后壁距T=1.0D0~1.6D0时进水流道内部流态和各水力性能评价指标均较好。当后壁距T=1.2D0时,水流流态最好,进水流道出口截面流速均匀度最高,水力损失最小,泵装置效率最高。通过内流场流态,外特性指标和土建投资综合分析得出后壁距T的推荐范围为1.0D0~1.4D0,最优值为T=1.2D0。
  (4)宽度对喇叭管进水流道侧壁旋涡具有决定性的影响,大流量工况下随着流道宽度B的减少,侧壁涡管的直径和范围、典型截面侧壁旋涡涡核区域的涡量值均越来越大。因此,在设计进水流道时,为了防止产生较强的侧壁涡带,流道宽度B的推荐范围为2.8D0~3D0。
  V3V测试结果表明:侧壁旋涡的运动范围是从进水流道一侧产生随水流一起进入喇叭管,并可能在与喇叭管内部和其他旋涡交汇形成一明显涡管,消散于叶轮室内部。侧壁旋涡涡核区域水流切向分速度的分布规律是自涡核中心向四周扩展并迅速增大,其中涡核核心区域(R=0mm)切向速度均为0左右,流速梯度在R=3~5mm左右达到最大值,侧壁旋涡涡核区域的旋转流动符合强迫涡特征,V3V测试得到的结果与CFX计算结果较为吻合。
[硕士论文] 王硕
物理电子学 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着全世界人口的快速增长和经济的急速发展,人类发展对环境造成的污染以及可利用能源的匮乏等问题正在日益凸显,作为可以利用地下浅层地热资源完成采暖、制冷和制备生活热水等功能的高效节能环保型空调技术,地源热泵技术就是在这样的背景下发展起来的。土壤温度场的变化规律是地源热泵系统设计的重要依据。结合夏季炎热地区工况而设计的冷却塔式地源热泵系统在运行时同样需要对土壤温度场进行检测以达到更好的节能效果和更高循环效率。
  如今大多数工程中采用的土壤温度场测量方法是将温度传感器密封包装后置入测温井内,温度传感器通过导线与地面的测温装置进行连接。因每个温度传感器都需要一组单独的导线与测温装置进行连接,大量的信号线不仅会增加测量系统的成本,并会大大减少测温点的数量,对土壤温度场变化研究的可靠性就会降低。
  本文设计了一套应用于地源热泵系统中的土壤温度场测量系统,该系统由三部分组成,地底测温部分、数据采集器和上位机。其中地底测温部分采用RS-485总线的方式进行温度采集,克服了传统测量方式导致的线束过多的问题。在每一个测温点放置一套测温电路进行温度的测量,使用PT1000温度传感器作为测温元件,就近测量的方式和电容充放电测量电阻的方法大大增加了温度测量的准确性,通过简化电路设计并合理布置元件,将测温电路板设计为细长状挂接在RS-485总线上,使用带有内置螺纹的不锈钢套管、不锈钢接头以及环氧树脂进行密封,保证了测温线的结构强度和测温节点的密封性;数据采集器放置于地面,其作用为向RS-485总线供电、采集各测温点数据并将采集到的温度数据通过无线方式发送至远方上位机。一个数据采集器可以对最多8条测温线进行采集;对比多种无线传输方式并综合现场工况,选择了基于LoRa无线通信技术的SX1278无线数据传输芯片进行无线数据传输;上位机使用LabVIEW软件进行编写,其功能为温度数据的接收、存储和处理分析,独特的人机交互界面使管理人员可以更方便的对数据进行处理和对系统进行维护。
[博士论文] 石慧荣
机械设计及理论 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:腹板式斜齿圆柱齿轮可以有效减轻传动结构质量,避免高速大型传动结构中出现较大的冲击载荷,但是由于较薄的腹板和轮缘会引起轮齿和齿轮体较大的变形,从而使得轮齿接触线与理论位置不一致,导致斜齿轮传动中存在较大啮合刚度波动,造成传动系统出现较大的振动和噪声问题。因此本文提出一种在斜齿轮轮缘增设压电层的振动调控结构,通过对压电层施加控制激励电压实时改变轮缘形变,实现对啮合区轮齿接触线长度的控制,保证齿轮传动中具有合理的啮合刚度变化,从而提高腹板式斜齿轮传动的可靠性和稳定性。论文的主要研究内容归纳如下:
