四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.      

接触力优化设计的熵正则化方法

包含单侧接触的机械和结构系统中,接触面间的局部接触力很大时,容易导致结构局部磨损和破坏。利用结构优化的手段极小化接触面上的最大接触力是调整接触面上接触力分布的一个有效途径。然而在数学上,目标函数的不可微和约束中的接触条件导致该结构优化问题属于非光滑和非凸优化问题,因而常用优化算法的优化结果是不可靠的。为此,本文提出接触力优化的一个熵正则化模型,并利用基于正则化过程的序列二次结构优化算法求解。所提的方法在数值上避免了处理不可微问题,而且正则化参数的调整还有助于获得更小的局部最优解。以离散结构为例的数值算例验证了本文的模型和算法。     

Inter-contact force analysis of impacted disk assembly by dynamic caustics

The caustic method was utilized to study the contact force transmission in disk assemblies under impact load. The mapping equations were obtained based on the first invariant of the stress components in the disk subject to a normal concentrated force, and a characteristic dimension of the maximum size in the caustic curve was proposed to evaluate the contact force between the disks. Transient patterns of the caustic shadows were recorded by means of a high-speed camera of off-focus imaging, then the histories of the inter-contact forces among the disks were obtained with respect to the conditions of different masses and heights of the falling hammers. The influence of the impact loading and impulsive velocity was analyzed with respect to the force responses of the disk assembly, the double-peak phenomenon with comparison to the initial masses, and the energy dissipation of the systems under impact of different momentums. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10125211)     

电梯轮轨耦合高频振动计算模型研究

电梯导轮和导轨相互作用产生的高频振动是电梯噪音的主要来源之一，本文基于导轨、导轮和电梯框架等各柔性构件的频响函数，建立了耦合振动系统的频域计算模型。分析了导轨表面粗糙度、导轮偏心和扁疤等激励对电梯高频振动的影响。通过与实测数据进行比较．验证了计算模型的有效性．从而为电梯的减振降噪设计提供了有用的分析工具。     

自然环境条件下轮轨接触黏着特性研究进展

轮轨黏着是铁路运输中的关键基础性科学问题之一,而轮轨接触界面良好的黏着状态是列车安全和高品质运行的根本保障. 轮轨系统作为1个开放的系统,受到各种自然环境因素的影响,如湿度、温度、水、风沙甚至铁氧化物,而所有的这些环境因素都会影响轮轨接触界面的黏着状态和损伤行为. 本文中综述了水、湿度、温度和风沙等自然环境因素对轮轨黏着特性影响规律的研究进展,分析了自然环境因素下轮轨界面铁氧化物特征,重点探讨了自然环境因素对铁氧化物形成的影响及其对轮轨接触黏着特性的影响规律和作用机理,并提出了轮轨黏着的未来研究方向.      

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

磁悬浮列车的发展及其应用中的几点想法

 磁悬浮列车的概念最早是由美国提出来的,后来,德国、法国、日本等国相继效仿,都进行了开发与试验。磁悬浮列车是一种与传统方式完全不同的崭新列车。它不是用普通机车牵引,而是靠通过磁场推动。它不接触导轨,而是靠一种看不见的“磁垫”使这“悬浮”在导轨上。研制磁悬浮列车要解决许多问题。首先是悬浮、前进问题。对于列车的车身和轨道也有较高的要求。一、磁悬浮列车原理悬浮作用只在列车行驶时才有。行驶时磁铁产生的磁力线切割地面上的短线圈,使线圈产生感应电流,这一电流引起的磁场,极性正好与车体上磁体的极性相同。     

硬质沙粒对TC4钛合金冲击磨损的损伤行为的研究

在新型冲击磨损试验机上,以TC4钛合金作为研究对象开展了在硬质沙粒条件下的冲击试验.考察了沙粒粒径(120~380μm)、冲击次数对TC4钛合金冲击磨损行为的影响.研究结果表明:粒径能显著影响TC4钛合金的冲击磨损行为.在冲击过程中硬质沙粒会不断切削、挤压试样表面,造成较大的材料损失.随着沙粒粒径的增加,磨损面积增加,冲击力峰值、磨损深度和界面的能量吸收率都呈现先增加后减小的趋势.随着冲击次数的增加,冲击力峰值和界面能量吸收率增加,磨损加剧.硬质沙粒冲击作用下TC4钛合金的磨损机制主要表现为沙粒棱角对试样表面的微观切削和挤压剥落.     

非圆化磨耗激励下高速列车转向架区域噪声边频带产生机理及影响

该文通过对车辆噪声和车轮非圆化磨耗开展跟踪测试和分析,发现存在车轮非圆化磨耗的列车在运行过程中,其转向架区域噪声窄带频谱上会出现了以非圆化磨耗激励频率为中心,以过轨枕频率为间隔等间距分布的噪声峰值(即噪声边频带).这使得车轮非圆化磨耗不仅会影响其激励频率处的列车轨道结构的振动和噪声,还会对其他频段的噪声产生重要影响.为...     

基于热传导原理电枢平均磨损率计算

在假设导轨为半无限长固体导体及电枢表面磨损主要是熔化磨损条件下,基于固体接触面导热原理,推导出电枢和导轨温度分布方程,提出了电枢平均磨损率计算方法。利用此方法分析了驱动电流、电枢和导轨材料匹配和接触面积参数对电枢平均磨损率影响。将平均磨损率计算结果与Stefani和Parker的实验结果进行对比,二者吻合较好,从而为建立电磁轨道炮磨损率与转捩之间的关系提供理论支持。