螺旋式单链介入微机器人的研究

在对基于螺旋密封原理的双链介入机器人驱动原理进行分析研究的基础上,提出了单链介入机器人设计方案,构建了螺旋式单链介入机器人性能分析数学模型。分别制作了直径为5mm的螺旋式双链介入机器人及单链介入机器人的实验样机,并对机器人在离体肠道中的平均运行速度进行了比较,研究结果表明,螺旋式单链介入机器人能获得与双链结构机器人类似的运动性能。单链介入机器人在脉动流场中的运行实验表明,单链介入机器人能在流体冲击下进行顺流运动和逆流运动。     

基于Fluent的碟形水下机器人黏性流场阻力分析

在水下机器人领域,水动力一直作为研究重点,其中机器人水下运动过程中黏性流场阻力分析尤为关键。文中以碟形四旋翼水下机器人作为研究对象,分析其在自由起降及精确着底运动过程中所受黏性流场阻力变化规律。首先对碟形四旋翼水下机器人进行运动方程建模,采用计算流体力学CFD方法,利用Fluent软件对其在黏性流场内运动进行多组仿真实验。实验结果证明该机器人运动速度与黏性流场阻力关系符合运动规律,对后续机器人结构优化及样机开发具有重要指导意义。     

大型管道水下检测机器人的运动学分析

机器人在大型管道内行走时,会受到多重阻力的共同作用,从而影响机器人的行进速度和工作效率,因此对机器人的运动学分析具有十分重要的工程意义。针对管道检测问题,采用CFD方法和FLUENT软件,建立大型管道检测机器人流场模型,并对其进行了数值模拟,分析了水流速对机器人所受流体阻力大小的影响。同时,本文也对机器人的水平行走阻力和爬坡行走阻力进行分析,保障了机器人运动的可行性,为该类型机器人的创新设计提供了理论依据和参考。     

内置转子圆管内三维流动与传热数值模拟

建立了内置转子圆管的三维流动模型,采用RNGk-ε湍流模型对内置不同截面转子的管内流场进行数值模拟,得到了流动特性和传热特性。研究表明:内置组合转子的管内流动是复杂的三维螺旋流动;转子管内流体的径向速度比光管内流体的径向速度大;流体在转子直径范围内的切向速度随半径的增大而增大,流体在转子与管内壁间的环向区域内存在明显的切向运动;转子截面的改进明显改善了管内流场的分布,提高了管内换热效率,同时增大了阻力系数。     

冲锤处流体阻力对高能射流式液动锤性能影响

应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)动态分析技术,对SC-86H型高能射流式液动锤试验样机流场特性进行了研究,计算得出了相关性能参数,并通过实验装置对液动锤不同输入流量下的冲击频率进行了测试。将液动锤冲击频率的模拟计算结果与实测结果进行了对比,结果表明:若不考虑冲锤处流体阻力的影响,液动锤冲击频率计算值与实测值相比明显偏大,最小相对误差达18.9%;而将冲锤处流体阻力的作用考虑在内,冲击频率的计算值与实测值比较接近,最大相对误差为8.0%,大幅提高了数值计算结果与实测值之间的吻合程度。这说明冲锤高速运动产生的轴向流体阻力不容忽略,设法减小冲锤处流体阻力的大小,有望成为提高高能射流式液动锤冲击功和能量利用率的重要途径。     

粘性流体内花瓣型胶囊机器人驱动特性

以花瓣型胶囊机器人为模型,推导机器人表面流体运动规律。通过解析法求得机器人外围流体动压力表达式,以牛顿内摩擦定律为基础得到液体阻力矩模型,对比研究花瓣型和圆柱形两种胶囊机器人管道内悬浮能力,分析流体粘度对不同廓形胶囊机器人液体阻力矩的影响,得到花瓣型胶囊机器人能够悬浮在管道中避免与管道接触,同时可以降低磁场线圈功耗,且流体环境适应能力强,提高了临床应用的可行性。     

内置扭带换热管三维流动与传热数值模拟

对自转扭带换热管内流体的运动进行了分析,根据流体在自转扭带管内的切向运动特点,提出将自转扭带等效虚拟于静止扭带的思路。建立内置螺旋扭带换热管流体流动的三维物理模型,采用大型CFD软件FLUENT6.0中的RNG k-ε模型对内置扭带换热管内的流动与传热进行了数值模拟,得到了内置扭带换热管流体流动的速度、压力、湍流强度场分布规律及传热特性。比较了静止、旋转及旋转等效虚拟静止扭带换热管的传热和阻力降特性,分析了不同螺距对强化传热和阻力降的影响。速度场的模拟值与激光测速仪试验值进行了比较,二者吻合较好。     

