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关键词： 破冰船   扩展多面体   离散元   主机功率   冰阻力  

摘要： 冰阻力是冰区船舶航行过程中的重要影响因素,对船舶航行性能及航行安全带来严峻挑战。该文采用扩展多面体离散元方法建立冰船动力作用过程的三维离散元方法,基于船舶推进功率与推进力间近似关系,将螺旋桨推力、冰载荷、舵力及水动力等载荷分开考虑,开展恒功率破冰船六自由度非线性操纵直航冰阻力及运动响应计算。为验证该离散元方法的可靠性,对比了碎冰区DUBROVIN及平整冰区LINDQVIST冰阻力公式计算结果。基于船舶在不同主机推进功率及复杂冰况下的直航冰阻力计算结果,展开对船舶破冰航速的影响因素分析。在此基础上,给出了船舶垂荡、横摇、纵摇等冰区船舶运动响应模拟结果和极地船舶运动响应预报结果,最后对碎冰及平整冰区船舶冰阻力及运动响应展开了对比分析。该方法可有效计算船舶冰阻力,其模拟结果可为冰区船舶运动响应及航行安全预警提供重要参考。

关键词： 自由度   运动求交   约束求并   螺旋理论   图谱法   过约束  

摘要： 过约束的存在是导致机构实际自由度和计算自由度出现不一致的根本所在,针对这个问题提出一种综合运动求交与约束求并的自由度分析方法。首先,借助数学符号描述机构的运动特征和约束特征,明确分支和动平台相关参数的表示形式,阐述自由度分析求解的基本步骤;其次,基于图谱法的线图元素清晰、直接的表达机构运动和约束的关系,从避开过约束的角度提出基于运动求交的机构自由度直接分析方法;然后,面向多自由度分支组成的并联机构,将过约束视作一般约束,提出基于约束求并的机构自由度间接分析方法;最后,建立综合运动求交与约束求并的机构自由度分析方法,并通过两种典型的机构算例验证了其应用于复杂机构自由度分析的高效性和实用性。该自由度分析方法统一两种思路的表达形式,计算简单,逻辑严谨,不仅为含过约束机构的自由度求解提供了思路,也为后续的机构综合研究提供了参考。

关键词： 概率密度函数方法   大涡模拟   粒子追踪   曲线坐标   超声速燃烧  

摘要： 输运型概率密度函数(PDF)方法能够精确求解湍流/化学反应相互作用,有望为超燃冲压发动机中复杂的超声速湍流燃烧模拟提供可靠的计算模型。目前超声速流中的概率密度函数方法研究大多局限在简单构型下,严重限制了其在实际超声速燃烧问题中的应用。本文旨在发展基于多块结构网格的曲线坐标概率密度函数方法,使其能适用于具有复杂构型的实际超声速燃烧问题模拟。推导了曲线坐标下的概率密度输运方程和随机微分方程,建立了一般曲线坐标系下的概率密度函数方法及其数值求解框架。提出了多块结构网格下的曲线坐标粒子追踪方法,通过多块网格间的拓扑信息进行粒子局部坐标转换与通信,解决了曲线坐标下粒子局部坐标与全局坐标不一致的问题,成功实现了粒子在全局网格的连续追踪。在一维激波管和二维时间混合层中,通过与精确解和直接数值模拟结果的对比,初步验证了该方法和模型的准确性。进一步在二维圆柱绕流和三维球头绕流算例中,测试了其处理复杂构型的能力。最后开展了典型的超声速同轴射流火焰的数值模拟,与实验结果进行了定量对比。结果显示预测的反应组分与实验符合较好,全面验证了一般曲线坐标系下的概率密度函数方法在实际超声速燃烧问题中的适用性和准确性。

关键词： 并联骨折外固定支架   静刚度建模   多目标优化  

摘要： 传统的下肢骨折治疗方案普遍存在复位精度差、易造成二次创伤与并发症、延迟愈合等局限性.随着现代医学和机器人学的交叉融合,基于六自由度并联机构的微创骨折复位与固定技术得到广泛关注和应用.现有六支链并联骨折外固定支架普遍存在术前CT扫描易造成伪影、影响骨折复位轨迹规划的不足.针对上述问题,本文设计了一种三支链六自由度并联外固定支架3-SPRP.由于此支架用于人体下肢骨折的复位与固定,为了满足外固定支架的轻质量高刚度需求,本文开展了将支架质量与刚度均视为优化目标的多目标优化设计.首先,采用闭环矢量法建立3-SPRP并联外固定支架的位置逆解模型,基于瞬时旋量建立运动/力映射模型;其次,采用半解析建模法建立3-SPRP并联外固定支架的静刚度模型,对比理论刚度模型与有限元仿真模型在6个典型位姿下的各向线刚度,验证支架刚度模型的准确性;最后,以瞬时变形能为刚度指标,将3-SPRP并联外固定支架的刚度与质量均视为优化目标,开展多目标优化计算,定义最小距离法确定支架刚度与质量的最佳匹配关系.优化后整机质量约为0.889 kg,相较于优化前仅增加24 g,而各向线/角刚度值普遍提升50%左右,表明3-SPRP并联外固定支架的刚度优化设计的有效性.上述工作将为后续三支链六自由度并联骨折外固定支架的物理样机制造与实验研究提供理论基础.

