约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化

为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。     

盆架状压电宏微平面作动器半解析性理论建模

为丰富宏微平面运动装置形式,该文提出了盆架状压电作动器。设定盆架状结构的一阶面内对称弯振模态和二阶反对称纵振模态为工作模态,利用粘附于盆架状作动器表面的压电陶瓷激发工作模态振动,迫使驱动足同时沿xOz、yOz面做椭圆轨迹行进以推动移动体。根据传递阵力学原理,构造作动器各单元的振动传递方程,在确定各单元间连接与传递条件及作动器压电边界条件基础上,建立了作动器的半解析性机电耦合传递矩阵模型,编制了模型的解算程序。建立作动器的多目标优化数学模型,求得其优化结构尺寸。为印证半解析理论模型,还构建了作动器的机电耦合有限元数值模型。传递阵模型与数值模型解得的作动器工作模态频率差分别为177 Hz和191 Hz,求取驱动足在x、y、z向的振幅分别为2.95μm、3.27μm、1.37μm及3.12μm、3.61μm、1.82μm,表明了半解析模型的有效性。结果表明,该文提出的结构设计与驱动原理相结合的作动器分析方式,为优化压电作动器性能开启了新思路。     

与牙轮钻寿命相关的若干技术及其实现的研究

介绍了矿用三牙轮钻头的主要失效形式及相应的技术对策；为提高轴承系统性能和寿命，引人并讨论了实现牙爪磨削的几种可行方案；提出了防止牙轮滚道产生裂纹的技术措施；从材料选择及材料强化的角度，简述了进一步提高钻头性能的一些方法。     

基于神经元网络的滚动轴承诊断系统设计

通过对轴承的振动特征的分析，确定了基于故障的征兆频率．进而又构造出了轴承的征兆空间和故障空间的模式；采用多层前馈型神经网络．通过网络的自学习和训练，实现了两个空间之间的非线性映射；最后，完成了轴承运行状态的智能化监测诊断。     

结构优化矿用牙轮钻头轴承系统的分析与设计

牙轮钻头是一种高效的凿岩工具，广泛地应用于矿山采矿和石油开采工程。由于它属于不可修复的易耗品，且价格昂贵，在钻孔成本中占很大的比重，因此，提高牙轮钻头的工作寿命一直是降低开采成本所要解决的一个关键问题。笔者曾对武钢大冶铁矿、江西永平铜矿、山西平朔煤矿和江汉油田的大量失效钻头进行过统计分析，发现牙轮钻头的主要失     

行波超声电机的运转特性及其电学建模研究

首先建立了压电层合梁的压电振动方程,并引入六端等效电路对振动进行描述。再根据电机定子与压电梁的结构对应关系,推导出定子的导纳频响方程,并给出理想定子的等效电路;针对定子在其工作频区的导纳特性,构建出定子的二端等效电路;在对耗损、预压力、负载、温度等因素建模基础上,构建出电机完整的等效电学模型。最后,通过电机扫频试验验证了所建立模型的有效性。     

与牙轮钻寿命相关的若干技术及其实现问题的研究

矿用三牙轮钻头(Tri-cone Rock Bits)是一种高效的凿岩工具，这一点早已为国内外钻头使用者所公认。美国三种凿岩方案的对比性试验表明：不论在哪一种岩石中钻进，牙轮钻头的矿崩量都在潜孔钻的10倍以上，而成本却不及潜孔钻的24％；在极硬岩石的钻进中，牙轮钻头的钻速足可与火钻相匹敌。     

双作动板驱动的压电宏微直线作动器研究

针对单板式压电作动器动力小、速度低等问题,为丰富宏微直线作动器形式,该文提出基于双作动板式定子的压电直线作动器。选定双作动板的一阶纵振和二阶弯振为作动器工作模态,利用纵振驱使动子滑移,借助弯振实现驱动足与动子的动态接触与分离。阐释了双作动板推动动子前移的过程,推导出驱动足的椭圆轨迹方程及椭圆形成条件。优化出定子结构尺寸为45.3 mm×11.2 mm×6 mm,实现了两工作模态的简并。建立了定子机电耦合分析模型,解算出两相工作模态的振型,求得两相模态频率分别为34 994 Hz和34 998 Hz,模拟出驱动足的椭圆行进轨迹,求得定子的调压及调频振动特性。测试表明,当驱动电压的幅值和频率为250 V、34 938 Hz 时,驱动足的x、z向振幅分别达1.34 μm和2.73 μm,足以推动动子移进。设计了双板式作动器的装配结构,建立了其三维装配模型。该作动器有望输出较大动力与速度,具有广阔的应用前景。     

盆架型压电平面电机响应面法动力学特性优化

为解决压电电机定子在设计过程中存在的定子结构尺寸难以拟定、驱动足激励变形难以最大化以及进行多目标设计时难以求得全局最优解等问题,以盆架型压电电机定子为研究对象,在以有限元法构造定子参数化模型的基础上,利用模态置信准则(modal Assurance Criterion,MAC)进行定子工作模态的筛选与捕获,采用中心复合设计法(Central Composite Design,CCD)生成采样计算点,结合克里金法(Kriging Method)搭建相关特征结构尺寸参数的响应面优化模型,并运用多目标遗传优化算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)在基于响应面模型所得的设计空间内进行最优解的全局搜索。通过定子谐响应分析得到弯-纵振频差相对于“试凑法”所得结果下降30 %,且无明显干扰模态,由此验证了优化模型的正确性。瞬态分析结果表明定子驱动足的x 方向位移为6.4 μm,y 方向位移为5.48 μm,z 方向位移为6.16 μm,各相位移均有明显增长。说明根据优化设计得到的定子驱动足位移更大,三相工作模态更接近,电机运行更加平稳。     

四音叉定子驱动的压电旋转电机动力学特性

提出基于四音叉式定子驱动的旋转超声电机,选定定子的一阶面外弯振与二阶面内弯振为工作模态,复合形成旋转运动。阐明了电机驱动机理,基于频率一致性优化得到音叉杆尺寸为24 mm×4.2 mm×5 mm,公共部分尺寸为12 mm×12 mm×3 mm。建立电机的有限元(FEM)模型,对电机进行谐响应分析,排除激励时产生干扰模态。采用激励信号幅值为250 V、频率为28 000 Hz对电机进行瞬态分析,得到动足的x、y、z向振幅分别为1.4μm、0.8μm和1.2μm。对电机进行运动特性分析,验证了该旋转电机具有良好的调频、调压、调相特性。