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Bionic Design and Finite Element Analysis of Elbow in Ice Transportation Cooling System 被引量:5
1
作者 Dejun Miao~(1,2), Xiuhua Sui~3, Linjing Xiao~3 1. Key Laboratory of Mine Hazard Prevention and Control (Ministry of Education, China), Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, P. R. China 2. School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, P. R. China 3. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, P. R. China 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2010年第3期301-306,共6页
With the increase in mining depth, mine heat harm has appeared to be more prominent. The mine heat harm could be resolvedor reduced by ice refrigeration. Thus, ice transportation through pipeline becomes a critical pr... With the increase in mining depth, mine heat harm has appeared to be more prominent. The mine heat harm could be resolvedor reduced by ice refrigeration. Thus, ice transportation through pipeline becomes a critical problem; typically flowresistance occurs in the elbow. In the present study, according to the analysis of the surface morphology of fish scale, abiomimetic functional surface structure for the interior wall of elbow is designed. Based on the theory of liquid-solid two phaseflow, a CFD numerical simulation of ice-water mixture flowing through the elbow is carried out using finite element method.Conventional experiments of pressure drop and flow resistance for both bionic and common elbows are conducted to test theeffect of the bionic elbow on flow resistance reduction. It is found that with the increase in the ice mass fraction in the ice-watermixture, the effect of bionic elbow on resistance reduction becomes more obvious. 展开更多
关键词 bionic elbow two phase flow ice transportation flow resistance reduction pressure loss
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针对气动肌肉仿生肘关节抖振现象的Kalman-PID控制 被引量:9
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作者 杨辉 郝丽娜 +1 位作者 陈洋 薛帮灿 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期477-482,共6页
本文为了抑制气动人工肌肉(PAM)抖振现象,首先利用PID控制律近似代替其数学模型,求得其离散状态方程并代入到离散卡尔曼递推公式中,进而提出基于PID控制参数的卡尔曼PID(Kalman-PID,KPID)控制算法.为了验证算法的有效性,以3自由度PAM仿... 本文为了抑制气动人工肌肉(PAM)抖振现象,首先利用PID控制律近似代替其数学模型,求得其离散状态方程并代入到离散卡尔曼递推公式中,进而提出基于PID控制参数的卡尔曼PID(Kalman-PID,KPID)控制算法.为了验证算法的有效性,以3自由度PAM仿生肘关节为控制对象,分别利用PID及KPID控制器对其进行位姿控制.由实验结果可知,该算法相较PID控制器拥有更高的控制精度,提升了系统的鲁棒性,能够有效抑制由系统过程误差及测量误差所引起的PAM抖振现象,从而使仿生肘关节运动更加平稳.此外,不同于传统卡尔曼滤波算法与控制算法相结合的方式,KPID控制算法无需事先知道被控对象精准的数学模型及噪音特性的先验知识,从而避免复杂的数学建模过程,扩大了卡尔曼滤波算法的应用范围. 展开更多
关键词 气动人工肌肉(PAM) PID控制参数 卡尔曼PID(KPID) 仿生肘关节
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PAM仿生肘关节运动学逆解建模及验证 被引量:2
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作者 杨辉 郝丽娜 +2 位作者 项超群 韩辉 马志沣 《液压与气动》 北大核心 2015年第2期12-16,共5页
