风电塔筒爬壁机器人吸附结构优化设计及试验研究

为适应风电塔筒外壁作业需要,设计了一种可自适应曲面的永磁吸附履带式爬壁机器人,并对吸附结构进行了优化。首先建立了爬壁机器人在壁面的吸附力学模型,分析了爬壁机器人永磁吸附单元所需要的最小吸附力;其次设计了永磁吸附单元的基本结构及履带上永磁吸附单元的排列方式,通过有限元软件分析了不同设计参数对永磁吸附单元吸附力和磁质比的影响,并基于响应面模型,通过多目标优化分析得到了设计参数的最优值;最后通过永磁吸附单元和整机试验验证了吸附结构优化结果的可靠性及爬壁机器人负载稳定性。     

Halbach方形阵列吸附机构优化设计

为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值.通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性.结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100％,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据.     

基于ANSYS的爬壁机器人永磁吸附单元研究

针对如何提高永磁式爬壁机器人磁吸附单元吸附能力,提出了一种新型的磁吸附单元模型。运用ANSYS中的ANSOFT Maxwell模块对吸附单元模型的二维静态磁场进行了仿真分析,通过分析磁吸附单元各结构尺寸对吸附力的影响,得出水平充磁的方型永磁体改变其高度尺寸对磁吸附力的影响大于改变水平磁化尺寸的影响。对比了传统型和新型单元在尺寸结构相同的条件下,吸附力随工作气隙变化的关系,结果表明新型的磁路具有永磁利用率高、吸附力大、吸附稳定性好等优点。     

基于有限元分析的不完全消磁机构的优化设计

基于内平衡原理的爬壁机器人永磁吸附机构具有吸附脱离易控、功耗低等优点,利用有限元方法对其结构进行优化设计,并利用虚拟样机技术对机构参数与机构吸附特性之间的关系进行了分析。通过实验对其结果进行了验证,优化设计后的吸附单元,吸附状态时最大吸附力可达319N,脱离状态时的吸附力仅为6N。     

基于Halbach阵列的爬壁机器人永磁吸附模块优化设计

针对轮式永磁吸附爬壁机器人吸附效率较低的问题，设计了一种基于Halbach阵列的新型弧形永磁吸附模块，研究其吸附特性并进行优化。运用ANSYS Maxwell软件对新型吸附模块进行有限元仿真分析，研究Halbach弧形永磁体阵列在聚磁一侧的磁感线分布规律；为了减少弱磁侧的磁感线泄漏，在传统的Halbach永磁阵列基础上，在弱磁侧增加了轭铁装置；通过对弧形磁体阵列的角度、宽度、厚度及轭铁的厚度对吸附力的影响的研究，采用控制变量法并利用ANSYS Maxwell对新型弧形永磁吸附模块的关键结构尺寸进行优化，设计了永磁吸附模块的最优尺寸。结果表明，经过优化后的吸附单元的总体质量降低，但单位质量吸附力增大，磁能利用率大幅度提高，为轮式爬壁机器人的优化设计提供依据。     

基于Halbach阵列爬壁机器人永磁吸附装置有限元分析

船舶除漆爬壁机器人通过永磁吸附装置吸附于船舶钢板壁面,为了确保爬壁机器人可靠的吸附于船舶钢板壁面,设计了基于传统型和Halbach阵列的两种永磁吸附装置,对两种永磁吸附装置的磁场进行了有限元分析,得到磁感应强度、磁场强度的分布规律,以及不同影响因素下吸附力的变化规律等,验证了基于Halbach阵列永磁吸附装置设计的合理性。     

大型油罐爬壁机器人吸附结构的优化设计

以用于大型油罐视频检查的爬壁机器人为背景,对爬壁机器人的吸附结构进行优化设计。综合已有的吸附结构方式,结合实际应用环境,选择履带式永磁吸附方式,通过分析爬壁机器人可能的失效形式,计算得到了最小吸附力,并在仿真实验的基础上,分析比较了最小吸附单元可能的四种结构形式,确定了吸附单元最终的结构形式,计算校核该种结构形式的吸附力的可靠性。最小吸附单元包括永磁体、扼铁、隔磁块,磁吸附力大小主要受尺寸、结构布局的影响,利用SolidWorks建立最小吸附单元的三维装配模型,将装配模型导入ANSYS Workbench中,对模型进行磁场分析得到其磁通密度云图和磁吸附力云图,将分析结果进行比较选择,确定理想模型吸附力的大小,最终通过试验制造,验证吸附结构的真实承载情况。     

