柔性水下悬停机器人的液气相变驱动及制造

为解决传统水下机器人功耗大、噪音大、机电特征易被探测的缺点,受河鲀应激防御时体型变化的启发,设计并制造了一种基于液气相变驱动的柔性水下悬停机器人（简称悬停机器人）：基体由柔性硅橡胶材料制成,内部预设一腔体,腔体内封装低沸点驱动液体（3M? Novec? 7000,沸点35 ℃）,通过加热驱动液体使其发生液气相变,作用在内腔壁面上的饱和蒸气压使悬停机器人的体积发生变化从而改变悬停机器人的浮力;通过控制驱动温度实现悬停机器人的上浮下潜运动与定深悬停。实验表明,悬停机器人在自封装15 mL驱动液体时的驱动温度范围为50～100 ℃,最大可提供约为自重1.95倍的浮力;在驱动温度为53 ℃时,可实现定深悬停;在驱动温度范围内,浮力测值误差小于5%。基于液气相变驱动的柔性水下悬停机器人回避了传统的机电驱动传动,自带工质,尺寸小重量轻,适合水下复杂环境作业;工作功耗小,驱动过程无噪声。     

水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展

 随着水下作业要求的增加以及软体机器人技术的发展,水下软体机器人的研究成为水下机器人的一个前沿方向。用人工肌肉实现驱动控制并能实现仿生运动的水下软体机器人成为相关领域的研究热点。本文介绍现有水下软体机器人中7类人工肌肉驱动方式,再根据水下软体机器人推进形式,按5种仿生运动形式介绍了现有的水下软体机器人,最后展望了水下软体机器人未来在水下勘探的应用前景。     

气液相变的自聚集分析

应用分子自由程概念给出一种判别体相中活化与非活化分子的判据,基于分子自聚集理论,提出活化分子临界聚集浓度的概念,描述核心形成之前的物理图景.浓度较低时活化分子主要以单体形式存在,达到临界聚集浓度时开始聚集,但只有聚集数小于5的聚集体能够在体相中稳定存在,过剩的活化分子只能无限聚集,形成临界核心,继而产生相分离.在无外界扰动时,临界聚集浓度点对应着气-液相变的过热极限点或过冷极限点.通过定量分析聚集体浓度和聚集数的关系,确定体相处于过热(过冷)极限点时体相与新相之间的界面特性,预测体相与微小新相之间的界面张力γ,对经典理论的形核率作出合理修正.     

I类超导体相变与气液相变的相似性

从等温方程和吉布斯函数出发，讨论了考虑几何效应后Ｉ类超导体的超导态，中间态和正常态的相变与气液相变的相似性。     

磁场驱动柔性微纳机器人研究进展

 磁场驱动微纳机器人无需化学燃料,因而可以在水、血浆、组织液等多种液体环境中使用。它可以在生物体内进行无损伤远程调控,并易于进行运动控制,这些特点使得它在医疗领域具有广泛的应用前景。微纳机器人尺寸极小,处于低雷诺数环境中,需要克服高黏性力实现运动。磁场驱动微纳机器人有表面型、螺旋型和柔性驱动型3种。柔性的磁场驱动机器人通过外界磁场力产生周期性变形,在低雷诺数环境中实现推进,与微生物的推进方式类似,具有推进效率高、对磁场强度要求低的优点。本文综述了磁场驱动柔性微纳机器人的制备、驱动方式、运动性能和运动控制性能研究进展。     

水平气液两相变擀分层流动模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别,可以预知常规水平管流的流型转变机理及压降计算方法,对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展,根据气液两相界面波的迅速成长机理,考虑了管壁入流或出流的影响,得到水平井筒气流两 质量流动分层流向非分层流流型转变的判别方法,并对气、液两相分别应用质量守恒方和动量守恒方程,考虑管壁存在入流或出流对于分层流流型压降的影响,得到水平井筒气液两相变质量流动分层汉流的压降计算方法。     

水平气液两相变质量分层流动模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别 ,可以预知常规水平管流的流型转变机理及压降计算方法 ,对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展 .根据气液两相界面波的迅速成长机理 ,考虑了管壁入流或出流的影响 ,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流向非分层流流型转变的判别方法 .并对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程 ,考虑管壁存在入流或出流对于分层流流型压降的影响 ,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流流型的压降计算方法 .     

