柱塞泵多目标优化设计及CFD仿真分析

液压泵噪声是液压系统的主要噪声源,针对轴向柱塞泵的流致振动噪声,提出一种改善泵配流特性的设计方案。首先,根据柱塞泵的工作原理对柱塞腔压力特性和泵出口流量特性准确建模并求解。通过分析压力冲击和流量脉动对错配角(φ0)的响应,得φ0=4°为佳。利用一种多目标遗传算法(NSGA-II),以减小压力超调量和流量脉动率为目标,对三角槽结构进行了优化;并获得该多目标优化问题的Pareto最优解集,通过对最优解集的分析知,深度角θ1=16°且宽度角θ2=85°时较为理想。最后,为了验证模型的正确性,建立流体域计算流体动力学(CFD)模型,对比两种模型计算结果发现吻合较好,能够相互验证。利用CFD分析结果可视化的特点,从柱塞泵流场的角度,进一步分析了泵压力冲击以及流量脉动产生的原因。     

各向异性导热率对前缘结构热防护性能的影响

高超声速飞行器在高马赫数飞行时,前缘结构要经历严酷的气动加热。炭/炭复合材料是用于前缘结构的理想材料,由于炭/炭复合材料具有各向异性和高导热率,因此本文研究了材料热导率和各向异性结构,以及涂层的热导率对驻点温度的影响。数值模拟的结果表明,基体材料沿热传导方向的热导率对驻点温度有显著的影响,其它方向的热导率对驻点温度影响不大。在基体材料热导率较低的情况下,涂层对驻点温度的影响明显,当基体材料的热导率较高时,涂层对驻点温度的影响较小。     

基于组合导航的超深矿井提升容器状态监测系统

针对浅矿井提升容器仅有速度和位置监测,无姿态、冲击和纵横振动等监测,不满足超深矿井在超深、高速、重载工况下的安全监测需求的问题,设计了一种捷联惯性导航系统(SINS)/旋转编码器/接近开关组合导航式提升容器状态监测系统。通过IMU(惯性测量单元)测量容器加速度和角速度,由SINS解算出容器的速度、位置、姿态和纵横振动等参数,利用信息融合反馈校正SINS,提高监测精度。完成了系统软件设计和硬件搭建,并进行模拟实验,结果表明:系统竖直位置、横移竖直位置和姿态的测量精度分别为30 mm、5 mm和0.4°,竖直位置精度不受提升钢丝绳影响,解决了井筒内GPS和地磁无法使用问题,是一种超深井提升容器状态监测的可行方案。     

四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统

为了便于对四旋翼无人机控制算法进行实验仿真和验证,联合Solidworks和Matlab/SimMechanics工具箱设计了一种四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统;利用Solidworks搭建了四旋翼无人机三维实体模型,并通过Solidworks和Matlab转换接口将该实体模型导入到Matlab/SimMechanics中;Matlab/SimMechanics提供了了三维可视化窗口,可以显示无人机的实时仿真状态;仿真平台在Matlab/SimMechanics环境中实现,与Matlab/Simulink通信方便,可方便的将Simulink设计好的控制算法添加到仿真系统中,以进行验证和参数整定,还具有姿态分析和数据分析等功能;轨迹跟踪仿真结果表明,四旋翼无人机可视化轨迹跟踪仿真系统直观可视,准确可靠,能较好地对控制算法进行研究和测试,对四旋翼无人机以及控制算法的研究和开发具有重要价值。     

采矿混响环境下超声波探测信号设计

针对深海采矿环境中混响干扰对水下微地形探测的影响,设计了一种可以抑制水下混响并提高探测精度的超声波发射信号。通过分析探测目标的接收信号模型,根据Neyman-Pearson准则得到目标回波探测模型的检测性能评价指标。基于高斯点目标最优检测理论,提出采矿混响环境下发射波形的能量谱设计方法,进而得到混响环境下超声探测信号的幅度谱。保持幅度谱分量恒定,利用信号相位谱与信号长度的关系设计了可以满足不同探测系统和探测环境需要的超声波探测信号。利用设计的超声波探测信号及常用声呐信号在模拟深海采矿环境下进行探测实验,结果表明所设计的超声波探测信号在探测精度及抗混响能力方面均优于常用声呐信号。      

微流控芯片上的颗粒被动聚焦技术

微流控芯片上的颗粒聚焦技术已广泛用于生物、化学、工程和医疗等领域。精确的聚焦过程是计数、检测或分选等应用的关键预处理步骤。颗粒聚焦技术根据是否引入外部能场和鞘流,分为主动聚焦、被动聚焦和鞘流辅助聚焦。被动聚焦利用流体的惯性、黏弹性等特性操控颗粒在流体中的平衡位置,拥有结构简单、高通量、生物兼容、低成本和无标记等多重优点。已有大量文献针对微流控芯片上的颗粒被动聚焦技术,从芯片的结构拓展、微流体特性和微粒特性等方面,开展了实验和数值计算研究。本文对微流控芯片上的颗粒被动聚焦技术最新研究进展进行了综述,首先对流体中颗粒受到的水动力和聚焦相关原则进行阐述,进一步详细综述被动聚焦技术进展,最后对该技术的未来发展作出了展望。     