  (1)针对斜齿圆柱齿轮传动的特点,建立一种考虑时变啮合刚度和齿侧间隙的七自由度动力学模型,为了详细分析齿轮传动周向动态啮合误差波动特性,将斜齿轮系统简化成为一个单自由度系统,并且利用三次多项式拟合齿轮间隙函数对系统方程光滑化,利用多尺度法研究了斜齿轮传动系统的主共振和次共振稳态幅频变化曲线和稳定区域,揭示了斜齿轮传动系统出现振动和噪声的机理;进一步利用四阶Runge-Kutta法对系统方程进行数值求解,获得的斜齿轮传动系统二维分岔图表明在一定的激励频率范围内,特定的啮合刚度波动、载荷波动和静载荷作用下,会导致系统出现倍周期分岔、准周期运动或混沌行为。
  (2)为了准确计算斜齿轮啮合刚度,根据斜齿轮啮合传动机理提出一种轮齿接触线计算方法,通过与已有计算方法的比较证明了该方法计算的正确性,结合单位长度ISO轮齿最大啮合刚度计算准则和单齿啮合刚度变化规律,对斜齿轮啮合刚度进行了分析计算,研究了斜齿轮结构参数对啮合刚度和载荷分布系数的影响,分析表明该方法能够比较准确地近似计算斜齿轮啮合刚度,确定斜齿轮端面和轴面重合度对啮合刚度波动的影响,但无法考虑载荷沿轮齿接触线的变化,不能精确计算腹板式斜齿轮传动的啮合刚度。
  (3)由于腹板式斜齿圆柱齿轮变形较大引起轮齿接触线不准确,导致啮合刚度的复杂变化,为了实现对其啮合刚度的准确计算,提出一种结合有限元法和应变能法的斜齿轮啮合刚度计算方法,并应用Ansys软件建立了腹板式斜齿轮传动系统的有限元模型,通过与轮齿接触线分析法计算所得的变位系数和螺旋角与啮合刚度变化关系的比较,表明该方法能够综合考虑轮齿和齿轮体变形对啮合区轮齿接触线变化的影响,可以准确提取一对啮合齿轮的应变能和载荷,保证啮合刚度计算的准确性,应用该方法能够计算分析外加载荷、轮缘和腹板厚度对斜齿轮啮合刚度和轮齿载荷分布的影响,可以更加准确地获取腹板式斜齿轮啮合特性变化规律。
  (4)为了实现对腹板式斜齿圆柱齿轮传动啮合刚度的有效控制,提出一种针对轮缘敷设压电材料的啮合刚度主动控制模型,根据薄壁板壳一阶剪切变形理论、有限元法和Lagrange方程建立了压电耦合腹板式斜齿圆柱齿轮传动的动力学模型,计算了径向激化压电环宽度和厚度变化对轮缘变形和压电耦合力的影响,分析比较了控制激励电压对啮合区轮齿接触线和齿面载荷分布的影响,揭示改变控制电压能够引起轮齿接触线、啮合刚度和轮齿承载特性的较大变化。并且利用分段线性二次规划自适应控制法对斜齿轮传动系统的啮合刚度进行了优化控制,研究结果说明该方法能够在保证齿轮传动应用条件的情况下,有效减小啮合刚度的波动幅度,改善轮齿的载荷分布特性,从而拓展了腹板式齿轮传动的应用领域。
  (5)为了确定控制参数对压电耦合腹板式斜齿轮传动稳定性和有效性的影响,建立了压电耦合腹板式斜齿轮传动动态系统的速度、位移时滞反馈控制模型,应用多尺度法求得控制系统主共振和次共振的稳态幅频响应和稳定区域,分析表明匹配的控制参数可以有效缩减主共振和次共振稳态幅值,增加腹板式斜齿轮传动的稳定性,但是一定的控制参数组合也会导致系统稳态幅值大幅增加,引起系统的不稳定。同时根据多尺度法分析结果,应用数值方法分析了系统方程在不同控制参数下的时域响应、相图、Poincaré相图和频谱,揭示了匹配的控制参数可以使齿轮系统快速收敛到周期解,不合理的参数会导致齿轮系统稳态出现多周期波动,甚至加剧齿轮系统振动。
[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] 郭少辉
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着机械设备越来越趋于超高速、大功率、重载荷的方向发展,机械系统中摩擦副的摩擦学性能的提高显得尤为重要。随着机械加工技术的不断发展,起源于生物仿生学的表面微织构加工技术逐渐成为改善摩擦副工作性能的重要优化方式。摩擦副表面微织构对于摩擦副摩擦性能提高的主要作用机理表现为:流体润滑条件下,能有效产生流体动压润滑效应;混合摩擦条件下能作为储油槽,使润滑更加充分有效;在边界润滑和干摩擦条件下能有效储存磨损磨粒,减少二次磨损的产生。本文主要以滑动轴承为研究对象,通过微织构滑动轴承流体方程的建立分析微织构的动压效应,建立三维滑动轴承油膜的有限元模型分析不同工况参数和微织构几何参数的不同作用效果,并通过摩擦磨损实验分析了微织构在实际工况中对摩擦副表面的减磨作用规律。具有研究内容如下:
