形态发生之美丽

人类对形貌和结构之美的探索不止于自然界更延伸到科学领域,我们更关注的是蕴藏在形态和模式中的物理规律和应用价值。随着非线性科学的出现,形态和模式的研究再次成为科学研究的焦点,晶体可以在非平衡体系中生长出骸晶和枝晶等特殊形态的晶体,表面活性剂及模板分子的应用极大地丰富了晶体的结构和形貌。本文评述了部分晶体生长理论和不同条件下的形态发生图样。     

Computational algorithms for simulating the grain structure formed on steel billets using cellular automaton and chaos theories

The development of some computational algorithms based on cellular automaton was described to simulate the structures formed during the solidification of steel products. The algorithms described take results from the steel thermal behavior and heat removal previously calculated using a simulator developed by present authors in a previous work. Stored time is used for displaying the steel transition from liquid to mushy and solid. And it is also used to command computational subroutines that reproduce nucleation and grain growth. These routines are logically programmed using the programming language C++ and are based on a simultaneous solution of numerical methods (stochastic and deterministic) to create a graphical representation of different grain structures formed. The grain structure obtained is displayed on the computer screen using a graphical user interface (GUI). The chaos theory and random generation numbers are included in the algorithms to simulate the heterogeneity of grain sizes and morphologies.     

亮度变化下室外场景图像特征点提取方法

在室外场景的环境感知中,固定阈值的特征点提取算法,其特征点数量和重复率随亮度变化而急剧变化,针对该问题,本文提出了一种基于局部自适应阈值的特征点提取算法。该算法通过设置自适应参数,用动态局部阈值计算每一个像素阈值来筛选特征点,解决了单一阈值选取不当导致的特征点丢失或重叠问题,对像素亮度进行分类,逐层筛选出候选特征点,达到定向二进制简单描述符特征点的精确提取。实验结果表明:亮度在增加或减少60%范围内变化时,特征点分布均匀无重叠,特征点数量的极差为80,仅占原始亮度特征点数量的25%,整体重复率稳定在80%以上。     

超声变幅杆振动温升及其对振动稳定性的影响

在变幅杆振动中,变幅杆的自身阻尼特性以及与螺栓/工具头的耦合会导致明显温升.为研究该温升特性并探讨其对变幅杆振动稳定性的影响,采用数值模拟得到了纵振变幅杆的总功耗密度和温度分布;通过红外热成像测试对变幅杆理论温升进行了验证,并分析了不同材料的螺栓与工具头连接对温升的影响.结合数值模态分析与实验分析,进一步探讨了温升对变幅杆谐振频率与振幅的影响规律.结果表明,变幅杆连续运行时温升趋于平衡,该平衡点取决于螺栓材料、变幅杆材料和环境因素.对于低阻尼TC4钛合金变幅杆,螺栓处能量损耗为主要热源,其中45钢螺栓发热量占97.7%,而采用TC4钛合金螺栓和TU2紫铜工具头可显著减小温升.同时发现,变幅杆谐振频率与温升成线性负相关,振幅因温升有所降低,二者均稳定在平衡温度点.     

基于快速终端滑模状态观测器 的车轮滑移率跟踪控制

针对自动驾驶电动汽车对车轮滑移率跟踪控制的需求,提出一种基于快速终端滑模状态观测器的全状态反馈车轮滑移率跟踪控制器.首先,以车轮制动力矩导数为控制输入,建立车轮滑移率跟踪控制模型,避免车轮滑移率跟踪控制器设计过程中引入不连续项对系统稳定性和控制性能的影响.随后,利用有限时间稳定和快速终端滑模控制理论设计具有有限时间收敛特性的快速终端滑模状态观测器,实时观测未知的系统状态信息.以此为基础,采用模块化思想独立设计快速终端滑模跟踪控制律,实现车轮滑移率的连续、快速的跟踪控制.最后,结合车辆动力学仿真软件建立模型在环测试系统,仿真验证本文提出的车轮滑移率跟踪控制器的可行性和有效性.     

