助力型下肢外骨骼仿生设计与性能研究
这是一篇关于下肢外骨骼,仿生,结构设计,OpenSim仿真的论文, 主要内容为外骨骼是一种与使用者融为一体用于助力的可穿戴设备,其在国防军事、医疗康复和日常生活等领域都有着广泛应用前景。针对传统刚性外骨骼穿戴舒适性较差,柔性外骨骼承载能力较弱的现有问题,本文设计了一种既穿戴舒适,能够实现人-机关节高效匹配,又能承受一定载荷的刚柔耦合外骨骼系统。该系统能够通过被动辅助伸膝和主动辅助跖屈,来实现为人体行走助力的功能。本文主要工作与创新点如下:(1)从人体下肢各关节的解剖结构与运动机理入手,针对下肢各关节的关节特性与运动范围,提出了外骨骼系统的总体设计原则。着重对下肢各关节进行了仿生设计,使得人-机在髋、踝关节两处的转动中心能够重合,人-机膝关节的轨迹曲线得以匹配。完成了外骨骼柔性驱动系统设计,并在SolidWorks中建立了外骨骼的三维模型。(2)针对膝关节六杆机构建立了瞬心坐标与杆长参数的关系式,并对六杆机构进行优化设计,实现了人-机膝关节的瞬心轨迹曲线匹配和站立状态下的自锁。随后对设计的外骨骼系统进行了运动学建模,利用D-H坐标法描述外骨骼连杆间的几何关系以及各个坐标系之间的变换矩阵,求出机器人的运动学正解,并通过动力学仿真软件Adams验证了该理论模型。(3)由于人体系统的复杂性以及伦理道德的限制,现有的一些实验手段难以真实检测到人体肌肉的肌肉力与代谢情况。本文通过OpenSim平台,完成了gait2392肌肉骨骼模型与外骨骼系统的耦合建模与肌肉控制计算,通过仿真分析外骨骼系统的助力效果。仿真结果表明:外骨骼系统对使用者踝关节跖屈与膝关节伸膝有一定助力效果。(4)完成了试验样机研制与控制系统设计,并进行了一系列试验验证了外骨骼系统设计的合理性。在穿戴舒适性试验中受试者能够正常完成各种日常动作与部分复杂动作,外骨骼系统人-机耦合性与运动跟随性能良好。在负载能力检测试验中,受试者穿戴外骨骼后负载静止站立时的足底压力较未穿戴外骨骼时会有小幅下降,外骨骼系统能够在站立状态下保持刚性,具有一定的辅助承载能力。在助力效果检测试验中,通过检测穿戴外骨骼前后、有无负载状态下行走的肌电信号强度,得到受试者腓肠肌、比目鱼肌、股直肌和胫骨前肌的肌肉激活程度。试验结果表明,外骨骼系统对受试者在有无负载状态下的背屈、伸膝肌群均具有一定的助力效果。
大型船用独立C型LNG燃料罐结构设计及结构优化研究
这是一篇关于独立C型罐,设计方案,结构设计,强度分析的论文, 主要内容为独立C型LNG燃料储罐(简称C型罐)作为LNG运输船的核心设备,其结构强度与稳定性对LNG运输船舶尤为重要。我国对C型罐研究起步较晚,设计制造经验还不成熟。结合蓝科高新《船用独立C型LNG储罐技术研究》项目,分析对比国内外C型罐设计规范,进行C型罐设计开发,探讨C型罐设计方法、设计流程及方案,对LNG运输船发展有应用价值意义。结合企业开发项目设计任务要求,分析对比国内外C型罐设计规范,归纳整理LNG低温液体对设备选材、结构设计等方面的特殊要求,分析研究了LNG对独立C型罐的结构影响以及压力容器规则设计和分析设计的适用性,确定了独立C型罐的设计方法为“规则设计+分析设计”。国内外规范关于C型罐设计、制造、检验等方面要求各有不同。通过对各船级社、国内外压力容器设计规范对比分析,得到C型罐材料选型准则、设计载荷、设计参数选用准则、壳体厚度设计计算流程以及规范强度评估流程。