  首先,建立微织构无限宽滑动轴承的流体润滑方程,通过油膜压力以及承载力分布方程等分析研究了微织构深度、覆盖率等参数对轴承润滑特性的影响规律,从流体润滑理论方面说明了微织构的动压效应能有效提升轴承油膜润滑性能。
  其次,通过不同形状二维微织构有限元模型的建立分析研究了不同形状微织构的动压效果,结果显示微织构能有效提升油膜的承载性能,矩形和三角形微织构的作用效果最为明显有效。
  再次,通过Gambit建立三维微织构滑动轴承有限元模型,分析了不同工况参数和不同微织构分布参数下的滑动轴承润滑特性,并对比分析了计入空化效应时滑动轴承的油膜空化区域特征,结果表明位于油膜收敛间隙出口位置的微织构作用效果最为明显。
  最后,利用万能摩擦磨损试验机进行摩擦实验,研究不同布置形式微织构在不同工况参数下的减磨作用效果。实验结果显示径向沟槽微织构和凹坑状微织构能起到明显的减磨效果;微织构的存在能存储润滑介质和磨损磨粒,减少摩擦副二次磨损的产生,明显提高摩擦副的摩擦性能。
[硕士论文] 王军
计算机技术 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:磁感应热疗是多种肿瘤热疗方法中的一个重要分支,特色突出,优势明显,发展速度很快,有可能作为治疗肿瘤的优先选择,因此具有较高的学术价值及研究意义。现阶段,磁感应热疗的主要研究停留在磁性纳米材料制备以及其实验方面,对其磁感应热疗设备的研究相对较少。本文针对动物磁感应热疗的线圈式磁场发生装置的磁场方向和强度的分布不均匀这一缺点,进行了线圈的优化,并将优化的线圈与原线圈的结果进行对比研究分析,为磁感应热疗的应用提供了理论依据。
  (1)分析了磁感应热疗的电磁基础。介绍了磁感应热疗的发热机理、磁感应热疗工作频率和场强参数的选择及有限元软件COMSOL的AC/DC模块,计算了圆线圈、螺线管线圈、空心圆柱线圈的磁场分布,对比分析产生相同量级的磁感应强度时线圈各自的变化,选用有外径的圆柱线圈作为后面磁感应热疗的主要磁场产生装置。
  (2)分析了磁感应热疗场均匀度的优化。依据磁感应强度的大小确定线圈的参数及计算方法,通过与文献中提供的线圈计算数值与该软件仿真计算结果进行对比分析,验证了该软件计算的正确性与可行性。针对线圈式的磁场发生装置的磁场方向和强度的分布不均匀这一缺点,通过线圈两端添加补偿线圈对原线圈进行了的优化。分别计算通入补偿线圈电流不变匝数改变及匝数不变电流变化时,补偿线圈从两端向中间移动的磁感应强度B的变化。研究在相同区域不同位置磁感应强度的变化率,确定了补偿线圈的最佳位置。在最佳位置处,讨论了通入补偿线圈电流和线圈匝数对磁感应强度B的影响,确定了补偿线圈的参数。对有补偿线圈和无补偿线圈的磁感应强度的对比,在相同条件下补偿线圈式的圆柱线圈与无补偿线圈的圆柱线圈进行对比,其线圈中心磁感应强度提高了约4.2%,补偿线圈中心处的磁感应强度达到了11.3 mT,磁场的均匀性增加了66.7%左右。
  (3)分析了小型磁感应热疗硬件电路的实现。介绍了磁感应热疗控制电路的设计及实现。通过控制电路进行了线圈的验证测试,分别从线圈中心磁感应强度、线圈轴线方向磁感应强度以及线圈磁感应强度均匀性给出了线圈测试数据,并与理论值进行了对比分析,测试结果与仿真结果基本一致,证实了仿真的有效性和实验的可行性。
[硕士论文] 祁鹏
