基于虚拟夹具的微创外科手术机器人运动约束研究

机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术能够显著提高外科医生对手术的执行能力.然而,现有的机器人主从遥操作模式下所存在的不足之处(如手眼协调性差、可视空间狭窄、力反馈信息的缺失等)容易导致医生产生过度操作而引起机器人执行机构的碰撞干涉(包括机械臂之间的碰撞干涉及内窥镜杆与手术器械杆的碰撞干涉)和手术器械末端脱离手术视野,由此带来的安全性问题不容忽视.本文提出了一种基于虚拟夹具的微创外科手术机器人空间运动约束方法,以"MicroHand S"机器人系统作为应用平台,在进行机械臂构型及运动学分析的基础上,针对上述问题展开研究,通过构建碰撞干涉检测模型实时监测机器人执行机构之间及机器人与环境物体之间的相对距离,并设置相应的安全预警区域,采用人工势场与虚拟代理点相结合的方式对机器人执行机构的运动空间加以限制,从而达到对医生的操作动作进行合理的引导与约束,提高手术效率与操作安全性的目的.该方法无需构建复杂的几何模型,虚拟夹具的定义方便快捷,对于其他主从操作模式下的微创外科手术机器人系统及类似的人机交互环境具有普适意义.最终的虚拟仿真实验结果表明,在有、无虚拟夹具两种操作环境下,实验参与人员的表现有...     

附着式升降脚手架荷载设计与防雷措施研究

随着高层建筑的快速涌现,基于经济性、安全性和实用性等方面的考虑,传统脚手架已不能满足应用要求。相对而言,可以随着建筑物主体结构自由升、降的附着式爬升脚手架愈来愈受到施工企业的青睐,应用广泛,前景广阔,经济效益良好。以附着式升降脚手架在兰州某高层建筑施工中的应用为依托,结合国家、行业标准和有关计算手册,重点考虑了架体设计的计算,并给出了工作期间安全防雷的技术措施方案,以期为类似项目脚手架架体的设计和防雷措施提供参考。     

高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究

针对高产气井流体流动诱发油管柱振动引起的破坏问题,采用微元法、能量法结合哈密顿变分原理建立油管柱纵横向耦合非线性流致振动模型,基于弹塑性体接触碰撞理论,建立油套管非线性接触碰撞模型,并将其引入流致振动模型中,得到高产气井油管柱双重非线性流致振动模型。采用有限元法和Newmark-β法求解油管柱的双重非线性流致振动模型,与文献的实验数据和只考虑接触碰撞单非线性模型计算结果对比,验证了本文所建立的油管柱流致振动模型的正确性和优越性。根据现场高产气井参数,采用相似原理,开展了气井油管柱流致振动模拟试验,测得油管柱振动响应数据,与理论模型计算结果对比,再次验证了油管柱双重非线性流致振动模型的正确性。所建立的非线性流致振动模型可为高产气井油管柱安全设计提供有效的分析工具。     

变截面悬臂空心圆柱的冲击动力特性

变截面悬臂空心柱是一类在工程中有着广泛应用的特殊结构。为了研究其在冲击荷载作用下的动力特性,通过准静态极限分析与冲击动力学理论,对其在等厚度与变厚度两种情形下的冲击响应展开研究。定义了荷载位置参数与塑性铰位置参数,并根据荷载位置参数给出了塑性铰位置的判定条件。利用动量定理与动量矩定理推导了悬臂端加速度的表达式以及塑性铰位置参数的控制方程。根据分布惯性力与剪力的微分关系以及剪力与弯矩的微分关系分别推导了剪力和弯矩的表达式;分析了荷载位置参数对塑性铰位置参数与悬臂端加速度的影响,以及塑性铰位置参数对悬臂端加速度的影响。算例结果表明：悬臂端加速度与塑性铰位置参数的本文解与数值解吻合良好;塑性铰位置参数随荷载位置参数的增大而增大,且二者关系几乎呈线性;悬臂端加速度随荷载位置参数、塑性铰位置参数的增大而减小。可见当冲击荷载明显超过固定端的静态极限荷载,且荷载位置参数小于临界荷载位置参数时,变截面悬壁空心柱将在柱中产生塑性铰。因此,出于结构可靠性考虑,工程中应对此类问题予以重视。     