结合C型罐设计实例,分析了规则计算和评估流程,对设计方案的可行性和结构设计的合理性完成验证。在船舶航行过程中,C型罐承受多种复杂动、静载荷,设备结构存在不同的应力应变响应,需衡量不同工况下C型罐的受力状况。比较各规范对C型罐不同工况的载荷处理方法、分析设计要求及设计过程规定,提出了一套有限元分析计算方案,其中涵盖了有限元模型方案、单元选择和网格划分、材料属性与边界条件设置、有限元分析工况组合及设计载荷加载方式等分析设计要求。结合企业C型罐设计开发实例,对五种典型工况下C型罐结构场进行数值模拟,使用IGC规范和JB 4732两种有限元分析结果评估方法对结构强度进行评定,以实现对规则设计初步方案中不合理结构的优化改进。C型罐内装载低温液体LNG,在罐体、支座和船体结构间存在较大的温度梯度和热应力。通过对C型罐进行温度场模拟计算,研究各结构温度分布,确定了低温区域的钢级选择。在静横倾、横摇、纵摇和碰撞四种典型工况下对C型罐开展热结构耦合分析计算,研究了热应力对C型罐结构强度的影响。结合了企业船用独立C型罐开发项目设计实例,通过分析研究,确定了C型罐设计计算方法和设计计算方案。对进行C型罐设计,实现该设备的系列化和标准化,提供了参考。
基于并联浮动结构的大型平板铸件自动化打磨装置研究
这是一篇关于自动化打磨装置,结构设计,逆运动学求解,运动学仿真,恒力打磨的论文, 主要内容为铸造业是传统制造业的重要组成,为异构和特大型装备的设计制造奠定了工业基础。铸件打磨是大型铸件生产工艺中重要工序,目前主要依靠人工完成,具有工作强度大、环境恶劣等特点。随着国内工业基础的完善、人口红利的削弱和制造成本的增加,亟需改善目前依赖人工打磨的现状。本文以产量较大、工艺单一、耗时较长的大型平板类铸件为研究对象,设计了一种可适应大型平板类铸件的自动化打磨装置,在打磨功能的基础上,可满足装置对大型平板类铸件表面特征的适应性。本文主要研究内容如下:首先,进行自动化打磨装置结构设计。根据大型平板类铸件的下游工艺参数要求进行装置性能指标设计,构建自动化打磨装置整体结构方案;根据打磨工艺参数和铸件材料特点对比选用合适的砂轮;根据打磨的特点及电机的选型原则选择合适的电机;根据砂轮卡盘的设计原则设计合适的砂轮卡盘;根据适应性的要求设计三自由度并联平台具体结构;利用有限元分析对并联平台中浮动板及固定板进行了静态分析及优化。其次,开展自动化打磨装置的运动学研究。对并联平台进行模型抽象、建立数学模型及运动学方程,并进行逆运动学求解,得到弹簧设计参数表达式。同时,结合并联平台参数,通过MATLAB计算得到弹簧压缩范围,并完成浮动板边缘点及中心点的工作空间仿真,得到浮动板边缘点及中心点的三维点云图和截面图。再次,开展自动化打磨装置运动仿真研究。根据打磨铸件表面特征将铸件分为5种典型表面特征的待打磨铸件搭建典型实验环境,并利用ADAMS运动学仿真软件对打磨装置适应性进行运动分析。最后,搭建自动化打磨装置及实验平台。根据自动化打磨装置设计方案进行自动化打磨装置的加工、升降平台设计与加工、传感器的选型与购买、控制器的选型与购买、恒力控制研究等工作,完成自动化装置与实验平台的搭建,为下一步数据采集分析提供平台。
大排量柴油机废气再循环蝶阀的研制
