双球壳转动式对接裙运动学及水密性分析

为了解决失事潜艇存在较大横倾角和纵倾角难以对接的问题,研制一种双球壳转动式对接裙。根据该对接装置的工作原理,推导出对接裙的位姿方程和运动学模型,并根据其运动学模型得到失事潜艇在不同纵横倾角时方向裙和角度裙所需转动的角度。研究了关键转动关节的密封结构及密封原理,其中采用Yeoh模型作为O型密封圈超弹性本构关系曲线拟合相应材料参数,对密封结构进行了有限元仿真分析,得到了危险截面所在位置,通过对危险截面接触应力的分析验证了密封结构的合理性。利用该对接裙可完成失事潜艇倾角大、海流强、能见度低的工况下的对接任务,可大大提高救援成功率、降低救援难度。     

救生艇双转裙对接装置样机的研制及其试验研究

为解决纵横倾角较大的失事潜艇救援对接极为困难的问题,研制一种具有2自由度活动转裙的新型水下对接装置.根据装置的工作原理,建立转裙对接运动学模型,确定其可行的作业范围,并对救生艇对接时转裙位姿的调整进行仿真.研究转裙转动关节传动的结构形式及其密封原理,进行转裙总体结构的虚拟样机设计,给出转裙重要的技术参数.设计的转裙液压驱动系统,实现样机运转灵活、速度平稳、位姿调整方便精确.进行样机的耐外压与水密试验研究,试验结果表明转裙的密封性能、强度及稳定性均达到了设计水深指标的要求.利用该装置可实现对接裙口的方位在一定范围内连续调整,可较好地实现在大倾角、大海流、低能见度工况下的对接作业,提高潜艇救援对接的效率和成功率.     

水下运载器新型对接裙VI的结构及运动学研究

为了解决失事水下运载器在海况恶劣且纵横倾角过大情况下进行水下对接极为困难的问题,提出了一种具有活动转裙的新型水下对接装置。研究了活动转裙转动关节的结构形式,阐明了转裙的密封原理,利用有限元方法对转裙耐压球壳强度及密封过程进行了分析,推导了对接过程中活动转裙的运动学方程,分析结果表明了该设计的可行性。利用该装置,救生运载器能够以抵御海流的最佳角度进行对接,从而为在大倾角、高海流、低能见度工况条件下的安全、准确、快速对接提供了保障。     

基于ADAMS的辊子式小规格瓷砖直角输送机构参数优化

探讨了辊子式直角输送机构的输送参数对小规格瓷砖输送质量的影响,通过仿真优化得到最优输送参数。首先基于多刚体动力学理论,在ADAMS中建立了辊子式小规格瓷砖直角输送多体模型;接着根据小规格瓷砖输送要求给出了瓷砖稳定输送约束条件;然后采用全因子设计试验方法对辊子式小规格瓷砖直角输送模型进行了运动仿真分析;最后根据仿真结果对输送机构的输送参数进行了优化,利用优化的输送参数进行了多块小规格瓷砖的仿真试验与样机试验。仿真结果表明,辊子式小规格瓷砖直角输送机构的输送参数严重影响了小规格瓷砖的直角输送。在相同输送速度比下,安装高度差的减小会提高小规格瓷砖的直角输送质量;输送速度比的减小会使小规格瓷砖转动角度增大,使小规格瓷砖更易于实现直角输送。得到了安装高度差为2.5mm、速度比i=0.3时,辊子式小规格瓷砖直角输送机构具有满足输送要求的最佳输送质量。     

全对称四自由度并联机器人机构运动性能分析与多目标优化设计

基于方位特征集设计理论和方法,设计了一种完全对称、且具有三平移一转动性质的4-RRPaR并联机器人机构,分析方位特征集、自由度、耦合度等拓扑参数。根据矢量法构建运动学位置方程,推导得到运动学逆解解析式,同时根据算例分析得到位置正解和位置逆解数值解。利用雅可比矩阵计算得到位置正解奇异、位置逆解奇异产生条件,选择极坐标边界搜索法计算工作空间与转动能力等性能指标。分析表明：机构边界光滑且内部存在空洞情况、动平台转动角度范围较小。另外,提出有效转动能力比指标ω概念,结合有效工作空间利用率μ,建立多目标的数学优化模型,采用经典的NSGA-Ⅱ搜索算法对有效转动能力比指标ω与有效工作空间利用率μ进行多目标参数优化,最后通过算例分析得到优化后的工作空间以及转动能力,优化后的工作空间边界圆润且内部不存在空洞情况、转动灵活性较好。可权衡设计需求和实际应用需求来选择最佳的优化参数。     

角度与运动约束下串联式机械臂工作空间求解与结构优化

深水作业机械臂通常采用串联式结构,机械臂每个关节的转动角度与长度会受到相应的限制,这些参数会直接影响到机械臂的运动轨迹规划和作业效率.机械臂的有效工作空间的求解是一个多目标多约束的优化问题.通过数学分析建立机械臂的运动学模型,分析影响有效工作空间的相关参数,利用图解法来分析机械臂工作空间的边界曲线,得到机械臂的有效工作...     