爆炸荷载作用下单层钢结构厂房易损性综合评估

单层钢结构厂房普遍应用于重型机械制造、冶金等重工业及军事工业,战略意义重要,常为敌方空中打击的首选目标。为评估单层钢结构厂房在常规武器爆炸荷载作用下的易损性,在分析单层钢结构厂房易损性表征内涵的基础上,提出单层钢结构厂房易损性表征指标体系,包括外部钢结构易损性表征指标和内部空间易损性表征指标,并给出易损性表征指标的量化方法。基于层次分析和模糊数学综合评判方法,建立因素集、定义评判集、确定权重集、构建易损性隶属度函数,并逐层进行模糊综合分析,最终应用加权平均法得到综合评判结果。算例表明,厂房几何中心综合易损性表征指标高于几何边角综合易损性表征指标,但子项钢结构的易损性表征指标较后者略低,算例结果可作为单层钢结构厂房防护的参考,两级表征指标体系可作为单层钢结构厂房易损性评估的参考。     

火灾后平面及空间混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

对1个平面和1个空间钢筋混凝土梁柱节点在ISO834标准升温曲线作用下的抗火性能进行了试验,然后对4个构件(上述2个火灾后试件,2个常温对比试件)进行了低周往复荷载下的试验。研究了平面和空间节点火灾后的残余抗震性能,分析了节点的裂缝发展、破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性系数、刚度退化和耗能能力等。结果表明,除火灾后的平面节点发生核心区破坏外,其余节点均为梁端弯曲破坏。经历火灾后,试件的承载力、延性系数以及耗能能力降低,变形增大。火灾后混凝土的损伤削弱了现浇楼板和直交次梁对空间节点承载力的贡献,因此空间节点火灾前后性能变化更加显著。     

圆锥（台）形人造山体地基竖向附加应力及沉降

采用布辛涅斯克解,给出了圆锥形和圆台形荷载作用下地基中心竖向附加应力计算公式,发现竖向附加应力随深度衰减要远大于其他类型荷载下的结果;采用弹性有限元法,给出了圆锥形荷载作用下地基中任意位置的竖向附加应力系数图,解决了圆锥和圆台荷载下任意位置竖向附加应力以及地表沉降的计算问题。工程案例验证了采用该方法给出轴对称附加应力解的必要性;并通过一个算例分析了两个圆锥形山体作用下地基的竖向附加应力和地表沉降的相互影响规律。     

无碰撞磁场重联中的磁岛（英文）

在以下两个方面回顾了磁岛在无碰撞磁场重联中的作用:磁能到等离子体动能和热能的快速转化以及高能量电子的产生.重联的X点附近的电流片可能被拉伸并导致撕裂模不稳定性,并形成相互作用的次级磁岛.这种非稳态的磁场重联图像可以维持长时间的高重联率,进而有效地耗散磁能.电子可在磁岛内通过费米和betatron机制加速,也可在X点附近通过重联电场加速.磁岛间的相互作用可进一步加速电子.这些加速过程可导致高能量电子的幂律谱分布.     

混合配筋预应力混凝土密肋楼盖三维有限元数值模拟

采用有限元软件ANSYS,模拟了均布荷载作用下,周边简支混合配筋预应力混凝土密肋楼盖从开始加载到破坏的全过程,得到了极限荷载,荷载一挠度曲线和裂缝分布情况.分析表明,计算结算与试验结果吻合较好,从而验证了对混合配筋预应力混凝土密肋楼盖进行非线性有限元数值模拟中,应用实体单元SOLID65和等效荷载法的合理性.     

风浪荷载共同作用下的海洋桩基动力响应

为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.