关键词： 设计原则   PLC控制   多自由度   移动机械手   教学设备  

摘要： 本文对基于PLC控制的多自由度机械手教学设备进行设计研究。该教学设备由可移动基座、腰部、前臂、后臂、手腕、夹持器、PLC控制部分组成。该教学设备可实现移动、夹持等功能演示。

关键词： 电动轮椅   三自由度模型   优化   仿真   操纵稳定性  

摘要： 目的提出一种电动轮椅三自由度模型,旨在优化轮椅转向时的操纵稳定性。方法基于二自由度车辆模型,同时考虑车身惯性和侧向风的影响,引入转向行驶时的轮椅侧倾角,建立轮椅三自由度转向模型。分别对不同工况下电机角速度输入的侧向速度、质心侧偏角、横摆角速度和车身侧倾角响应进行仿真分析,以KS2电动轮椅为例设计轮椅转向实验,验证模型的合理性和可行性,以及该模型算法对轮椅操纵稳定性的优化效果。结果加入三自由度模型算法的电动轮椅操纵稳定性能得到显著提高,响应曲线更加平滑。仿真结果表明,轮椅左右电机转向相同时,|V_(L)-V_(R)|/t越小操纵稳定性越好;|V_(L)-V_(R)|/t相同时,电机反向转动具有更好的转向机动性,但是操纵稳定性也随之降低。结论仿真分析与实验结果具有较好的一致性,验证该模型具有合理性和可行性,该模型算法可以较好优化电动轮椅的操纵稳定性,可普遍适用于研究和分析不同轮椅转向时的操纵稳定性。

关键词： 出舱活动   空间站   航天器产品   机械臂   空间机器人   航天员   7自由度  

摘要： 中国空间站的“手臂”——机械臂看起来就是两段“棍子”,但它不仅能辅助航天员出舱活动,在空间站的太空生活工作中也发挥着重要作用。它是一种非常精密和先进的空间机器人,集机械、电子、热控以及视觉和动力等多个领域于一身。空间站机械臂既要拖动大质量的载荷,又要保证高控制精度,还要具备视觉识别能力甚至自主分析能力。空间站的“师父们”以前从没有研制过这种类型的航天器产品,因此难度特别大,空间站身上机械臂的新技术比例超过80%,好在空间站的“师父们”迎难而上,最终研制出我们自己的大型高性能机械臂。

关键词： 机构   自由度   公共约束   运动副的自由度   运动副的绝对运动   坐标方向  

摘要： 在机构自由度的计算中,采用修正的Grübler-Kutzbach的机构自由度计算公式时,需要求解机构的公共约束。为了用更简单的方法获得机构的公共约束,在定义机构公共约束的基础上,先根据运动副的自由度和绝对运动不为零的运动副约束方向,得到机构没有公共约束的坐标方向;再在其余的坐标方向上确定机构的公共约束。有、无机构公共约束的坐标方向数共为6。机构的公共约束等于有公共约束的坐标方向的个数。该方法不用螺旋理论求解机构的公共约束,方便了工程技术人员求解,也方便了修正的Grübler-Kutzbach的机构自由度计算公式在工程技术人员中得到推广和应用。

关键词： 六自由度机械手   建模   运动仿真  

摘要： 采用Solid Works建立机械手的三维模型,然后按要求对机械手零件以各种约束和螺栓等连接来进行合理装配;并用Matlab软件来实现六自由度机械手的运动仿真,为机械手在实际运用中提供理论依据。

关键词： 计量学   姿态测量   车辆构架   六自由度振动台   频域积分  

摘要： 轨道几何动态检测是保障列车安全运营的重要手段,而车辆构架运动姿态测量结果的准确性直接影响到轨道几何动态检测的可靠性。为提高车辆构架运动姿态检测的准确性,提出了一种基于六自由度振动台的构架运动姿态测量方法。在模拟构架上施加不同的激励信号,利用安装测点布置位置上的4个三轴加速度计采集加速度信号,通过快速傅里叶变换的频域积分方法和基于位移数据的姿态计算算法,将加速度信号转化为模拟构架几何中心的位移及转角,并以六自由度振动台的输入信号作为标准,开展构架姿态测量方法的验证试验,结果表明构架姿态测量算法的横向位移、垂向位移、侧滚、摇头中误差分别小于0.04 mm,0.03 mm,0.05°,0.03°。