摘要：针对基于有限体积法的热-流耦合数值分析缺乏拓扑优化框架问题,建立了采用有限体积法的自然对流换热拓扑优化方法。建立了流体固体统一描述的自然对流换热数学模型,提出了基于有限体积法的自然对流求解方法;通过引入基于结构的离散化描述方法,搭建了结构的描述框架并构建了流体与固体间的材料属性插值模型;针对自然对流中增强散热能力与增强物质传输能力问题,提出了拓扑优化的数学模型,明确了设计变量、目标函数以及约束条件,建立了自然对流拓扑优化方法框架;通过3个算例,验证了提出的数学模型和求解方法,并与商业软件COMSOL进行了对比。结果表明:提出的自然对流求解方法与COMSOL计算结果相比,压力、速度、温度的数值误差均小于3%;对于增强散热能力问题,采用提出的拓扑优化方法获得的最高温度优于COMSOL结果。所提基于有限体积法的自然对流拓扑优化方法的可行性和有效性得到了验证。

摘要：湿式离合器是车辆传动系统核心元件,在高速分离状态下易出现摩擦片和钢片之间的碰撞摩擦,由此引起离合器带排转矩的急剧增大,影响其传动效率和可靠性。因此,本文以降低离合器高速段碰摩带排转矩为目标,对摩擦片表面微织构进行了优化设计。首先提出了摩擦片表面任意微织构形线参数化建模方法;然后选取了微织构的数量、深度、周向占比、径向占比和形线参数,构建了微织构优化的设计变量、约束条件和优化目标函数,通过将试验设计、模拟近似模型和搜索寻优相结合,建立了摩擦片表面微织构优化设计模型;最后进行了微织构优化前后的带排转矩对比试验。结果表明优化后的微织构可显著降低高速段碰摩带排转矩,并大幅推迟摩擦副高速碰摩现象出现的线速度。

摘要：定义空载湿式离合器摩擦片/钢片的周期无量纲轴向位移范围λ,根据其值确定湿式离合器的临界碰摩转速。通过分析润滑油温度、供油流量、摩擦副间隙与特征量λ变化趋势的关系,得到工况参数对湿式离合器临界碰摩转速的影响规律。从力学角度出发,分析流场刚度和阻尼的变化规律,探寻摩擦片/钢片三自由度运动的影响因素,在此基础上提出流场临界刚度和临界阻尼的概念,揭示湿式离合器工况参数对其临界碰摩转速的影响机理,并进行了试验验证。研究结果表明:润滑油温度升高或摩擦副间隙增大会导致流场中的交叉刚度系数和交叉阻尼系数变大,湿式离合器的临界碰摩转速降低;供油流量增大会导致流场中的交叉刚度系数和交叉阻尼系数减小,湿式离合器的临界碰摩转速升高。

摘要：紧凑、轻量化、高效节能型换热器对高端移动装备中液压油源的小型化至关重要。基于不同普朗特数流体的换热和流动阻力经验关联式设计并优化了一种矩形错列翅片式换热器。推导出相关质量、出口温度和压力损失的函数模型,通过灵敏度分析研究关键参数对目标函数的影响,从而评估各变量对换热器综合性能的贡献度。在此基础上,利用遗传算法对换热器的关键参数进行优化。同时,通过数值模拟研究优化前后换热器的流动特性和换热性能。结果表明,理论计算与数值仿真结果吻合良好。优化后换热器质量减小25.79%,换热器降温幅度提高25.24%。研究成果对液压油源的小型化和轻量化具有积极的促进作用。

摘要：现有手术操作臂多采用刚性直杆结构,难以满足未来自然腔道微创手术的需求。为解决这一关键问题,结合气动人工肌肉技术及纤维堵塞刚度调节机理,设计一种具有多自由度运动和刚度可调能力的手术操作臂。研究获得操作臂单元的一体化制造工艺。搭建试验测试系统,测试获得气动人工肌肉驱动器弯曲变形及输出力与驱动气压的非线性关系。进一步研究操作臂单元的抗弯能力与负压、纤维疏密程度及纤维排布方式等参数的关系,得到优化的设计方案。实现操作臂在复杂环境下的多自由度绕障及刚度调节功能。

