带仿生吸盘的微型爬壁机器人设计及其吸附特性

针对现有爬壁机器人负压吸附装置不易微小型化的缺点,通过归纳生物负压吸附器官的结构特点,应用新型功能材料形状记忆合金作为驱动器设计了一种仿生负压吸盘,并以该吸盘为吸附机构,设计了一种微型爬壁机器人.在对仿生吸盘中的弹性体板作受力分析的基础上建立了该吸盘负压产生模型,并分析了机器人在垂直壁面上运动的安全性条件.实验表明,该仿生吸盘能作为的微型爬壁机器人的吸附机构,带仿生吸盘的微型爬壁机器人能在倾斜玻璃壁面上爬行.     

含颗粒的幂律流体两相湍流研究

建立了含颗粒的幂律流体两相流动控制方程，首次对泵离心叶轮内含颗粒的幂律流体两相流动进行了计算研究，计算结果表明：从进口到出口，幂律流体的速度减小，压力随半径增大逐渐升高，且压力面上的压力大于吸力面上的压力；吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的颗粒拟温度，且靠近壁面处的大于叶道中的；最后比较了液固两相流与含颗粒的幂律流体的两相流的流动，流体相的紊动能有一定的差别，而且颗粒拟温度也有较大差别。     

仿生机器鱼近壁面流场识别的人工侧线方法

针对仿生机器鱼目标近距离作业时的环境识别难题,提出一种基于人工侧线(ALL)的近壁面流场识别方法。理论分析了ALL感知近壁面流场环境的可行性,建立了ALL虚拟压力传感器阵列并采用计算流体动力学(CFD)方法计算并提取了不同参数条件下(来流速度v,靠壁距离d和游动频率f)仿生机器鱼的体表压力数据,建立了基于多层前馈神经网络的来流速度和靠壁距离预测回归模型,并对模型结构和数据特征进行了优化。结果表明:壁面效应将引起鱼体周围流场结构的非对称分布,鱼体头部和尾部的侧线传感器对流场参数的辨识度高,消除弱相关的特征对来流速度和靠壁距离预测指标的影响小且有利于降低预测模型的复杂度。研究结果能够为水下机器人环境识别的信息提取及处理提供理论方法。     

High-performance wall-climbing robot for inspection and maintenance

A wall-climbing robot that can continuously work on many types of wall surfaces has been developed. This robot based on low-vacuum adsorption principle consists of a locomotion mechanism, a sealing device, a fluid machine and a detecting system. The adsorption force is analyzed in details and its influencing factors are given. The robot prototype, which has the features of high adhesion efficiency, light body in weight, small size in structure and good capability in payload, is tested in outdoor and indoor environments. Through the experiments, the influences of the impeller slit and the seal clearance are discussed. In addition, the robot functions such as adsorption performance, locomotion performance and wall adaptability are tested by experiments. The experiments have verified that the robot not only can climb on many types of wall surfaces, but also has outstanding locomotion ability and payload capacity.     

介质流压差驱动式管道机器人的驱动、调速原理分析及结构设计

提出了一种利用管道所传输的流体介质本身的能量完成驱动和调速的管道机器人.该机器人完全浸润在充满流动介质的管道内,利用流体自身压力以及流体速度的能量获得驱动力,机器人由管内流体的流动推进.研究中发现机器人行走时主要需要克服惯性质量以及与管壁之间的摩擦阻力的影响,而对于不同的流体介质及应用场合,机器人需要根据工作要求自动进行速度调节,通过对机器人的结构和尺寸进行合理设计,根据管道内的流体力学条件,设计出速度控制装置,实现机器人速度可调.     

内窥镜机器人几何特性参数的优化研究

针对人体内腔黏液为非牛顿流体的特点,建立螺旋式内窥镜机器人在人体内腔中运行时的数学模型.给出适合于该机器人系统的非牛顿流体修正雷诺方程的求解方法和计算程序框图.采用有限差分法分析螺纹的几何特性参数对机器人轴向摩擦牵引力、周向摩擦阻力,以及黏液膜承载能力的影响,进而获得了一组相对最优的无量纲几何特性参数值.机器人运行速度实验证明了此理论分析模型的正确性.     

存在管壁换热损失的真实流体流动模型的研究

采用集总参数导热数学模型(以进口参数作为集总参数)计算流体流动过程中的对外换热量,并以此推导出存在管壁损失的真实流体流动的数学模型。通过实例计算对应于定参数的某一流量,分别在存在管壁损失的真实流体流动的数学模型及绝热状态下的真实流体流动的数学模型中的临界管长的不同,证明安全阀排汽管道进行绝热保温的必要性。     

放热流体在多孔渗流水平圆柱外的自然对流

针对等温加热的多孔渗流水平圆柱体浸没在放热流体中的层流自然对流传热问题采用摄动法进行分析.圆柱体的多孔渗流特性用圆柱壁面的法向速度进行表示.通过摄动法对自然对流传热的边界层方程进行近似分析,并利用龙格-库塔方法求得方程的数值解,得到自然对流的速度与温度场以及沿圆柱体壁面的努塞尔数分布.结果表明,在有壁面外法向速度时,圆柱体的局部换热受到抑制;然而壁面吸入或流体放热效应都对局部努塞尔数有增强效果.圆柱体的平均努塞尔数随着流体放热的增加或壁面内法向速度的减小而降低.在流体放热恒定时,壁面流出效应对整体换热的影响并不明显.     

