轮足式爬壁机器人的磁吸附结构设计与优化

近年来,随着我国劳动力成本的不断上涨,机器人协助或代替人工作业已受到越来越多人的关注。通过开发爬壁特种机器人,可以减少对自然环境造成的污染,降低工作风险和强度,提高劳动效率。然而,在大型金属立面维护机器人作业过程中,永磁吸附会影响机器人的越障灵活性,提高越障灵活性变得尤为重要。本文针对一种具有越障能力的三段式轮足爬壁机器人本体模型,设计了一种体积小、单位磁能积大、磁铁-轭铁-磁铁交叉排布且能够在机器人越障时提供可靠吸附力的复合式变磁力吸附模块。通过设定优化函数对复合式变磁力吸附模块的各项参数进行逐级优化设计,包括：复合式变磁力吸附模块与壁面间距、复合式变磁力吸附模块上部轭铁厚度及磁铁厚度、复合式变磁力吸附模块磁铁间隙轭铁厚度、磁铁宽度及间隙数,从而得到详细的复合式变磁力吸附模块模型,以132 mm*212 mm*39 mm的体积就满足了机器人越障状态下单组复合式变磁力吸附模块所需提供的3200N吸附力。     

管壳式相变蓄冷单元传热肋片拓扑优化设计

针对管壳式相变蓄冷单元传热肋片结构设计固化,概念设计缺乏理论指导,强化换热效果有限等问题,基于拓扑优化理论,构建二维管壳式相变蓄冷单元的物理模型并进行有限元分析;选取最终时刻平均温度为目标函数,以肋片材料体积占比为约束条件构建管壳式相变蓄冷单元二维肋片拓扑优化模型;对模型进行特征求解得到肋片清晰的拓扑轮廓以及动态演化特性。在上述研究基础上,进一步分析了不同肋片体积占比下所得优化拓扑构型的异同,得出20%的体积占比是综合考虑优化效果和成本的较优值。对比相同肋片体积分数下直肋单元与拓扑优化肋单元的蓄冷特性,结果发现,采用拓扑优化肋片的蓄冷单元中蓄冷速率较直肋提高了41.7%,最终时刻设计域的平均温度较直肋降低了3℃左右,从而验证了拓扑优化在相变蓄冷单元传热结构优化方面的优势。     

基于变磁力单元的磁力控制方法及数值研究

为提高永磁吸附式管外壁爬行机器人运行过程中的吸附力稳定性,解决吸附能力与运动灵活性之间的矛盾,对变磁力吸附单元结构进行了研究.通过建立变磁力吸附单元有限元模型,并分析圆柱磁体的旋转角度和衔铁气隙距离对磁吸附力的影响,应用MATLAB软件拟合出磁力控制函数的数学模型.运用此数学模型控制伺服电机,使任意气隙间距下都反馈出相应的伺服电机旋转角度,进而控制磁吸附力大小,保证机器人爬行过程中磁吸附力的稳定.通过测量实验,表明此磁力控制方法可行有效.     

间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析

研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁机器人,其运动性能(可操作性、驱动性能等)主要由轮式移动结构决定,因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用Matlab/Simulink的动力学仿真,分析了吸盘吸附力和机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响,为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了理论研究基础。     

玻璃幕墙清洗机器人壁面适应能力分析

针对一种负压吸盘式玻璃幕墙清洗机器人的壁面适应能力进行了分析.根据机器人在壁面上实现吸附、移动作业的工作原理,得到了吸盘吸附力的临界条件.基于流体力学理论,通过实验方法绘制了电风机吸盘系统的工作特性曲线.建立了吸盘系统流体模型,得到了吸盘内负压受外部扰动时的等效电路,并根据负压动态响应分析了吸盘结构参数对其吸附特性的影响关系.建立了控制系统模型,并设计了负压闭环控制系统.现场试验结果表明,机器人能稳定工作,壁面适应能力较好.     

基于ANSYS的爬壁机器人永磁轮吸附装置的设计与优化

为解决钢质壁面与永磁轮之间吸附性能弱的问题,通过有限元分析方法研究永磁吸附装置,在永磁体尺寸不变的前提下对磁路展开优化,设计一种磁极同名阵列排布的新型永磁轮。对该吸附装置进行数值仿真分析,得到不同条件下永磁轮与钢制壁面之间的吸附力及轮磁通密度矢量图,借助于仿真软件对永磁轮的合理性进行验证,并对轭铁厚度和钢制壁面间不同气隙进行数值仿真,选取最优值,为爬壁机器人永磁吸附结构设计及优化提供参考。     

铝合金桥面板合理断面形式拓扑分析和优化

在简要综述铝合金桥梁桥面板结构形式的基础上,利用ANSYS拓扑技术进行铝合金桥梁桥面板结构形式的拓扑优化分析,得到铝合金桥面板的概念模型;考虑铝合金桥面板的强度和刚度要求以及铝合金挤压生产能力,设计了两种铝合金桥面板,并对所设计的2种铝合金桥面板细部尺寸进行了优化分析.研究表明,采用ANSYS拓扑得到的铝合金桥面板具有足够的刚度,可以满足公路桥梁荷载的要求;不同荷载工况下两种铝合金桥面板的整体刚度比较接近,无竖向支撑的铝合金桥面板的刚度要略大于有竖向支撑的铝合金桥面板.     