摘要：作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵,超高压化是其必然发展趋势与要求,然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用,对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此,建立一种基于变形矩阵法的固液耦合作用求解方法,该方法基于有限容积法解算油膜流体润滑方程,基于有限元法实现摩擦界面变形计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算,在此基础上建立柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值计算模型,针对采用软硬配对的柱塞副63 MPa超高压工况下的摩擦界面油膜固液耦合作用特性进行研究,结果表明:固液耦合作用有助于减小柱塞副处轴向黏性摩擦力和泄漏流量,一个周期内柱塞副总周向黏性摩擦力大小基本不变但分布更为集中,导致产生了更大峰值的瞬时摩擦力;显著的结构变形产生于柱塞副摩擦界面两端局部位置处,因而对泄漏流量不造成影响,在超高压工况下经过软硬配对跑合,固液耦合作用有助于原本标准柱形铜套孔形成类似“喇叭口”的一种微观形貌,增大了柱塞与铜套孔的接触面积,增强了密封超高压油的能力,降低了接触应力。建立的模型及研究结果可为轴向柱塞泵超高压化设计提供指导。

摘要：蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”,因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。研究涉及材料学、仿生学、机械设计制造、传感技术等多学科交叉融合,在消防灭火、灾后救援、海底环境与管道探测、复杂环境作业、军事侦查等领域具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。从蛇的生物特征、仿生原理、结构驱动、建模及控制等方面对蛇形机器人研究进行综述,按结构类型将蛇形机器人分为被动轮式、主动轮式、履带式、螺旋桨式和其他结构等;按驱动方式将蛇形机器人分为直流电机驱动、流体驱动、混合驱动和其他驱动等;以及目前常用于蛇形机器人的建模方法和控制策略。从中归纳和分析,得到蛇形机器人的关键研究问题包括材料升级、结构优化、柔性传感技术和自适应控制,其未来发展方向包括新型材料制备成型、高效结构设计加工、灵敏柔性传感技术、新型适合大变形的建模方法、自适应控制系统研发。

摘要：基于法拉第电磁感应定律,设计了一种新型的机械按压式能量收集装置。该装置通过永磁体的运动使通过线圈的磁通反转从而产生感应电动势。根据装置的设计结构,采用ANSYS有限元软件对所设计的结构进行有限元数值模拟,在永磁体运动速度为0.4 m/s时,该装置所产生的平均开路电压约为3.31 V。同时也对加工制造后的装置进行了实验测量,测得平均开路电压约为3.20 V,带负载时的平均电压约为2.76 V,平均电流约为21 mA。装置一次运动所产生的能量为103.4μJ^301.0μJ。

摘要：介绍了磁流变液传动装置的工作原理,基于磁流变液Bingham模型设计了多盘式磁流变液传动装置的机械结构和散热系统,并利用有限元分析软件Ansoft Maxwell进行了磁路设计和磁场仿真,得到了不同励磁电流下磁场的分布云图,为磁流变液传动装置的优化设计提供了参考和依据。

摘要：基于机理建模方法建立了液压驱动单元位置控制系统数学模型,针对不同环境结构下负载刚度和负载阻尼的动态变化特性,把位置控制环作为控制器内环,推导了一种变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法。建立了负载特性模拟方法的仿真模型,并在液压驱动单元性能测试平台上进行了模拟方法的实验测试,研究了斜坡阶跃负载力和正弦负载力下变刚度和变阻尼负载特性的模拟效果。研究结果表明:设计的模拟方法能够较好地模拟环境刚度参数变化、阻尼参数变化,以及刚度参数和阻尼参数同时变化时的负载特性。