基于无网格粒子法的复杂三维形状通用离散方法

复杂形状的三维建模问题一直是无网格粒子法应用于流体机械内流计算的难点之一,基于移动粒子半隐式法(MPS),结合通用光滑壁面边界(GSW)和无表面粒子判定技术(NSD),提出适用于流体机械任意复杂型面的通用离散方法.将CAD壁面模型通过面网格进行离散,提取网格节点并生成单层壁面粒子.利用粒子的自适应性对流体粒子进行填充布置以获取初始流体域.基于GSW模型壁面粒子尺度无关性的特点,提出壁面粒子局部加密与嵌套加密耦合的技术.针对主曲率较大的曲面采用局部加密,针对异面粒子干涉作用较强的薄壁曲面采用嵌套加密,从而在保证壁面法向量计算准确的前提下,用更少的壁面粒子实现复杂形状的精确表达.定义以法向光滑角度(NSA)为准则数的离散精度评价体系,以实际离心泵模型为例,定量描述离散模型的几何精度,分析并给出特征模型准则数的参考值.通过三维复杂静水算例、溃坝撞击挡板算例和诱导轮水中旋转算例阐述整套离散建模流程并验证本方法流动计算的准确性与稳定性.     

LWR学习在足球机器人中的应用

针对足球机器人比赛中动态不确定性特点,提出了一种基于LWR学习方法预测球的运动轨迹,尤其是球与外界碰撞后的运动轨迹.并且对预测进行模糊调整,即根据预测球的状态,生成机器人的动作.该方法建立数学模型简单,使得机器人的决策效果好.仿真实验表明该方法具有良好的效果.     

爬墙机器人研究与制作

随着高层建筑的日益增多,高空作业需求越来越大,催生了对攀壁机器人的市场需求。设计制作了一种爬墙机器人,它能够到达垂直平面的任何地方,其机械结构合理、紧凑,重量轻,行动灵活,可靠性高,有良好的人机交互接口,可进行远程遥控及自动运行。分析了爬墙机器人在墙壁上灵活运动需解决的关键问题,设计了机器人的结构及吸附和运动的方式,并基于PRO/E三维软件的模拟仿真,制作了采用真空吸附系统的多自由度壁面灵活运行机器人。实现了爬墙机器人在墙壁上可靠吸附与灵活运动的功能。     

有机朗肯循环系统工质设计与系统参数的同步优化

工质是有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）中能量转换的载体，其与冷、热源之间的匹配直接影响ORC系统性能。现有工质提升ORC系统性能有限，新型工质的设计对提升ORC性能非常重要。提出了基于计算机辅助分子设计（computer-aided molecular design，CAMD）的工质设计与和ORC系统同步优化的建模和求解方法，对传统CAMD模型进行了改进。建立了以ORC系统输出净功最大为优化目标的混合整数非线性数学规划（mixed integer non-line programming，MINLP）模型，提出了求解策略。基于9个基本元素选择37个基团，应用于建立的同步优化模型，获得了热源范围353.15~463.15 K和冷源范围293.15~298.15 K工况下的最优工质，并与现有工质进行了对比验证。对比结果表明，新型工质的ORC净功比现有工质ORC净功增加12.46%。对在计算ORC循环性能中涉及的工质物性，如临界温度、临界压力、沸点温度、比热容、密度和相对分子质量等进行了敏感性分析。     

Critical embedment depth of a rigid retaining wall against overturning in unsaturated soils considering intermediate principal stress and strength nonlinearity

The overturning stability is vital for the retaining wall design of foundation pits, where the surrounding soils are usually unsaturated due to water draining. Moreover, the intermediate principal stress does affect the unsaturated soil strength; meanwhile, the relationship between the unsaturated soil strength and matric suction is nonlinear. This work is to present closed-form equations of critical embedment depth for a rigid retaining wall against overturning by means of moment equilibrium. Matric suction is considered to be distributed uniformly and linearly with depth. The unified shear strength formulation for unsaturated soils under the plane strain condition is adopted to characterize the intermediate principal stress effect, and strength nonlinearity is described by a hyperbolic model of suction angle. The result obtained is orderly series solutions rather than one specific answer; thus, it has wide theoretical significance and good applicability. The validity of this present work is demonstrated by comparing it with a lower bound solution. The traditional overturning designs for rigid retaining walls, in which the saturated soil mechanics neglecting matric suction or the unsaturated soil mechanics based on the Mohr-Coulomb criterion are employed, are special cases of the proposed result. Parametric studies about the intermediate principal stress, matric suction and its distributions along with two strength nonlinearity methods on a new defined critical buried coefficient are discussed.     