这是一篇关于EGR阀,结构设计,流场仿真,传热场仿真,性能测试的论文, 主要内容为进入二十一世纪以来,随着我国经济的快速发展,科研实力和工业化进程都得到了快速提升,作为工业化的标志性产物,内燃机得到了长足的进步。目前,内燃机尾气排放问题已经不容忽视,尾气中含有的氮氧化物等污染物对人与自然均造成了严重的危害。随着国内外排放法规不断升级,各大内燃机生产厂家都在提升自己的尾气后处理系统。在各后处理系统中EGR技术因具有占用空间小和更换方便等优势在该领域中占有重要位置。作为EGR技术的关键零部件,EGR阀的研发具有重要意义。目前国内研发的EGR阀主要用于小排量柴油机,大排量柴油机适配的EGR阀产品较少。分析了国内外不同形式的EGR阀,提出使用蝶阀形式,并采用驱动部分和阀体部分分离的方案。计算确定EGR蝶阀的通流直径;由于废气具有高温和腐蚀性的特点,设计了填料密封;设计两级齿轮减速器和扭簧并计算EGR蝶阀在不同角度的气动力。对于所设计的EGR蝶阀,需要尽可能地降低阀板在不同转角时的通流阻力,因此确定EGR蝶阀在不同开度的流量系数和流阻系数等参数具有重要意义。对EGR蝶阀进行流场仿真得到不同开度下的云图和流线轨迹。计算出EGR蝶阀在不同转角的压差值、流量系数和流阻系数,并将仿真得到的气动力和计算值进行对比分析。通过仿真得EGR蝶阀从关闭到打开的过程中,阀板前后压差值从183457.19Pa衰减到482.62Pa,流量系数从0.56提升至10.99,流阻系数从190.29衰减为0.68。600℃的高温废气对驱动部分的影响十分严重,因此需要对驱动部分进行阻热和散热的设计及仿真分析。对EGR蝶阀在高温工况下进行温度场仿真,在没有任何阻热散热的措施下电机平均温度为258.3℃。提出了复合散热方法:在电机外壳设计散热肋板;并在电机外壳支架内放置隔热材料气凝胶毡;同时在电机外壳设计冷却流道,通过仿真得电机平均温度为35.8℃,EGR蝶阀可以正常工作。搭建EGR蝶阀泄漏特性试验台测试EGR蝶阀在规定压力下的泄漏量,试验测试泄漏量为2.5±0.2m3/h,低于规定流量(3m3/h)。对EGR蝶阀转角传感器进行测试,测试其在全开、全闭及不同转角下的电压值,测试值均在正常范围之内,满足使用要求。
基于并联浮动结构的大型平板铸件自动化打磨装置研究
这是一篇关于自动化打磨装置,结构设计,逆运动学求解,运动学仿真,恒力打磨的论文, 主要内容为铸造业是传统制造业的重要组成,为异构和特大型装备的设计制造奠定了工业基础。铸件打磨是大型铸件生产工艺中重要工序,目前主要依靠人工完成,具有工作强度大、环境恶劣等特点。随着国内工业基础的完善、人口红利的削弱和制造成本的增加,亟需改善目前依赖人工打磨的现状。本文以产量较大、工艺单一、耗时较长的大型平板类铸件为研究对象,设计了一种可适应大型平板类铸件的自动化打磨装置,在打磨功能的基础上,可满足装置对大型平板类铸件表面特征的适应性。本文主要研究内容如下:首先,进行自动化打磨装置结构设计。根据大型平板类铸件的下游工艺参数要求进行装置性能指标设计,构建自动化打磨装置整体结构方案;根据打磨工艺参数和铸件材料特点对比选用合适的砂轮;根据打磨的特点及电机的选型原则选择合适的电机;根据砂轮卡盘的设计原则设计合适的砂轮卡盘;根据适应性的要求设计三自由度并联平台具体结构;利用有限元分析对并联平台中浮动板及固定板进行了静态分析及优化。其次,开展自动化打磨装置的运动学研究。对并联平台进行模型抽象、建立数学模型及运动学方程,并进行逆运动学求解,得到弹簧设计参数表达式。同时,结合并联平台参数,通过MATLAB计算得到弹簧压缩范围,并完成浮动板边缘点及中心点的工作空间仿真,得到浮动板边缘点及中心点的三维点云图和截面图。