竖向荷载下新型住宅复合结构试验研究

通过对用于住宅的一榀新型复合结构模型在竖向荷载作用下的试验,研究了复合结构在正常使用阶段和承载力极限状态时梁柱及支撑的各截面应力、裂缝、变形和破坏形态.结果表明,一榀六层复合结构,在梁柱截面为250 mm×250 mm,支撑截面为120 mm× 120 mm,承载面积为4.2 m ×4.2 m的情况下,荷载达到一般住宅竖向荷载标准值,梁的裂缝和挠度均小于规范值;当达到设计值时,支撑和底层柱所需要的配筋仅为构造配筋,而梁最大弯矩截面的配筋率仅需0.25%,即新型复合结构满足住宅结构在竖向荷载组合下可靠性要求.复合结构在竖向荷载作用下的破坏形态为梁铰机构体系.     

一种壁面牵引移动式玻璃幕墙清洗机器人

提出了一种新颖的平面玻璃幕墙清洗机器人结构设计原则,据此设计了2个自身无行走机构并依靠壁面牵引移动的清洗机器人系统.机器人吸附在壁面上,在楼顶卷扬机的牵引作用下依靠自身重力沿壁面下滑,同时完成清洗作业,并通过双负压吸盘的交替吸附跨越突起的水平窗框障碍.为提高机器人的工作能力,进行了作业安全分析,并研究了吸盘吸附力的调整控制方法.现场试验表明机器人能有效完成幕墙清洗任务,具有机构简单、效率高、成本低、清洗效果好的特点.     

塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计

为实现塔式起重机臂架布局和尺寸的优化,提出了桁架结构拓扑及尺寸两阶段优化设计方法.第一阶段先建立臂架的周期性板梁拓扑优化模型,使用周期性SKO方法对腹板进行连续体拓扑优化,得到优化的腹板拓扑构型,并通过提取主应力路径将优化的腹板拓扑结构转化为离散的腹杆布局;第二阶段以臂架腹杆截面半径为设计变量,臂架柔度为目标函数,材料体积为约束条件建立优化模型,基于Lagrange乘子法和库恩塔克条件推导腹杆截面尺寸优化迭代准则,基于欧拉公式推导了腹杆稳定性约束条件以保证尺寸优化过程中臂架稳定性.数值分析结果表明,该优化方法能有效地减轻臂架结构质量,提高臂架的刚度,减少变形并降低结构应力水平.     

基于粒子群优化算法的双足机器人步态优化

分析了髋关节位置对双足机器人步行稳定性判据零力矩点(ZMP)的影响,以ZMP稳定裕度为参数构造目标函数,利用粒子群优化算法(PSO)对基于3次样条插值方法规划的双足机器人步态进行优化,从而得到ZMP稳定裕度大的平滑步态.仿真实验表明:该方法规划的步态实现了双足机器人稳定、协调地行走.     

船用移动焊接机器人磁吸附机构研究

履带式移动机器人结构简单,具有较高的运动性能与稳定性,在船舶自动焊接中得到了广泛的应用。为防止履带式移动机构打滑,并使机器人具有在一定坡度的工件上爬行焊接的能力,磁吸附机构的设计和磁吸附力的分析显得尤为重要。本文对磁性材料的选择、磁路系统单元磁路结构的选择进行了分析,完成了船舶焊接时机器人磁吸附的受力分析,完成了磁吸附机构设计,并在此基础上采用ANSOFT公司的MAXWELL软件对磁场力和磁通密度进行了有限元分析,为驱动电机选型提供依据,为机器人稳定性、运动性能和爬坡能力提供了理论保障。     

微重力条件下列管相变蓄热器的传热特性研究及拓扑优化

基于相变蓄热器在航天航空领域的应用，对列管式蓄热器建立物理模型和数学模型，采用数值模拟研究其在不同重力及雷诺数下的传热特性，此外引入基于变密度法的拓扑优化方法对蓄热器进行结构优化，设计出一种不等长拓扑肋片模型，并对比研究各因素对相变材料熔化速度的影响。研究结果表明，相同雷诺数时微重力条件下相变材料的熔化速度相比于有重力条件下的较慢，不同雷诺数时微重力条件下的熔化速度比有重力条件下的熔化速度分别减小了82.7%,86.1%,90.1%。但在微重力条件下，增大雷诺数已不足以有效提升相变材料的熔化速度。与无肋片管相比，经拓扑优化所得肋片模型的强化换热效果明显，在微重力条件下其相变材料熔化时间相比于无肋片管熔化时间缩短了47.83%，表明所设计的拓扑优化肋片模型可有效地减小微重力对蓄/放热速率的影响。     

厚板转换结构拓扑优化设计

研究了高层建筑厚板转换结构拓扑优化设计问题.建立了以结构拓扑类型为设计变量、以删除体积比为约束条件、以整体结构柔度最小为目标函数的数学优化模型.基于应变能准则,采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低应变能的单元,获取能真实反映结构内部最短传力路径优化模型.通过对竖向荷载作用下各种不同布置方式的剪力墙和柱网形式的转换厚板...     