机器人系统变结构模型跟随控制方法研究

把机器人本体与其驱动电机作为一个系统建立动力学方程，应用Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数法综合了该系统变结构模型跟随控制规律。在关节空间得到的控制规律不仅简单，而且可直接用于机器人控制。仿真结果表明，文中所提方案是可行的。     

流体临界状态的热力学性质及临界性质的计算

从热力学角度分析了超临界流体的临界状态性质,分别介绍了纯流体及混合流体临界性质计算的常用方法,还从临界条件出发,推导出了适合二元物系的计算临界性质的严格算法,并对实际体系进行了计算, 取得了较好的效果。     

柔性两轮移动机器人动力学建模及模型分析

针对两轮机器人腰部柔性的结构特点,以柔性多体系统动力学理论为基础,设计了柔性两轮移动机器人,并根据假设模态法,将其抽象为平面柔性三连杆系统,利用D'Alembert-Lagrange原理建立了柔性机器人的动力学模型,得到了以机器人本体的3个杆的倾斜角度和左右轮的转角为参量的系统动力学方程和系统腰部柔性连杆的振动方程.给出了数学模型推导的具体步骤,并对该模型做了仿真分析.结果表明,该模型为柔性机器人的运动及控制研究提供了理论依据.     

吹吸式地铁轨间区域清扫流场的数值分析

为提高清扫车的清扫效率,采用计算流体力学方法对吹吸式清扫流场进行计算,结合气固两相流模型分析结构参数对清扫效果的影响规律,并采取基于权矩阵分析的多目标正交试验方法,进行位置参数的优化. 研究结果表明:吹嘴宽度在不大于吸嘴宽度的0.93倍之内增大有利于提高清扫效率;吹嘴高度不小于吸嘴高度的0.92倍时,增大吹嘴高度可提高清扫效率,但降低了近地面平均速度和吹嘴出口速度,不利于尘粒的起动;吸嘴倾角为20°、吹嘴倾角为20°、吹嘴和吸嘴之间的距离为700 mm、吹吸嘴离地高度为20 mm时,吹吸式清扫方式的清扫性能最优;吹吸式清扫流场的近地面气流速度大,气流从吹嘴向吸嘴方向运动且紧贴地面,不存在气流外泄造成的二次污染. 吸嘴倾角和吹嘴倾角对吹吸式清扫流场的清扫性能影响最大,其次是吹嘴和吸嘴之间的距离,吹吸嘴距离地高度对清扫性能的影响最小.     

定常吸气改善桥梁断面风致静力特性的数值

目的 改善桥梁断面空气动力特性,提高桥梁抗风能力.方法 以某桥梁闭口扁平箱梁断面模型为研究对象,利用基于计算流体动力学的数值方法模拟来流风作用下桥梁断面的绕流风场,并计算桥梁断面静力3分力(阻力、升力、扭矩).结果 静力计算结果显示,与未采用吸气情况下相比,定常吸气后断面的升力与扭矩基本没有变化,而阻力却显著降低,且随着吸气能量的增加吸气减阻效果加大.结论 定常吸气可以有效地抑制风流过钝体断面而产生的分离,使主流更加贴近壁面,进而达到减少断面阻力的目的,定常吸气是桥梁断面减阻的有效手段.     

Dispersive bubble wall--a new method of flow control in tundish

Tundish is the last refractory vessel in the steelmaking process. The fluid flow phenomena in tundish have a strong influence on the separation of non-metallic inclusions. The dispersive bubble wall (DBW) is a new method in tundish metallurgy. A water model of a multi-strand tundish has been set up based on the Froude number and Reynold number similarity criteria. The effect of DBW weir on the flow pattern has been studied. The results show that this new structure of DBW weir is beneficial not only to uniform the temperature among different submerge entry nozzles but also to separate non-metallic inclusions from liquid steel. The DBW can capture the particles of non-metallic inclusions and make them float up to the surface.     

Dispersive bubble wall——a new method of flow control in tundish

Tundish is the last refractory vessel in the steelmaking process. The fluid flow phenomena in tundish have a strong influence on the separation of non-metallic inclusions. The dispersive bubble wall （DBW） is a new method in tundish metallurgy. A water model of a multi-strand tundish has been set up based on the Froude number and Reynold number similarity criteria. The effect of DBW＋weir on the flow pattern has been studied. The results show that this new structure of DBW＋weir is beneficial not only to uniform the temperature among different submerge entry nozzles but also to separate non-metallic inclusions from liquid steel. The DBW can capture the particles of non-metallic inclusions and make them float up to the surface.