机械制造及其自动化 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:岸边集装箱桥式起重机(简称岸桥)作为港口集装箱装卸的主要起重设备,其安全可靠的运行是保证整个港口正常运转的重要指标。传统起重机的设计多依赖于设计者的经验,且工作量较为繁重,设计周期较长,设计成本较高。在结构计算与校核方面,主要以静强度校核和简化结构校核为主,且一般采用较大的安全系数来保证岸桥的安全性能,缺乏疲劳寿命可靠性分析。而岸桥在其服役过程中的主要失效方式为疲劳失效,起承载作用的钢结构的疲劳可靠性很大程度上反映了起重机的疲劳寿命,因此在岸桥的设计阶段对其钢结构进行疲劳寿命研究就显得十分重要。
  本文从岸桥钢结构参数化模型建立及其疲劳问题研究两方面入手,解决岸桥设计环节中设计周期长、模型修改效率低、疲劳问题分析不完善等问题。论文的主要内容包括:
  (1)结构疲劳可靠性理论综述,详细分析了构件在常幅载荷、变幅载荷、随机载荷作用下的疲劳预测方法。
  (2)岸桥钢结构参数化模型及设计系统的构建。从一般机械结构参数化方法出发,对岸桥钢结构进行深入分析,利用Pro/E Program对岸桥钢结构的特征参数进行提取,对特征参数之间的关系进行了定义,建立了岸桥钢结构的参数化模型,并利用VB6.0编程环境和AGW软件开发了基于Pro/E的岸桥钢结构参数化设计系统,从而实现快速建立及修改岸桥钢结构模型,提高设计效率的目的。
  (3)岸桥钢结构有限元分析模型的构建及静力学分析。提出了岸桥钢结构有限元模型的简化方法,利用HyperMesh和ABAQUS软件建立了岸桥钢结构的有限元模型。根据GB3811-2005起重机设计标准和FEM欧洲起重机设计标准确定岸桥的载荷组合,并运用ABAQUS Standar求解器对满载小车处于典型位置下的岸桥进行静力学分析,根据计算结果对岸桥进行强度和刚度校核。
  (4)岸桥钢结构疲劳寿命分析。通过对岸桥疲劳载荷形式和运行小车的运动规律的分析,运用一种基于有限元的静应力向应力谱转化的方法,得到运行小车在大梁上运行时岸桥的载荷时间历程,并在FE-SAFE疲劳分析软件环境下对岸桥进行了疲劳分析。
[博士论文] 张鑫
交通信息工程及控制 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:在放射治疗的实施过程中,多叶准直器的使用目的是取代传统的人工操作的铅射野挡块,使透过多叶准直器叶片端面的射线在病灶靶区的投影轮廓与期望的射野形状的轮廓适形。为了满足该需求,需要对多叶准直器的叶片到位精度进行精确地控制。本文针对该问题,并且考虑到多叶准直器多叶片协同控制的情况,对多叶准直器叶片位置控制策略进行了研究。
  主要研究内容如下:
  1)描述了放射治疗终端设备中多叶准直器的基本结构,分析了多叶准直器控制系统的机构和组成。分别建立了多叶准直器叶片在静态调强放射治疗和动态调强放射治疗时的运动模型及控制策略。在此基础上,提出了对多叶准直器控制的要求。
  2)多叶准直器的每一个叶片都有一套独立的驱动装置,为了能够保证每个叶片的到位精度,针对多叶准直器的单叶片进行了位置控制策略的研究。首先,选取了多叶准直器叶片驱动单元为被控对象,对其建立了数学模型。随后针对该数学模型设计了多叶准直器单叶片位置PID控制器,以满足叶片到位精度的要求。为了解决控制器参数整定困难的问题,分别采取了模糊控制和粒子群算法(包括基本粒子群,加权粒子群算法和压缩因子粒子群算法)对设计的控制器参数进行了整定优化,以满足放射治疗时叶片需要精确到位的要求。
  3)为了避免由于机械结构引起叶片摩擦和碰撞,对叶片运动带来的干扰,增强叶片到位精度的抗干扰能力,并且考虑到PID控制器存在的积分环节会出现windup现象和使用粒子群算法优化求解时容易陷入局部最优解的问题。结合分数阶理论与anti-windup控制器设计了多叶准直器单叶片位置控制器,并采用量子粒子群算法对提出的分数阶anti-windup控制器参数进行了整定优化,达到放射治疗时叶片可以精确到位的目的。