基于FFT奇异值分解的光谱信号去噪算法

微型光谱仪在采集光谱信号过程中,光谱数据经常受到来自仪器光学系统和电子电路中的干扰出现噪声和光源特征峰,严重干扰了真实光谱信号的图谱特征,因此需要使用合理的预处理方法保留光谱信号中有用信号并尽可能过滤噪声信号同时将光源特征峰滤除,从而提高光谱信息定量分析的稳健性和准确性。并且在线检测系统要求尽可能减少人为参数选择对去噪效果的影响,奇异值分解经常应用于由系统电路引起的噪声去噪,奇异值降噪阶次的选取对提高信号信噪比十分关键,但是往往参数选取主要依赖经验调试和实验验证。因此,提出了一种基于奇异值重构信号分量频率的光谱信号去噪算法。该算法首先重构原始光谱信号单个奇异值分量信号,然后对每个奇异值分量信号作快速傅里叶变换,得到每个奇异值分量信号快速傅里叶变换结果中振幅最大所对应的频率值,最后按照奇异值递减方式对相应分量信号频率值进行一阶滞后差分,得到频率差分谱,研究表明,差分谱第一个谱峰值在大于设定阈值处所对应的奇异值即为奇异值分解降噪的有效阶次。结果表明：对包含多种重金属离子的溶液在线测量的紫外可见光谱信号,添加不同强度的随机噪声,并进行去噪处理,使用信噪比和均方根误差两个性能指标进行对比。所提算法相较于SG滤波算法和小波变换去噪算法信噪比分别提高了22.05%,10.88%,均方根误差分别降低了74.28%,41.29%。所提算法完全基于数据驱动,在处理真实紫外可见光谱信号中不仅抑制了噪声影响,而且将微型光谱仪的光源特征峰有效滤除,在紫外可见光谱信号的定量分析中具有较好的应用前景。     

移动机器人远程人机交互软件平台设计与实现

基于移动机器人代替人去危险场合执行探测和救援任务的应用背景,设计了一个人机交互的软件平台。采用UML对设计过程进行建模,基于组件对系统进行模块化设计;各组件并行运行,通过消息队列与消息响应的机制实现组件之间的并发式通信。软件平台基于LabVIEW的Actor框架实现,核心Actor组件基于状态机设计,协调其它组件之间的通信;设计了一个远程Actor代理,实现与基于ROS的远程机器人的本地控制系统通信,将人的指令传输给机器人并将机器人的传感信息传回给人机界面。实验系统部署在两台计算机上,一台运行基于LabVIEW的人机界面,一台运行基于ROS的P3AT控制仿真系统。实验表明,设计的软件平台各部分能够协同工作,人机交互自然顺畅,满足预期要求。     

柱塞泵多目标优化设计及CFD仿真分析

液压泵噪声是液压系统的主要噪声源,针对轴向柱塞泵的流致振动噪声,提出一种改善泵配流特性的设计方案。首先,根据柱塞泵的工作原理对柱塞腔压力特性和泵出口流量特性准确建模并求解。通过分析压力冲击和流量脉动对错配角（φ₀）的响应,得φ₀=4°为佳。利用一种多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）,以减小压力超调量和流量脉动率为目标,对三角槽结构进行了优化;并获得该多目标优化问题的Pareto最优解集,通过对最优解集的分析知,深度角θ₁=16°且宽度角θ₂=85°时较为理想。最后,为了验证模型的正确性,建立流体域计算流体动力学（CFD）模型,对比两种模型计算结果发现吻合较好,能够相互验证。利用CFD分析结果可视化的特点,从柱塞泵流场的角度,进一步分析了泵压力冲击以及流量脉动产生的原因。     

功能梯度圆柱壳-内声场耦合系统振声预测

针对功能梯度(FGM)圆柱壳与其内声场的振声特性分析需求,采用特征正交-里兹法研究圆柱壳厚度、材料梯度指数、边界支撑刚度、阻抗边界和简谐力位置等因素对振声系统的影响。圆柱壳的位移及内部声压变量通过特征正交多项式与周向傅里叶谐波函数构建,并以声压做功的方式考虑结构与声场之间耦合条件,进而结合里兹法得到耦合系统的振声模态和稳态响应。研究表明,由该模型所得到的数值解与文献及有限元结果具有较好的一致性。对参数的研究发现,壳体厚度、梯度指数、边界刚度、阻抗边界和激励位置等对振声系统的耦合特性均有较为明显影响,这为该类结构的低噪声设计及其内部声场优化提供了有益的参考。