再次,开展自动化打磨装置运动仿真研究。根据打磨铸件表面特征将铸件分为5种典型表面特征的待打磨铸件搭建典型实验环境,并利用ADAMS运动学仿真软件对打磨装置适应性进行运动分析。最后,搭建自动化打磨装置及实验平台。根据自动化打磨装置设计方案进行自动化打磨装置的加工、升降平台设计与加工、传感器的选型与购买、控制器的选型与购买、恒力控制研究等工作,完成自动化装置与实验平台的搭建,为下一步数据采集分析提供平台。
基于全向轮的无人供包装置设计与研究
这是一篇关于全向轮,无人供包,结构设计,运动学仿真,单片机的论文, 主要内容为近几年来,快递公司对物流装备技术的依赖日渐增长,自动化分拣等装置在物流企业中迅速普及,快递包裹在各个作业环节中也已配置了众多物流装备技术,但在供包环节中无论是半自动化还是自动化作业中仍以人工上包为主,需要人工将含有面单信息的包裹逐个朝上放置,进行扫描称重等操作,因此供包效率低、人力成本居高不下。现有的快递自动化供包装置需要大量布置工业相机扫描包裹,装置成本高,快递包裹的单件分离效率低,使得快递扫描难度加大,成为目前快递行业发展的痛点和瓶颈。因此,针对物流行业供包环节,设计一款能够实现无人供包的装置具有较大的工程应用价值。针对上述现象和问题,本文提出一种新型的基于全向轮的无人供包装置,该装置能够实现包裹单件分离、三面扫描布置即可实现全方位六面扫,实现无人供包作业。课题主要研究内容如下:首先在多次调研和查阅了大量文献资料的基础上,进行装置的功能需求分析确定了基于全向轮的无人供包装置的整体设计方案,该方案可实现包裹的单件分离、重量获取、通过全向轮旋转对包裹进行五面扫描,透明带输送机实现包裹的底面扫描,无需布置大量工业相机即可实现包裹六面扫描等功能,并完成方案的三维模型设计。其次针对无人供包装置中的全向轮平台,以其中的单个全向轮模块为研究对象进行分析,建立运动学方程和动力学模型,分析无人供包装置的运动特性。利用SOLIDWORKS MOTION仿真工具对货物在全向轮平台进行运动仿真分析,通过速度位移变化分析货物在装置全向轮平台上的运动状态,验证装置的稳定性是否满足要求。然后提出无人供包装置的控制系统设计方案,确定无人供包装置控制系统的控制芯片和开发平台,对控制系统所需的硬件进行选型和电路连接设计,通过Keil u Vision5软件平台对控制系统进行控制系统下位机的软件设计,利用VS2019的集成开发环境在Windows窗体上搭建装置的上位机界面。最后制作出基于全向轮的无人供包装置的实验样机,对样机进行功能测试,将包裹放置在样机上,测试样机能否完成对包裹的单件分离、旋转、称重测量等基础功能,验证装置能否满足工作需求。图64表15参72
采煤机液压浮动调姿牵引机构的设计与仿真研究
这是一篇关于采煤机,液压浮动调姿,牵引机构,结构设计,仿真研究的论文, 主要内容为随着我国易采煤区的大幅较少,大功率采煤机在复杂地质条件下中厚煤层采区的应用越来越多,如何保证大功率采煤机在厚煤层采区仍具有高可靠性,从而实现综采工作面的高产高效是当前煤炭行业亟待解决的问题之一。课题研究大功率、大采高采煤机不同工况下的整机受力状态,并结合滑靴的受力变化规律对传统采煤机牵引机构进行了改进,重新设计为包含机身姿态调整系统的采煤机牵引机构——液压浮动调姿牵引机构,并通过ADAMS软件仿真完成了该机构的可行性和实用性研究。