  4)多叶准直器的叶片成对排列,在保证每个叶片独立位置控制精度的基础上,需要考虑多叶片之间的同步误差,以便能够更好的达到调强放射适形治疗的目的。采用交叉耦合控制方法,提出了多叶片同步位置误差的概念,定义了三种同步控制策略,并针对静态放射治疗的特性,研究了基于交叉耦合的多叶片PD同步控制策略,对控制策略的收敛性进行了证明。实验结果表明基于交叉耦合的多叶片PD同步控制策略可以减少多叶片之间的同步位置误差,提高了叶片的适形性能。
  5)针对动态调强放射治疗实施过程中,多叶准直器叶片的运动在时间域是一种重复运动的特性在基于交叉耦合的多叶片PD跟踪控制的基础上,提出了基于交叉耦合的多叶片迭代学习同步适形控制策略。随后,分析了采用多叶片同步控制策略产生叶片间累积同步误差的原因,提出了“虚拟主叶片”的概念以减少累积误差。最后,为了提高多叶片位置的控制精度,提出了基于位置域的主从交叉耦合迭代学习适形控制策略,以满足放射治疗的要求。
[硕士论文] 刘春
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:微小型行星齿轮传动系统作为机器人和其它微型精密机械的传动系统存在传动精度低、承载性能差、载荷分配不均等问题。鉴于此,本课题提出微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统模型,将传统单排平面均布的行星轮转变成双排空间均布的行星轮,成倍增加的行星轮进行误差补偿,提高传动精度,更多的轮齿进入啮合,载荷被更加均匀分配,改善均载性能;由于微小型行星传动的太阳轮尺寸小、齿数少,在长时间啮合后,轮齿可能会因疲劳而断裂,因此采用多模数设计方案,增强太阳轮的承载能力。
  本课题研究微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统传动原理,对微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统的几何参数进行计算,绘制出该传动系统的三维模型。
  建立微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统静力学模型,研究分析各齿轮及行星架的偏心误差对微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统静态均载系数的影响。
  基于弹性力学分析法,建立偏心误差对齿轮传动系统轮齿在啮合线方向的弹性形变的关系,推导出传动系统载荷分配系数公式,研究了偏心误差对该传动系统载荷分配系数的影响。
  建立微小型行星轮双排并联多模数齿轮传动系统与微小型行星轮单排同模数的齿轮传动系统的虚拟样机模型,对比仿真试验结果,分析研究在实际啮合过程中的齿间载荷的分配情况。
[硕士论文] 林忠全
软件工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:目前,工业控制领域经常应用的仪器仪表,一般都是一台高度集成和封装的独立设备,它的功能由硬件电路和事先固化好软件功能实现,这些都是出厂之前,由厂家设计好的,用户在使用过程中,无法随意更改其内部结构和功能特点;这种仪表的研发周期长期,制作工艺复杂,生产材料特殊等原因,造成其价格昂贵,用户使用起来灵活性不够。但是目前工业科技的发展日新月异,工业控制领域逐渐趋向智能化、信息化、自动化发展,基于市场的需求,我们结合计算机软件技术、虚拟仪器仪表技术和测试应用技术研发出新一代的虚拟仪表测试平台(Virtual Instrument)。由于虚拟仪表的功能是有计算机软件实现的,计算机系统丰富的存贮功能、高效的运算能力,并利用计算机软件技术,能够模拟传统仪器仪表的各项功能,甚至许多真实仪表无法完成的临界值。利用计算机的软件技术可以实现了虚拟仪表的图形化,信号模拟量变化的可视化,按需求制定虚拟仪表的控制策略,还可以充分利用计算机的网络资源。