水下捕捞机器人耐压舱仿生造型设计

为降低捕捞作业的运行成本,对水下捕捞机器人的耐压舱进行仿生减阻设计。以粒突箱鲀为仿生对象,基于灰度转换和边缘检测技术提取其外形特征廓线,以捕捞机器人特征高度为设计变量建立仿生耐压舱三维模型,并将回转体耐压舱模型作为对比对象,通过Fluent软件对两种耐压舱进行流体仿真分析,分别比较其阻力系数、阻力和升力系数。结果表明：与传统回转体耐压舱相比,仿生耐压舱具有更小的阻力系数,可有效减小其在水中行进的阻力;仿生耐压舱的流线型结构有效降低了流场扰动,提高了捕捞机器人在水下运行时的平稳性。研究结果可为水下捕捞机器人耐压舱的造型仿生及减阻设计提供理论依据。     

某发动机空滤器的CFD优化设计

应用流体力学软件FLUENT,对某发动机空滤器内部不可压缩、湍流流场进行三维数值模拟和结构优化。计算中对滤芯采用多孔介质模型,着重分析了空滤器内部的压力场分布、速度场分布;对入口管、出口管和入口管与腔体连接位置进行优化,并分析不同方案下空滤器的流场及其管道的流动阻力损失和空滤器滤芯流体的速度均匀性,再进行CFD仿真计算验证,最终得出了一个流场和阻力损失都合理的模型;优化方案对改善空滤器的阻力损失和滤芯前速度均匀度取得了显著效果。     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。     

无源管道机器人推进系统的摩擦阻力计算

皮碗式机器人在输气管道内运行需要克服与管壁间摩擦力的影响,研究摩擦力与皮碗结构的关系,从而控制机器人运动速度是当前输气管道检测的重要课题。文章建立了皮碗式无源管道机器人受力模型,根据力的叠加原理把皮碗与管壁间的压紧力分解成圆筒壁挤压力和悬臂梁的弯曲力,推导得出皮碗所受压紧力与皮碗各部分结构间的关系式。通过实例计算得出压紧力与皮碗厚度等的关系曲线,从而为机器人在输气管道内运行的速度控制提供了理论依据。     

机器人在垂直输气管道中的运行速度

管道机器人在进入垂直输气管道向下运行时,由于机器人自重会使设备加速运行。为了探究垂直输气管道中机器人的运行速度规律,首先利用牵拉试验验证了机器人在一定运行速度范围内其运行阻力基本保持不变;然后根据动量守恒定律建立了机器人在垂直管道向下运行时的受力状态方程。由于机器人自重影响,机器人将做加速度减小的加速运动,分析了由于加速运动导致的机器人速度增量与压强增量间的关系,当压强增量与机器人自重再次达到受力平衡时,机器人速度达到最大值。确定了机器人最大运行速度的计算方法,可在机器人通过垂直输气管道时提前预测机器人的最大运行速度。通过与数值模拟结果和工业现场实际运行速度进行对比,验证了计算方法的可靠性。     

考虑流固耦合的管道机器人冲击环焊缝过程动力学建模与分析

以管道机器人（Pipeline inspection gauge，PIG）为载体的内检测技术是保障油气管道安全运输的重要手段。针对管内高压流体作用下，管道机器人在冲击管内环焊缝过程中产生的动力学行为突变问题。建立了管道周向受限空间中基于Kelvin弹簧阻尼的管道机器人密封盘等效动力学模型，结合管道机器人本体建立了多体系管道机器人动力学模型；详细推导了管道机器人轴向振动微分方程，以及管内流体的流动方程；并使用Matlab/Simulink与Adams进行流固耦合仿真，作为重要的工艺参数之一，研究了管道机器人速度改变时，其在冲击环焊缝过程中的动力学响应情况。结果表明：所建立的密封盘及管道机器人动力学模型能够很好地表征密封盘在管道轴向、径向以及周向的力学特性；运行速度越快，管道机器人通过环焊缝引起的轴向振动越剧烈，冲击振动越明显；而垂向和俯仰振动现象随运动速度增大而显著减弱。     

涡流管内三维强旋流流场数值模拟

根据流体在涡流管内流动的强旋流特点,建立涡流管内流体流动的三维物理模型,采用计算流体力学中Realizable κ-ε模型对涡流管内流动进行数值模拟,得到切向、轴向与径向流速的分布规律,并对涡流管内部流场的循环流特性进行详细分析.在此基础上,利用量纲一分析方法将数值结果与前人的实测结果加以比较,在一定程度上验证了模拟结果的精确性.数值结果表明,涡流管内的流体流动呈现出复杂的三维流动状态,从旋涡的角度来看,有准自由涡与准强制涡的组合运动;从轴向与切向运动的合成而言,有外旋流与内旋流之分;从径向与切向的综合流动分析,则有所谓的螺旋流存在;就径向与轴向运动的合成而言,则有循环涡流的存在;轴向流速包络面是内外旋气流的分界面,内外旋气流以循环涡流的形式通过轴向零速包络面不断进行传热传质交换.     