首先,建立大功率、大采高滚筒式采煤机整机受力的数学模型,根据模型的特征确定了有效的解算方法,并分析采煤机牵引机构前、后支撑和导向滑靴的负载特点和变化规律;其次,结合采煤机滑靴的受力情况设计采煤机液压调姿牵引机构,给出主要结构尺寸的设计依据和计算方法,并验证该结构设计的实际应用性;最后,应用UGNX建模软件建立调姿牵引机构的三维实体模型,并转入仿真软件ADAMS中,建立液压浮动调姿牵引机构行走轮与齿轨啮合的动力学模型,并将仿真结果与常规牵引机构的仿真结果进行对比分析,同时,为分析该机构对复杂地质条件的适应性,采用不同频率的牵引阻力进行仿真,对比分析外负载变化频率对整个系统运动特性的影响,并通过调整液压缸阻尼系数的方式调整采煤机的运动状态。结果表明,液压浮动调姿牵引机构的添加不仅可以有效改善整机的受力状态,同时满足机身姿态调整需求,证明了带有液压浮动调姿牵引机构采煤机在工作过程中的可行性,通过调整液压缸伸缩运动可以实现支撑点的浮动,达到适应底板起伏不平、均匀载荷的效果,该结构设计起到了特殊平衡功能。
黄土孔内原位各向异性变形探测成套设备研发
这是一篇关于地质灾害,黄土各向异性变形探测,结构设计,有限元分析,动力学分析的论文, 主要内容为近年来,随着国家西部振兴战略的实施,大量黄土工程项目相继开展,形成了大量的超高黄土填挖方边坡,诱发了一系列的黄土地质灾害。黄土边坡变形参数的各向异性是反映黄土内部劣化过程的关键属性,获取黄土孔内原位变形的各向异性参数,有助于捕捉黄土边坡在人类工程扰动作用下的变形劣化过程。但传统各向异性变形测试技术仅能实现室内、单向测试。因此,本文研发了一款黄土孔内原位各向异性变形探测设备,用于探测黄土孔内原位变形各向异性参数。首先,设计了探测设备整体结构方案。根据探测设备作业时应满足的功能,明确了探测设备的性能指标参数,并对探测设备的支撑系统、切削系统和探测系统进行了方案设计。选取了支撑系统的充气泵源,切削系统的驱动电机,探测系统的驱动电机,以及位移和压力传感器等部件,建立了探测设备整体三维模型。其次,完成了支撑系统的本体结构设计与仿真分析。对支撑系统的上、下密封端盖和连接件等零部件进行了结构设计。采用有限元分析技术,分析了支撑系统在不同黄土孔径下的最小充气压力,并得到了支撑系统提供可靠支撑力时,气囊与土体接触产生的接触应力。搭建室内支撑试验平台进行支撑系统气密性和支撑性能试验。同时,完成了切削系统的本体结构设计与仿真分析。对切削系统的壳体、锥齿轮轴、螺杆、螺母端盖和刀具等零部件进行了结构设计。进行系统动力学仿真,分析了切削系统锥齿轮副和滑动螺旋副的运动规律和啮合特性,并将仿真结果与理论计算相对比,验证结构设计的合理性。搭建室内黄土试验平台进行切削系统切削性能试验。然后,完成了探测系统的本体结构设计与仿真分析。对探测系统的壳体、齿轮轴、挤压板推杆和挤压板等零部件进行了结构设计。建立系统动力学模型,分析了探测系统齿轮副和齿轮齿条副的运动规律和啮合特性,并将仿真结果与理论计算相对比,验证结构设计的合理性。搭建室内黄土试验平台进行探测系统探测性能试验。最后,搭建了探测设备实体样机并完成了性能试验。在野外黄土孔洞试验平台进行了黄土孔内原位各向异性变形探测试验,并通过试验对支撑性能、切削性能和探测性能等工作性能进行了验证。
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