面向精度提升与工艺改进的容差分配多目标模型融合方法

在现代机械产品装配容差优化过程中,多以简单加权求和的方式构建多目标容差优化模型,求解效果较差且与装配现场的适用性不强。鉴于此,以装配精度提升与工艺改进为目标导向,首先,考虑配合误差引起的零件上不同关键特征间的位姿变动,构建装配误差传递累积模型与协调尺寸链,精准预测装配误差与多装配体间的协调误差;其次,结合各制造环节误差数据与装配精度累积数据,分别建立加工成本、质量损失、修配成本3个单目标优化模型,并以此提出可避免容差数据优化失衡与优化方向偏离的多目标模型权重参数分配方法,构建多目标容差优化分配模型;最后,采用加速粒子群算法求解得到面向工艺性能提升的各组成环误差数值。以某型航天器分段式机翼对接装配优化为例,在改进产品定位装夹方式之前,机翼对接外形阶差与修配成本分别降低94.68%与83.49%;在使用外形卡板定位后,通过优化使上述两项装配指标分别降低11.21%与8.50%,有效地保障了产品型面装配精度与对接协调质量。     

基于粒子群优化算法的某型发控盒结构优化设计

在对某型发射装置样机的试验过程中发现,其发控盒结构具有在保证刚强度的前提下进一步进行减重的必要,针对这一问题,对发控盒结构有限元模型进行参数化建模,采用改进的多元高阶响应面设计试验方案,建立关于设计变量的优化目标和约束条件的响应面函数,将隐式函数转化为显式函数,而后运用粒子群优化方法进行优化。结果表明,优化后的结构具有良好的动力学性能,质量减少了17.6%,验证了该优化方法的高效性、可行性。     

基于Ansys的门式起重机主梁优化设计

针对门式起重机金属结构在设计制造时存在的材料浪费以及引发的一系列问题,以50 t-30 m轨道式集装箱门式起重机为例,基于Ansys的参数化设计语言APDL平台对起重机金属结构进行参数化建模,针对满载小车位于主梁跨端最危险位置时的工况进行了有限元数值模拟,进一步利用Ansys的优化功能,定量对主梁截面参数进行优化,完成了主梁的减重设计。在满足设计要求的前提下,优化结果较原设计方案最大等效应力增加5.52%,最大变形增加25%,质量减少12.4%,减重效果十分显著,为起重机金属结构和类似结构优化设计提供了参考。     

涡轮减重前后增压器转子动力学分析及试验

以JP60C型车用增压器涡轮叶轮为研究对象,基于有限元分析的转子动力学分析软件DyRoBeS,对减重前后的增压器转子进行了临界转速分析;采用快速成型技术加工了蜡模,浇铸了减重优化的涡轮叶轮,对装配好的增压器进行了高速动平衡试验。分析及试验结果表明,由于涡轮重量的减轻降低了转子的柔性,减重优化后的轴承-转子系统的临界转速有所降低,但其工作转速仍工作在2阶临界转速和3阶临界转速之间,涡轮减重后增压器工作转速远离转子各阶临界转速,从而说明涡轮减重优化的合理性和有效性。     

深切口椭圆柔性铰链优化设计

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构,本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型,探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵,利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算,在此基础上构建了多目标加权优化模型,利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明:绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示:经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高,同时抑制了其他方向上的运动能力,从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度,可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。     

压缩式垃圾车滑板结构的载荷模型与结构优化

滑板是压缩式垃圾车的主要运动部件,滑板载荷对滑板结构精确计算十分重要。文中在分析了滑板动态应力试验数据的基础上,提出了滑板工作过程的危险工况,并建立了该工况下的滑板载荷模型。在此基础上,基于变密度法以滑板应变能为目标、滑板质量为约束条件,对滑板进行了拓扑优化;以滑板板厚为设计变量,对其进行尺寸参数优化,从而确定了滑板的最终设计方案。经验证,该结构在原方案的基础上减重20.5%,且有效地改善了力传递特性,消除了应力集中现象。     

液压自动分度头

我们在万能铣床上增加一个液压自动分度头附件,用之代替普通分度头来加工各种轴类花键,减少了加工辅助时间,较大的提高了工效。其工作原理如下(见下图): 当双向液压油缸右边进油时,工作柱塞由右端运动到左端,由于工作柱塞上铣有齿条,则柱塞的运动必然带动与齿条相啮合的转动齿轮顺时针方向旋转一定的角度。转动齿轮内孔套在棘轮上,可在棘轮上游动,在转动齿轮上固定有棘爪,所以当转动齿轮顺时针转动一定角度时,棘爪拨动棘轮,使棘轮也顺时针转动同一角度。而棘轮是固定在分度     

ANSYS在液压支架优化设计中的应用

基于ANSYS平台对液压支架顶梁进行参数化建模,针对硕梁扭转工况进行了有限元数值模拟,进一步利用ANSYS的优化功能,对顶梁截面参数进行优化,完成了顶梁的减重设计,优化方案较原设计方案最大等效应力降低6.5%,重量减少11%,减重效果十分显著,为液压支架和类似结构优化设计提供了有益参考.     