基于神经网络的欠驱动水下机器人地形跟踪控制

为实现欠驱动自治水下机器人(AUV)的精确地形跟踪控制,设计了一种自适应神经网络控制器.采用径向基神经网络估计时变水动力阻尼引起的AUV模型不确定部分和外界海流干扰,设计自适应学习律来实现神经网络权值的最优估计.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了跟踪控制系统的稳定性,设计的控制器可以使闭环误差系统渐近稳定且系统状态有界.仿真实验中选择实际测量得到的期望随机真实地形进行跟踪实验,并且要求AUV相对地形保持一个恒定的高度偏差.结果表明,该控制方法可以有效地降低模型非线性和不确定性引起的扰动,具有较高的跟踪精度,满足实际工程需求.     

柔性蠕动式管道机器人弯道驱动能力研究

为了研究柔性蠕动式管道机器人处于弯管处的驱动能力,从受力分析、几何约束出发,针对机器人在弯管处的驱动能力与管道曲率及机器人跨距之间的关系进行了研究.分析了机器人在弯管处的受力特征及机器人软轴失稳状态对受力特征的影响,建立了机器人通过弯管时驱动能力与管道曲率及跨距关系模型,并对模型进行了仿真和实验研究.结果表明:仿真和实验结果与理论分析基本一致,证实了所建模型的正确性和有效性,为对柔性蠕动式管道机器人软轴跨度的选取以及机器人通过弯道时步距控制提供了方法和理论基础.     

表面张力对液气临界点相变比热跃变的影响

研究了表面张力随温度的变化对液气临界点相变时比热跃变的影响，得到了考虑表面张力随温度变化的影响时定压比热和定容比热跃变的新公式。     

水平井气液两相变质量流的流动规律研究

水平井井筒变质量流的流动规律是进行水平井产能预测，油井生产系统优化设计及动态分析的基础。从理论和实验两方面对水平井筒气液两相变质量流的流型判别与压降计算进行了探索性研究。建立了分层流，间歇流，分散泡状流和环雾流的流型判别模型以及分层流与间歇流的压降计算模式，并绘制了流型图，计算值与实验数据对比表明，分层流和间歇流模型与以空气和水为介质的实验结果具有良好的一致性，其压力梯度模型的计算值与实验测量值间的平均相对误差为5.3%。大部分误差在10%以内，说明该计算模型有较高的精度。     

水平井气液两相变质量流的流动规律研究

水平井井筒变质量流的流动规律是进行水平井产能预测、油井生产系统优化设计及动态分析的基础。从理论和实验两方面对水平井筒气液两相变质量流的流型判别与压降计算进行了探索性研究 ,建立了分层流、间歇流、分散泡状流和环雾流的流型判别模型以及分层流与间歇流的压降计算模型 ,并绘制了流型图。计算值与实验数据对比表明 ,分层流和间歇流模型与以空气和水为介质的实验结果具有良好的一致性 ,其压力梯度模型的计算值与实验测量值间的平均相对误差为 5 .3% ,大部分误差在 10 %以内 ,说明该计算模型有较高的精度     

双相变换热器气液均匀分配特性及典型结构研究的新进展

介绍了低温两相流板翅式双相变换热器的结构和特点,回顾了板翅式换热器两相流体入口分配结构对其气液分配特性的影响.指出了传统的“先混合、后分配”方法的缺陷,基于单相流体易于均匀分配的物理特性,提出了“先分配、后混合”的新方法和新结构.应用该新方法和新结构于国产化的乙烯冷箱后,其冷端传热温差降低到仅为3 K.应用该新技术的宝钢等大型制氧装置中的新型高效冷凝蒸发器,其传热系数达到了925.1 W/(m2.K),比国际上最先进的指标提高了48.97%,产品性能优于国内外同类产品.     