履带式壁面移动机器人吸附结构优化设计

为了提高小型履带式壁面移动机器人的安全性,采用COMSOL软件对履带吸附结构进行优化设计。结合磁路设计原理,设计合理的磁路结构,研究影响该结构吸附性能的主要结构参数;根据各参数的影响效果及影响程度,对关键影响参数进行分析、研究,在保持吸附单元外形尺寸不变的情况下,提高吸附单元的吸附能力,完成永磁吸附单元的尺寸优化;将优化后的吸附单元按照履带吸附机构直线阵列,研究充磁方向、中心距对吸附性能的影响,完成吸附结构的阵列优化。优化后,吸附单元的吸附力提高,同时减少了吸附单元阵列对吸附力的影响。     

基于Ansoft的爬壁机器人吸附装置分析及设计

为了满足风力发电机检测的爬壁机器人在竖直塔筒外壁面安全吸附、移动平稳自如、具备一定的负载能力,设计了一种新型永磁吸附装置。根据Ansoft软件进行永磁铁磁场分析,确定吸附单元的最佳形状、尺寸参数,以及不同间隙下的吸附力变化规律,根据结果设计了一种磁能利用率极高的磁吸附装置,保证机器人在壁面运动时具有足够大吸附力的同时,吸附装置自身体积质量最小,符合爬壁机器人自身重量尽量轻的要求。     

履带式爬壁除锈机器人设计及试验

针对修船作业中船舶壁面的除锈问题,设计了一种单纯采用永磁吸附实现附壁的履带式爬壁机器人,利用其上搭载的高压水射流装置实现除锈。首先,设计的永磁吸附单元由多块永磁体组成,采用Halbach充磁方向布置,单块磁吸附力理论接近1.4 kN;然后,机器人行走方式采用同步链传动、双链条履带结构,使永磁吸附单元可靠稳定的吸附在壁面上,链条的涨紧采用垂直涨紧和水平涨紧相结合的方式,驱动系统采用双电机驱动及锥齿换向结构,同时清污盘与框架的连接采用十字铰接式柔性设计。最后,对制造的永磁吸附单元开展力学实验,对搭建的功能性样机开展水平运动、垂直爬壁和1∶1实船模型爬壁等实验。研究结果表明：制造的单块永磁吸附单元的吸附力可达1 kN,满足机器人抗倾覆要求;功能性样机在爬壁实验中是可以可靠附壁的,同时可实现机器人的行走和转向运动,为后期工程样机积累了实验数据,为机器人进一步优化奠定了基础。     

Multi-scale simulation method with coupled finite/discrete element model and its application

The existing research on continuous structure is usually analyzed with finite element method (FEM) and granular medium with discrete element method (DEM), but there are few researches on the coupling interaction between continuous structure and discrete medium. To the issue of this coupling interaction, a multi-scale simulation method with coupled finite/discrete element model is put forward, in their respective domains of discrete and finite elements, the nodes follow force law and motion law of their own method, and on the their interaction interface, the touch type between discrete and finite elements is distinguished as two types: full touch and partial touch, the interaction force between them is calculated with linear elastic model. For full touch, the contact force is proportional to the overlap distance between discrete element and finite element patch. For partial touch, first the finite element patch is extended on all sides indefinitely to be a complete plane, the full contact force can be obtained with the touch type between discrete element and plane being viewed as full touch, then the full overlap area between them and the actual overlap area between discrete element and finite element patch are computed, the actual contact force is obtained by scaling the full contact force with a factor which is determined by the ratio of the actual overlap area to the full overlap area. The contact force is equivalent to the finite element nodes and the force and displacement on the nodes can be computed, so the ideal simulation results can be got. This method has been used to simulate the cutter disk of the earth pressure balance shield machine (EPBSM) made in North Heavy Industry (NHI) with its excavation diameter of 6.28 m cutting and digging the sandy clay layer. The simulation results show that as the gradual increase of excavating depth of the cutter head, the maximum stress occurs at the roots of cutters on the cutter head, while for the soil, the largest stress is distributed at the region which directl     