基于机构条件数的30m望远镜三镜Stewart平台

从误差传递的角度研究了30 m望远镜（TMT）三镜大型Stewart平台的转动精度。首先,利用奇异值分析Stewart平台速度雅克比矩阵,得出机构条件数与支腿伸长量的关系。利用条件数与系统误差传递系数的关系推导出TMT三镜特殊运动形式下支腿伸长量误差与平台姿态误差的关系,并使用MATLAB优化平台结构参数得出一组优化解。然后,利用ADAMS对之前的理论推导进行仿真验证。最后,利用已知误差传递模型结合精度实验数据进行实验,辨识得出Stewart支腿伸长误差为均匀分布、动平台转动误差向量模为双峰分布。利用MATLAB进行模拟,模拟结果显示：假设支腿伸长误差为0到1之间均匀分布,动平台转动误差向量模的期望会由优化前的5.345 4×10^-4变为优化后的4.272 1×10^-4,优化量约为20%;转动误差分布的两个肩峰相互靠拢且向0点移动。     

深水套筒式连接器卡爪机构设计优化

目前我国深水油气的开发技术刚刚起步,锁紧技术还属空白。卡爪作为深水套筒式连接器的关键部件,其结构十分复杂。通过对连接器锁紧机构进行力学分析,研究在同等内部介质压力作用下摩擦因子及其重要角度参数与所需液压缸预紧力的作用关系,并优化出相关参数的推荐值,为今后样机设计提供了理论依据。之后,在Hypermesh中对卡爪模型建模,以Optistruct为求解器,以卡爪最恶劣的服役工况下的载荷为设计基准,对卡爪结构进行拓扑优化,在满足加工工艺和考虑成本的前提下,优化了卡爪上下两端的自由尺寸,优化后卡爪同样满足强度要求,且质量降低了16.1%,到达了轻量化设计的目的。     

掘支锚联合机组支撑油缸多目标优化设计

研发了一种适用于综掘巷道的掘支锚联合机组。为提高掘支锚联合机组支护机构的安全性与稳定性,根据参数化建模和分析方法研究了支护结构支撑油缸刚度对结构频响特性的影响,以各支撑油缸的刚度为设计变量,结构的最大位移振幅最小及最大应力振幅最小为优化目标函数,对支撑油缸刚度进行优化设计,确定了各弹簧的最佳刚度,并进行了实验验证。结果表明：优化后模型在3个轴向的最大应力响应比优化前分别减小了96.72%、95.87%、96.65%;优化后模型的最大位移响应在Z轴方向虽然比之前略有增大,但X轴和Y轴方向分别减小了98.17%和74.61%;实验结果与仿真结果的固有频率最大误差为8.6%,且频响曲线变化规律基本一致,证明了优化设计的有效性。     

某型三轮汽车车架的结构优化设计

针对三轮汽车减重、降低生产成本的需求,将多岛遗传算法和有限元分析法相结合,对某型三轮汽车车架进行了优化设计。建立了车架的优化数学模型和参数化有限元模型,利用正交试验法筛选出设计变量,并利用多岛遗传算法进行了优化设计,在保证车架刚、强度前提下,减重11.6%。该方法对于其它类型车架的轻量化研究具有一定的参考价值。     

船式拖拉机船壳的试验模态研究

针对船式拖拉机样机在试验过程中出现中间轴已疲劳破坏和轴承损坏的现象,拟采用多点激励模态分析方法对其船壳动力学特征参数进行测试。试验研究中采用输出噪声估计模型获得频响函数,利用频域多参考点模态参数辨识方法进行模态参数识别,获得100 Hz以内系统的前7阶固有频率及前三阶模态振型。试验结果表明,船式拖拉机船壳存在较低的一阶固有频率,并且在发动机启动过程中由于变速箱的转动频率和发动机的振动频率分别与船式拖拉机船壳的一、二阶固有模态频率吻合,系统容易引起共振。研究结果为解决中间轴疲劳破坏问题指明了方向,为船壳设计和结构优化提供了理论依据。     

光阑用螺纹式超声电机

研制了一种新型螺纹式空心超声电机,用于驱动光阑并控制和调节光束。由于光阑仅需有限角度转动,故采取螺纹方式连接超声电机定子和转子来施加轴向预压力和实现转子周向运动的耦合。电机仅由转子、定子和底座组成;其中转子与光阑定圈固定,实现了与光阑的一体化设计。运用有限元软件对定子进行了模态分析,选定工作频率为38.26kHz。受可加工螺纹螺距尺寸的限制,电机轴向运动使电机预压力变化较大,电机转动角度小,不能驱动光阑完成闭合或开启,故对转子进行了柔性化设计。仿真实验表明,在转动90°范围内,定、转子预压力变化在27%之内。试验研究表明:设计的电机定子振动特性良好,干扰模态距工作模态5kHz以上;阻抗值变化不超过10%。得到的结果验证了预压力变化对电机影响小;电机驱动光阑开启时间为5s,闭合时间为4.4s,开启、闭合直径与电机运行时间呈线性关系。该空心电机满足了光阑调节需求,具有结构简单、零部件少等特点。