求解两相蒸发和冷凝问题的气液相变模型

为了更精确简单地求解两相流中的蒸发和冷凝问题,基于FLUENT中的流体体积(VOF)方法提出了一种气液相变模型,该模型适应于两相中一相为非饱和相,即处于过热或过冷状态,另一相为饱和相,即处于饱和状态.该气液相变模型中:非饱和相导热系数和比热容为真实的物性参数;假设饱和相导热系数等于0,饱和相比热容等于非饱和相比热容;界面处相变率仅由非饱和相决定,最后,通过一维Stefan问题相界面位置的分析解和二维膜态沸腾气相体积比的精确解,验证了该相变模型的精确性和可行性.文中工作为该相变模型的推广应用奠定了基础.     

欠驱动智能水下机器人的自抗扰路径跟踪控制

为削弱欠驱动智能水下机器人(AUV)在路径跟踪过程中遇到的外界环境干扰和载体内部信号传输干扰的影响,以某欠驱动AUV为研究目标,基于自抗扰控制技术以及在Serret-Frenet坐标系下建立的路径跟踪误差方程,结合水下机器人相关运动学及动力学方程,建立了二阶自抗扰路径跟踪控制器,并进行了与传统PID控制器的对比仿真实验.仿真实验包括水平面随机干扰下的圆路径跟踪和渐变干扰下的空间螺旋线跟踪.仿真结果表明,基于自抗扰控制技术的欠驱动AUV路径跟踪控制器能够实现相应的参考路径跟踪任务,同时,相比于传统PID控制器,自抗扰路径跟踪控制器能够更有效地抑制干扰造成的颤抖、超调等现象,具有更优的控制效果.     

水下爆炸冲击载荷下液气缓冲器抗冲特性分析

概述了新型液气缓冲器的基本结构和运动过程. 基于动力学基本理论,建立了该缓冲器冲击输入与经缓冲后的冲击输出两者之间的数学模型. 通过Matlab数值仿真计算,研究了气室高度、油腔截面面积、伸进阻尼孔面积、伸张阻尼孔面积等参数对该型缓冲器抗冲击性能的影响,得出了各参数对抗冲击特性的影响规律.     

新型水土采样器及水下机器人的设计

研究了一种在潜水控制系统平台上搭载有水样和土样采集器的小型水下机器人,提出了旋转推注式采集器的设计方案.该方案的重点是水土采集器的结构设计,其优点是体积小,操作灵活,一次可采集多个样品,可完成泥浆、水样、水底腐殖物的采集工作.该机器人带有水下摄像头,可为环境实时监测等提供新的测量手段.     

水下机器人的发展现状

介绍了国内外典型机器人的性能特点,阐述了国内外水下机器人发展的历史现状,总结了水下机器人发展中存在的一些关键问题,并对未来水下机器人领域的发展动向作出了展望。     

基于液气相变材料的混凝土箱梁结构自调温试验研究

混凝土箱梁结构广泛应用于土木工程领域。由于混凝土材料导热性能差,在强烈日照情况下,箱梁内外会产生过大温差,从而导致结构开裂。为了从根源上防止箱梁开裂,提出了运用相变储能技术控制箱梁结构内外温差不超过开裂温差限值的新思路;选取三氯三氟乙烷(R113)液气相变材料,通过试验验证该方法能够有效控制箱梁结构内外温差,起到自调温的作用。     

复杂环境下的欠驱动智能水下机器人定深跟踪控制

为使欠驱动智能水下机器人(AUV)在实际定深作业中,更好地抵抗外界和载体内部信号传输所构成的复杂环境作用,以某欠驱动AUV为研究对象,基于自抗扰控制技术和模糊控制方法,结合水下机器人相关运动学及动力学方程,利用切换控制策略,取自抗扰和模糊控制各自的优点,联合建立了欠驱动AUV模糊自抗扰定深跟踪控制器,并与基于传统比例积分微分(PID)方法的定深控制器在复杂环境下进行了对比仿真.仿真结果表明,基于模糊自抗扰控制技术的欠驱动AUV深度控制方法能够实现准确定深跟踪控制,同时,相比于传统PID控制器,模糊自抗扰深度控制方法能够更有效地抑制复杂环境下干扰所造成的超调和震颤等现象,具有更优的控制效果.