基于凸轮机构驱动的无级变速器设计与仿真

针对现有无级变速器变速范围窄、最大传动比小的问题,提出了一种基于凸轮机构驱动的无级变速器.该无级变速器通过变速装置调整中间摆臂支点位置,改变力臂,从而调节从动件的旋转速度,实现无级变速目的.根据摇臂输出端转速的变化规律,控制摆臂转速按一定规律变化,对输出速度进行反向补偿,提高了运动输出的平稳性.利用反转法原理,分别对凸轮轮廓曲线、摆臂轮廓曲线进行设计,并将凸轮组中4组凸轮均匀错开22.5°,保证无级变速器在运行的过程中,至少有一组凸轮处于推程状态,实现运动连续输出.利用NX10软件对传动机构进行运动学仿真,通过分析不同传动比状态下摇臂的角位移曲线图,验证了无级变速器总传动比在一定调速角范围内,可实现运动连续平稳输出.本文无级变速器可获得较宽的变速范围和较大的传动比,弥补了现有无级变速器变速范围窄、最大传动比小的不足.     

避雷线预绞丝端口的电磁损耗分布分析

避雷线预绞丝端口所产生的电磁损耗是预绞丝端口高温的主要热源,局部高温可能导致避雷线发生损伤.基于避雷线与预绞丝之间接触点的实际分布特征,利用Comsol有限元分析软件构建预绞丝端口的三维电磁场仿真模型.通过仿真计算得到预绞丝端口的电磁损耗密度分布,并进行分析讨论.结合稳态温升实验与接触电阻测量实验对仿真模型的准确性进行验证.基于该仿真模型,探究了预绞丝端口电磁损耗与钢的相对磁导率和绞线绞合参数之间的关系.研究结果表明,仿真模型具有足够的准确性,误差没有超过8%.预绞丝端口的电磁损耗主要集中于避雷线与预绞丝之间的接触点,各排接触点的电磁损耗随着轴向距离的增加逐步递减.此外,预绞丝端口的电磁损耗与钢的相对磁导率、相邻接触点的轴向距离呈正相关.     

径向气体箔片轴承高速重载测试及实验台搭建

设计了一款带有气缸加载装置的高速重载径向气体箔片轴承实验台,并对一种三瓣式气体箔片轴承进行实验研究.测得该气体箔片轴承起飞转速和起飞转矩均随载荷增大而升高.分别在转速为30 000、40 000、50 000、60 000 r/min时采用温度监测法对该种气体箔片轴承进行承载能力测试,测得该气体箔片轴承在不同转速下的极限承载能力分别为380、535、700和810 N.实验期间,在70 000 r/min时对双波箔气体箔片轴承进行加载实验,并在51 000r/min时实现1 020 N加载,验证了高速重载气体箔片轴承实验台搭建成功.     

隧洞块体破坏过程及稳定评价的数值方法研究

为分析块体在复杂围岩作用下的破坏形态及稳定性,提出一种基于连续介质力学的块体破坏数值分析方法.首先,在已有的单元重构-节点分离的结构面建模方法基础上,实现基于网格的块体识别;其次,基于显式求解的接触力算法,推导多种接触状态下的接触力表达式,并提出块体和围岩的接触分析方法;然后,采用结构面强度折减法求解块体安全系数.该数值分析方法可同时计算围岩和块体的变形特性.通过一个块体沿双面滑动的简单算例也论证了在一定条件下,数值计算可得到与刚体极限平衡法一致的结果;最后,结合某一断层穿过的隧洞工程,分析其开挖后的围岩及块体稳定性.结果表明,该数值方法有效反映了围岩应力和变形对块体稳定性的影响;关键块体发生破坏后,潜在危险块体发生较大变形,局部安全系数低.该数值方法为复杂地质条件下隧洞块体稳定性评价提供了一种有效的分析思路.     

基于多块体的非对称双层临坡地基上限承载力

为进一步解决条形基础荷载作用下双层临坡地基的承载力和稳定性问题,对现有研究成果进行对比分析,并对其假设的合理性进行判断,根据临坡地基破坏模式的非对称性的基本特征,考虑到双层地基分层界面处速度的间断性,采用一种新的多滑块模式来构建其破坏模型.根据速度相容关系、速度三角形闭合条件确定该模型的相容速度场.引入极限分析法的上限分析理论,推导条形基础非对称双层临坡地基上限承载力的计算公式.采用MATLAB二次规划算法的优化计算方法对双层临坡地基的上限承载力进行优化求解.最后通过工程算例来验证理论公式的合理性,并与现有研究方法以及软件计算结果进行对比,证明了本文方法的可行性.