  根据目前工业控制领域的实际需求,我们研究和开发了虚拟仪表测试平台,它能够模拟常规仪器仪表的所有基本功能,而且还可以针对特定领域,例如汽车检测平台、地矿探测平台、远程医疗测试、自动控制机床模拟等等特殊场景,制定相关的专用功能平台。在研究和开发过程中,我们查阅了大量温度变送器、压力变送器、开关量、速度检测仪、气压计等常规仪表的配置说明文件,结合现有文献资料进行了对比分析。虚拟仪表测试平台的功能模块包括:
  1、虚拟仪器仪表的功能,虚拟仪表基本操作界面的编辑与模拟信号量的配置;
  2、模拟数据通信线路上面的通信协议,例如对工业控制领域Modbus协议、CAN协议和LIN协议的解析和配置;
  3、本系统提供了监测和记录真实仪表的接口,仪器仪表实现了“即插即用”,并且实现了仪器仪表的运行状态的监测和记录;
  4、虚拟仪表的实验数据生成,特殊波形数据的生成与解析。
  本系统还提供了一些用于汽车检测的专用功能模块:支持对标准CAN和LIN网络描述文件的解析与配置,能够方便的进行总线仿真和数据传输;通过硬件在环技术能够在虚拟的环境中对汽车的电控单元与软件进行各种普通环境中不易完成的测试,以提供对硬件在环仿真的支持。
  通过楼宇温控及智能安防系统的开发环境仿真实例,检验虚拟仪表测试平台的全部功能,从楼宇温控硬件系统框架搭建模拟真实的现场实景,到对接监控主机系统开发环境,编辑测试实验数据,达到测试目的,完成整套楼宇温控系统与智能安防系统的集成。
[硕士论文] 冒鹏飞
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:精密定位技术是国家制造水平的一个重要标志,是精密驱动、精密测量、精密加工中的关键技术之一,在集成电路制造、超精密加工、数据存储技术、生物工程等领域均得到广泛应用。随着我国科技的高速发展,高尖装备特别是航空航天、精密加工、生物医疗以及微型操控机器人等领域,对定位的精密度提出了更高的挑战,传统的定位精度已经无法满足这些技术领域的要求,因此,利用现代精密驱动理论设计出行程大、性能高、可靠性强、定位速度快的定位平台成为这些技术领域突破的关键。
  论文基于超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简称GMM)具有磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大、磁机耦合系数大、居里温度高并且能够实现电磁能-机械能的可逆转化等众多优点,设计出一种精密微定位驱动器,并以此为驱动源,设计出精密定位平台。主要工作以及结论如下:
  1、根据自由能极小值原理,阐述了超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理。根据超磁致伸缩材料的材料特性,分别设计了超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive actuator,简称GMA)的磁场结构、预应力机构、温控系统等,并以此为基础,结合实际加工技术能力,设计了超磁致伸缩驱动器的整体结构,依据现有GMM棒的几何形状尺寸确定GMA的各部分的几何尺寸。
  2、借助柔性铰链单元材料受力产生的弹性变形具有运动分辨率高、无摩擦、无需润滑、制造工艺简单等独特优点,基于理论力学和材料力学理论建立了直圆形柔性铰链机构的静力学模型,获得了柔性铰链几何参数与柔性铰链平台输出位移之间的理论数学模型。运用Matlab数值仿真软件对柔性铰链平台的几何参数进行了优化,获得了柔性铰链定位平台最优的设计参数,分别是最小厚度t=0.8mm,切割圆半径R=2.5mm,高度h=10mm,工作平台宽度为60mm。通过有限元方法对所设计的柔性铰链定位平台结构进行仿真验证,结果表明理论分析和仿真结果的最大误差仅为3.06%,从而验证了静力学理论分析的正确性,为柔性铰链定位平台的结构优化设计提供了理论基础。通过有限元方法对所设计的柔性铰链定位平台进行模态分析,结果表明理论分析和仿真结果的最大误差仅为0.8%,从而验证了动力学理论分析的正确性。