抛物线轨迹规划在工业机器人中的应用

论文对抛物线样条函数进行系统的分析,对于本课题中所研究的机器人在搬运过程中的轨迹应用了抛物线插值函数;通过Matlab对机器人的轨迹进行仿真,其结果显示出抛物线函数虽然与其他插值函数相比简单,但对于本课题中的机器人已经非常适合,不仅能够在机器人运动过程中保证运行稳定,速度连续,而且在启动和加速过程中,冲击也非常小。     

管道检测机器人动力学及流场分析研究

管道检测机器人在管内运动产生的流场及受力情况是研究在线管道机器人的基础。该文运用牛顿力学与CFD软件结合的方法进行流场数值计算，分析不同介质对机器人运动产生的不同影响，在理论与仿真实验的基础上进行了详细的分析与研究，结果表明前后端面产生的压差驱动力对管道机器人运动的主导作用。     

沉降离心机流场分析与结构改进

沉降离心机的生产能力取决于流体的运动形式与运动速率,因此对沉降离心机内部流场的研究有助于沉降离心机的结构优化设计。本文采用流体计算力学技术对沉降离心机在稳定工作状态下的内部流场进行仿真分析,解释在实际生产过程中出现的一些现象,并对沉降离心机结构作出若干处优化。通过沉降离心机结构改进前后的流场仿真分析研究对比,为优化后的沉降离心机的性能可靠性提供一定的理论依据。     

基于CFD的轴向柱塞泵流动特性的仿真研究

通过CFD仿真对柱塞泵柱塞腔和配流盘的流动特性进行了研究,建立了SCY-14型柱塞泵流体的几何模型和物理模型,在对配流过程非定常流场各个位置流态进行流态判断后,采用层流加局部湍流的数学模型模拟流场的实际状态。根据轴向柱塞泵工作时的两个主运动,采用滑移网格模型模拟柱塞与缸体相对配流盘的旋转运动及采用动网格模型模拟柱塞沿缸体轴线相对缸体的往复运动。通过设定边界条件和工作条件,对处于不同旋转角度柱塞泵的流态特性进行CFD仿真。仿真结果表明:柱塞泵在吸排油过程中,即低压向高压转换和高压向低压转换的过程中,柱塞腔内部有比较明显的压力冲击现象。柱塞腔的压力冲击主要是由柱塞泵配流过程中的流量倒灌和阻尼槽的节流作用共同影响形成,压力脉动周期由泵的转速和柱塞数决定。     

零压力负载条件下滑片泵流场特性研究

滑片式采油泵作为一种全金属容积泵,主要应用于稠油热采领域。针对滑片泵滑片旋转与滑动的耦合运动特征,基于计算流体力学相关方法,建立了滑片泵流场数值实验模型,对滑片泵理想状态下的流场进行了数值模拟研究。研究结果表明：当滑片腔处于吸液区时,滑片腔内体积增大,压力下降,流体被吸入到滑片腔;当滑片腔处于排液区时,滑片腔内体积缩小,压力上升,流体被排出滑片腔;滑片腔入口与出口位置速度高,有利于油砂快速通过滑片泵;滑片泵流量与转速成正比,随时间变化相对稳定,流量输出具有一定的弱周期性。     

动力电池冷却系统流量分配特性研究

利用CATIA软件建立动力电池冷却系统的内部流体域几何模型,通过STAR CCM+软件对乙二醇冷却液的流动情况进行模拟,得出流场的流量分配情况及其压力损失值。理论分析冷却液的流动机理,并结合数值模拟结果对冷却系统流体域的几何结构模型进行优化改进。由于流场的流体分配主要受阻力作用和分流、汇流作用的影响,通过重置管路布置的方式来调节分流、汇流作用,改变进出口五通接头及排出(吸入)Y型三通接头等连接件的结构参数来调整各流道流动阻力,使系统内进行换热的各冷却液流道流量分配达到均匀。系统优化后的流量分配情况良好,各流道内流体的速度趋于一致,故各流道汇流时所产生的湍流混合冲击损失减少,降低了流体阻力损失。