195柴油机连杆有限元分析及结构优化

运用ANSYS软件对195柴油机连杆进行了三维有限元分析。得到了连杆在最大压缩力工况和最大拉伸力工况的应力、应变分布图和强度安全系数。根据分析结果,对连杆进行了优化设计,连杆的总质量降低了7.3%。计算分析结果能为连杆可靠性设计提供一定的理论参考。     

涡街流量计旋涡上举力系数的研究

在涡街流量计中,频率感测元件是其核心部件,旋涡上举力的大小直接影响到感测元件的灵敏度。本文通过实验与研究给出了比较准确的举力系数,为感测元件的设计提供了依据。     

轧机工作辊有限元分析

四辊轧机在工作过程中,工作辊既承受工件的变形抗力,又承受轧机轧制力和弯辊力的共同作用,造成辊身应力状态复杂。为保证轧辊的合理与优化设计,采用有限元方法针对轧辊工作过程进行分析,提出了一种有限元模型建模方法,准确计算出工作辊在工作过程中的变形和应力分布。计算结果为轧辊的结构改进与优化设计提供依据,以提高轧机的设计水平。     

盘形可转位大模数齿轮铣刀强度有限元分析

通过分析影响盘形可转位大模数齿轮铣刀切削力的几个因素,确定每齿进给量变化是影响切削力的主要因素。以此为基础,介绍了齿轮铣刀的强度有限元分析的方法。利用有限元方法分析齿轮铣刀的刀体强度,验证了铣刀的设计安全性,为铣刀的优化设计提供了参考。     

飞机垂直尾翼的非线性结构设计

基于三维有限元数值分析，对飞机的重要部件垂直尾翼进行结构设计。通过确定主要受力构件，对传力进行分析，对垂直尾翼结构进行了有限元分析，得出了垂直尾翼应力和位移的数值结果。可为我国飞机的自主设计提供一些帮助，也可以为三维非线性有限元数值分析方法在飞机结构设计中的应用提供可借鉴的经验。     

双转子压缩机振动的有限元数值分析与实验研究

目前在类似压缩机外壳的结构振动模态和响应的有限元分析技术已经成熟，但是从压缩机设计或测量参数出发，计算振动激励力，分析压缩机运转时的振动响应还有一定的难度，振动响应分析的精度往往难以满足工程开发的要求。文中根据某型双转子压缩机的实际结构和特性，建立压缩机动力学模型，分析双转子压缩机正常运行时的激励力．实现有限元软件对压缩机壳体振动响应的数值理论分析，并与实验结果的进行比较，结果表明这是一种有效的计算方法。     

基于ANSYS的YOXD650液力耦合器泵轮的强度分析

利用ANSYS软件对YOXD650型液力耦合器的泵轮进行有限元分析,研究其在液体离心力作用下,液体对泵轮的作用力情况,计算得出其最大应力远小于许用应力,为耦合器泵轮的设计提供了参考.     

无油涡旋压缩机密封条的有限元分析

为了提高无油涡旋压缩机轴向间隙的密封性能,以涡旋齿顶的聚四氟乙烯密封条为研究对象,对其进行有限元分析。利用三维建模软件建立了密封条和涡旋齿的几何模型,导入有限元软件中进行网格划分。通过齿顶密封模型的受力分析,详细阐述了边界载荷的计算依据,分析了密封条沿渐开线展开角方向的底面和侧面气体力载荷变化规律。设定了密封条的边界条件,对密封条模型进行有限元分析。计算结果表明,借助有限元技术可以获得不同曲轴转角时密封条的应力、变形分布规律,更好地掌握了密封条的工作性能,为密封条的设计提供了新方法。     

涡旋压缩机齿端面密封条的力载荷分布规律的研究

通过涡旋齿端面槽内安装密封机构,可以有效降低涡旋齿端面轴向间隙的泄漏。根据密封机构的工作原理,对涡旋齿内密封条进行了受力分析,详细阐述了重力和压差力载荷计算的理论依据,进一步深入研究了密封条所受力载荷的大小及分布规律。计算结果表明,压差力是密封条的最重要力载荷,是保证齿端面密封的关键作用力;沿渐开线展开角方向呈现间断式分布规律,气体压缩过程中压差力逐渐增大,使轴向间隙减小而不易产生泄漏,吸气、排气过程压差力逐渐降低,使轴向间隙增加而易产生泄漏,这将为密封机构的设计与计算提供了理论依据。