  3、介绍了国内外学者针对GMM磁滞非线性所创建的Preisach模型、神经网络模型、Duhem模型、J-A模型、自由能模型这五种磁滞非线性模型,基于此,选取了Preisach模型,阐述了经典Preisach模型的含义,并在经典Preisach模型上,通过对Preisach模型的离散化,创建了GMA磁滞特性数值模型。根据所设计的GMA具体尺寸,求解出磁场模型(Id~H)、以及磁滞伸缩模型(λ~M),确定了GMA的位移输出模型。性能测试表明:磁场强度H的实验结果与理论计算的最大误差为2.43kA/m;偏置线圈,磁场强度H的实验结果与理论计算的最大误差为1.74kA/m,验证了所建磁场强度公式的正确性。随着偏置电流的逐渐增大,GMA在同等电流下的最大行程变小,这与GMM的磁滞回线一致;随着偏置电流的增大即偏置磁场的增大,GMA的回程误差减小;所设计的GMA在偏执电流为0.6A时其状态最佳,验证了GMA设计理论的正确性。位移测试平台实验结果与模型计算的结果基本吻合,证明所建模型能够较好的反映出GMA输出位移的实际情况,验证了所建Preisach模型的正确性。
[硕士论文] 邓月飞
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:轴向柱塞泵/马达是液压系统中广泛使用的元件之一,随着我国工业的不断发展,工业设备对轴向柱塞泵/马达性能要求越来越高,但传统的轴向柱塞泵在某些工业领域所表现出的性能也十分有限。本文提出了一种平衡式三排轴向柱塞泵/马达,在提高柱塞泵/马达性能的同时还能降低轴向柱塞泵/马达振动、噪声、摩擦磨损等问题,并能较好的改善缸体的平衡性。轴向柱塞泵中有三对重要的摩擦副,其中的柱塞副、配流副都包含缸体,故缸体是轴向柱塞泵/马达的主要部件,因此对新型的平衡式三排轴向柱塞泵/马达缸体特性的研究显得十分有必要,为此本论文进行了以下研究工作:
  1.平衡式三排轴向柱塞泵/马达是在普通轴向柱塞泵的基础上,吸取具有单斜面双排柱塞结构的两排轴向柱塞泵设计经验。采用双斜面的斜盘,内中外排柱塞交错排列的缸体,异侧同排高低压油口对称分布。对普通单排轴向柱塞泵的设计公式进行修正,并对修正后的公式进行二次推导,继而对关键零部件的结构尺寸如缸体中心孔直径d、柱塞的分布圆半径R、吸排油窗孔的面积f0、缸体壁厚δ等进行参数优化,并最终设计出平衡式三排轴向柱塞泵的整体结构,最后对缸体的强度与刚度进行了校核。
  2.平衡式三排轴向柱塞泵/马达是一种新型的多排柱塞泵/马达,其缸体上多排柱塞孔交错设置,配流盘的高低压油口对称分布决定了其流量脉动情况与普通单排轴向柱塞泵及普通双排轴向柱塞泵有所区别。对三排泵的流量脉动公式进行推导。以内中外排柱塞数为7、7、14与柱塞数为8、8、16为例,运用MATLAB编程绘制出内排、中排、外排以及总的瞬态流量。分析不同柱塞数目及不同柱塞布置条件下整泵的流量脉动的情况。
  3.对缸体的动力学特性进行分析,推导出平衡式三排轴向柱塞泵缸体的倾覆力矩的公式,对内中外排柱塞数分别为奇数、奇数、偶数与内中外排柱塞数全部为偶数两种情况的倾覆力矩进行推导,并采用MATLAB编程,探究内中排柱塞数为相同奇数,外排柱塞数为偶数,与内中排柱塞数为相同偶数,且外排柱塞数也为偶数两种情况下缸体的平衡性。
  4.以平衡式三排轴向柱塞泵缸体为研究对象,通过设计不同的输入输出参数,运用有限元软件中优化模块下的Response Surfaces优化缸体应力参数。与原设计结构相比,优化设计后使得应力减少11.7%。
  5.建立了平衡式三排轴向柱塞泵配流副平行油膜与楔形油膜泄漏量的数学模型,通过MATLAB编程计算平行油膜泄漏量与楔形油膜的泄漏量腰型槽中心角、油膜中心厚度、密封带压差、密封带半径,分析了上述参数对配流副泄漏量静态特性的影响,并以此为基础进一步探究了配流副泄漏量特性与波动周期、缸体转速、波动幅值之间的关系。
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