风电塔筒检测爬壁机器人设计与安全性分析

针对风电塔筒垂直壁面作业任务的需求,根据塔筒的直径变化范围研制了一个能够自适应塔筒曲面曲率变化的爬壁器人。并对机器人进行静态与动态安全性分析,根据实际塔筒壁面倾角建立任意位姿的空间模型,分析了爬壁机器人失稳的因素及其产生的原因。通过仿真分析得到爬壁机器人的主导失稳形式以及机器人安全吸附时的最小许用吸附力。分析了机器人静态安全吸附与重力和壁面倾角以及位姿角存在的关系,以及动态安全吸附与重心位置高度、摩擦系数、几何尺寸之间的关系,结果表明:纵向翻转式影响机器人安全性的最重要因素,适当地降低机器人的重心高度更有利于保证机器人的稳定性,对样机进行性能测试试验,证明机器人能够在风电塔筒壁面上安全稳定的运行。     

折板结构的拓扑优化设计

从工程实际出发，引用一种折板结构代替板肋结构〔１〕，并应用折板结构的力学特性，建立了约束隐函数同几何设计变量的近似关系式．结合可行方向法的思想，提出一个不必对约束隐函数求偏导数，不必求解线性规划的优化算法，有效地解决了该类结构的拓扑可调优化问题．应用实例表明，算法的优化效果良好     

基于ANSYS的石膏空腔模无梁楼盖拓扑优化设计

石膏空腔模无梁楼盖是以预制石膏空腔模壳为永久性施工内模的整体现浇空心楼盖,其最大优点是降低结构层高,施工方便,但尚存在结构形式单一、经济效益不明显等问题。引入拓扑优化理论和方法,对石膏空腔模无梁楼盖结构进行研究。首先介绍了基于ANSYS的有限元拓扑优化技术的基本原理和方法,以及拓扑优化的数学模型。然后,对实心无梁楼盖进行拓扑优化,阐述了ANSYS拓扑优化分析的一般过程;根据目标函数和约束函数的迭代历程,指出了拓扑优化的优越性;根据单元伪密度分布情况,提出四类石膏空腔模无梁楼盖形式:密肋式楼盖、空腹板架楼盖、井式楼盖、其他网格楼盖。     

具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附特性

介绍了一种双负压吸盘式爬壁机器人吸附机构,分析了机器人可靠吸附于垂直壁面的基本吸附条件.基于流体网络理论建立了吸盘模型并得到吸盘在风机突然启动、机器人遇障碍以及风机突然关闭三种情况下的等效电路.通过对等效电路的分析得到吸盘内负压动态响应曲线,进而得到了流阻、流容等吸盘结构参数对吸盘腔内负压的影响关系.最后通过试验和仿真进行了验证.     

基于折衷规划法的转向节多目标拓扑优化设计

转向节直接影响汽车的操作稳定性和行驶安全性,为使转向节在实现轻量化的同时满足汽车动力学要求,运用SIMP(solid isotropic material with punishment)密度函数插值模型以及带权重的折衷优化法定义综合目标函数,对某太阳能赛车转向节进行多目标拓扑优化,使其一阶振动频率和静态工况下的刚度达到综合最优值。优化后该转向节的一阶振动频率提高76.87%,静态工况下的刚度提高90.25%,质量减轻44.47%,轻量化效果显著。     

基于二级多点逼近算法的连续体结构拓扑优化

针对基于变密度法的连续体拓扑优化中设计变量连续性的特点,建立了以结构重量最小为目标,考虑位移和频率约束的连续体结构拓扑优化模型;原拓扑优化问题先转化为具有较高精度的第一级多点近似序列问题,该问题的约束函数由优化过程中历史设计点的临界约束函数值及其一阶导数构造;再通过线性泰勒展开建立可由对偶法快速求解的第二级近似序列问题,以逼近各第一级近似问题的解. 采用敏度过滤技术,避免棋盘格引起的数值缺陷问题,并对低密度区域的单元刚度进行惩罚,以消除频率约束问题的局部模态现象. 优化过程中采用通用有限元程序Nastran进行结构分析和敏度分析. 数值算例结果表明:应用该方法可以有效地解决具有位移和频率约束的连续体拓扑优化问题.