针对三自由度气动人工肌肉(PAM)仿生肘关节,首先利用伪刚体模型法,建立其运动学逆解数学模型;其次,根据上述模型对机构运动学逆解进行仿真分析;最后,搭建气动肌肉仿生肘关节的仿真系统模型,利用所建运动学逆解模型实现对机构虚拟样机的... 针对三自由度气动人工肌肉(PAM)仿生肘关节,首先利用伪刚体模型法,建立其运动学逆解数学模型;其次,根据上述模型对机构运动学逆解进行仿真分析;最后,搭建气动肌肉仿生肘关节的仿真系统模型,利用所建运动学逆解模型实现对机构虚拟样机的PID控制。由仿真结果可以看出,在设计工作空间内,三根气动肌肉长度变化连续、平稳,说明机构在运动过程中,具有良好的平滑性;且通过调节PID参数,机构前臂圆盘转角轨迹曲线与期望轨迹曲线基本吻合,从而验证了机构运动学逆解模型的准确性。 展开更多
关键词 PAM 仿生肘关节 伪刚体模型 运动学逆解 PID 准确性
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SMA-电机复合驱动仿生肘关节的控制策略与仿真 被引量:5
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作者 罗天洪 郭园 +2 位作者 梁爽 李会兰 李乔易 《重庆交通大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2017年第7期117-122,共6页
针对SMA-电机复合驱动仿生肘关节控制非线性、时变、温度滞后等特点,提出了一种双输入-四输出的模糊控制算法,建立模糊PID自适应控制模型,求解复合驱动仿生肘关节在阶跃响应及理论轨迹下的动作状态,得到了仿生肘关节旋转和俯仰运动的位... 针对SMA-电机复合驱动仿生肘关节控制非线性、时变、温度滞后等特点,提出了一种双输入-四输出的模糊控制算法,建立模糊PID自适应控制模型,求解复合驱动仿生肘关节在阶跃响应及理论轨迹下的动作状态,得到了仿生肘关节旋转和俯仰运动的位姿、角速度跟踪图谱。实验证明:设计的双输入-四输出的模糊PID自适应控制算法具有超调量小、系统鲁棒性高、响应速度快的特点,可以实现SMA-电机复合驱动仿生肘关节的精准位姿控制。 展开更多
关键词 机电工程 复合驱动 仿生肘关节 模糊PID自适应控制
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一种新型变刚度关节结构设计 被引量:1
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作者 房立金 周生啟 王颜 《东北大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第12期1748-1753,共6页
为研制出一种符合人体肘关节参数的变刚度关节结构,使其在实际应用中能更好帮助到人类.以人体肘关节为例提出了一种符合人体关节形态的变刚度关节结构.在关节中采用了弹簧片、行星轮系和曲柄滑块机构.通过两台电机分别驱动太阳轮和外齿... 为研制出一种符合人体肘关节参数的变刚度关节结构,使其在实际应用中能更好帮助到人类.以人体肘关节为例提出了一种符合人体关节形态的变刚度关节结构.在关节中采用了弹簧片、行星轮系和曲柄滑块机构.通过两台电机分别驱动太阳轮和外齿圈,将行星轮的转动转化成滑块的移动,从而改变弹簧片的支撑位置并改变关节的刚度.与其他同类设计相比,所提出的关节在结构和布局方面更符合人体关节的结构形态,可应用于其他关节的设计. 展开更多
关键词 变刚度关节 结构设计 肘关节 仿生机器人 实验分析
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弯管仿生耐磨方法数值模拟 被引量:14
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作者 季楚凌 李长俊 +1 位作者 马树锋 陈磊 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第10期3582-3589,共8页
仿照沙漠蝎子、蜥蜴等体表的耐磨形态,建立仿生形态表面加厚弯管物理模型,并将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合,运用Fluent软件对光滑内壁及横槽、纵槽和凹坑3种仿生内壁弯管的冲蚀磨损情况进行模拟研究,并进一步分析颗粒运动... 仿照沙漠蝎子、蜥蜴等体表的耐磨形态,建立仿生形态表面加厚弯管物理模型,并将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合,运用Fluent软件对光滑内壁及横槽、纵槽和凹坑3种仿生内壁弯管的冲蚀磨损情况进行模拟研究,并进一步分析颗粒运动参数来解释仿生内壁的减磨机理。研究结果表明:在相同条件下,采用仿生表面可以显著提高弯管的耐磨性,且不同表面形态加厚弯管的耐磨性能由大到小依次为横槽形、纵槽形、凹坑形、光滑形;在颗粒运动参数方面,使用仿生表面可以减弱颗粒的冲击动能,并改变颗粒与壁面间的冲蚀磨损角,从而达到减磨的效果,而横槽形内壁弯管的耐磨性最好。 展开更多
关键词 弯管 气固两相流 冲蚀磨损 仿生表面 耐磨性 Fluent软件
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具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析 被引量:11
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作者 郭姿含 张军 +1 位作者 黄金满 李晖 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期90-100,共11页
目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构... 目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法 运用CFD-DPM方法,采用Finnie冲蚀模型,考虑颗粒与流体的双向耦合作用,对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟,并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上,采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果 数值模拟结果表明,具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°~60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性,三角形槽的抗冲蚀特性最佳,提高了约38.33%,矩形槽次之,提高了约28%,等腰梯形槽最差,仅提高了约8.33%,且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化;正交试验结果表明,在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深,最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论 槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞,降低了碰撞速度,从而减小了冲蚀。抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽,矩形槽次之,等腰梯形槽最差。在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。 展开更多
关键词 弯管 CFD-DPM 冲蚀 气固两相流 仿生表面 数值模拟 三角形槽
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仿生弯管的冲蚀磨损分析 被引量:2
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作者 朱鸿翔 《机电工程技术》 2020年第5期43-45,共3页
为研究弯管的抗冲蚀磨损性能,仿照扇贝表面建立不同仿生弯管模型,根据流体动力学和冲蚀磨损原理,借助Fluent流体计算软件对不同模型进行仿真模拟。研究表明:在相同边界条件下,正常弯管的冲蚀面积以及速率最大,仿生弯管的冲蚀面积随着仿... 为研究弯管的抗冲蚀磨损性能,仿照扇贝表面建立不同仿生弯管模型,根据流体动力学和冲蚀磨损原理,借助Fluent流体计算软件对不同模型进行仿真模拟。研究表明:在相同边界条件下,正常弯管的冲蚀面积以及速率最大,仿生弯管的冲蚀面积随着仿生肋条的偏心距离增大而减小,冲蚀速率随着仿生肋条的偏心距离增大而增大。 展开更多
关键词 冲蚀 扇贝 仿生弯管 流体动力学
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气动肌肉驱动的仿生肘关节康复训练器结构设计
9
作者 阎宏伟 刘杰 +3 位作者 白乐乐 吕丰訸 刘春燕 刘思晴 《重庆理工大学学报(自然科学)》 北大核心 2024年第12期85-92,共8页
为设计一种气动肌肉驱动的仿生肘关节康复训练器,参考人体肘关节的工作机理,利用三维建模软件UG开发训练器的结构,提出3种不同的机构形式。采用有限元静力学分析对设计进行结构性能评估,得出了关键零部件的位移变形分布图。采用ADAMS动... 为设计一种气动肌肉驱动的仿生肘关节康复训练器,参考人体肘关节的工作机理,利用三维建模软件UG开发训练器的结构,提出3种不同的机构形式。采用有限元静力学分析对设计进行结构性能评估,得出了关键零部件的位移变形分布图。采用ADAMS动力学分析对设计进行了运动性能评估,得出了机构运动的角速度和角加速度曲线。为确保训练器的运动轨迹符合人体需求,进行了五次多项式轨迹规划,并通过Matlab运动学仿真验证了轨迹的平滑性。利用Inventor软件进行了运动仿真,结果表明该设计能够实现与人体肘关节相似的抬起和拉伸运动。该仿生肘关节康复训练器在运动平滑性方面表现良好,有望提高患者的康复效果。 展开更多
关键词 气动肌肉 康复训练器 结构设计 肘关节 仿生
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钛合金弯管的冲蚀模拟及其仿生优化设计 被引量:1
10
作者 席凯凯 葛鹏 +1 位作者 赵亮 杨一鸣 《有色金属加工》 CAS 2024年第5期38-45,67,共9页
针对冲蚀磨损及腐蚀导致的弯管刺漏、破裂等问题,文章以钛合金弯管为例,通过有限元模拟软件分析了弯曲角度、曲率半径、流体速度、粒径和质量流量对弯管最大冲蚀速率的影响规律。模拟结果表明,弯管易冲蚀磨损的区域主要分布在弯头的内... 针对冲蚀磨损及腐蚀导致的弯管刺漏、破裂等问题,文章以钛合金弯管为例,通过有限元模拟软件分析了弯曲角度、曲率半径、流体速度、粒径和质量流量对弯管最大冲蚀速率的影响规律。模拟结果表明,弯管易冲蚀磨损的区域主要分布在弯头的内壁面外侧区域,且随着弯曲角度的增加,易冲蚀区域的位置逐渐向出口靠近;最大冲蚀速率整体随曲率半径的增大而减小;最大冲蚀速率的变化对低速流体的流速更敏感;粒径对最大冲蚀速率的影响是由砂粒质量和砂粒数量两者共同决定的,且粒径的变化不会改变易冲蚀区域的位置;最大冲蚀速率随质量流量的增大而增大,最终趋于平缓。最后从仿生学角度出发,以自然界的沙漠红柳树皮为仿生原型,对易冲蚀磨损部位进行结构优化,以期延长钛合金弯管的使用寿命。 展开更多
关键词 钛合金弯管 腐蚀 磨损 最大冲蚀速率 仿生
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龙虾节肢仿生的双板滑雪服衣袖肘部结构优化设计
11
作者 凃婧雯 钟安华 《服饰导刊》 2022年第5期8-14,共7页
[研究意义]随着滑雪运动愈加普及,滑雪服市场也愈加扩大,滑雪服能否满足运动需求是滑雪者选择滑雪服的重要影响因素之一,文章旨在探索一种新的结构设计方法,使滑雪服衣袖肘部结构充分满足运动松量需求,[研究方法]文章从仿生设计角度出发... [研究意义]随着滑雪运动愈加普及,滑雪服市场也愈加扩大,滑雪服能否满足运动需求是滑雪者选择滑雪服的重要影响因素之一,文章旨在探索一种新的结构设计方法,使滑雪服衣袖肘部结构充分满足运动松量需求,[研究方法]文章从仿生设计角度出发,通过查阅文献、对比分析、数值分析、三维模拟等方法,将节肢动物龙虾的外骨骼结构特征与双板滑雪服衣袖肘部结构相结合,进行创新设计。[研究结果与结论]研究认为:①滑雪过程中人体肘关节屈曲至90°前后的变化率与龙虾运动时其背部的弯曲变化率差别不大,在5%左右,总体来看肘关节拉伸变形趋势与龙虾背部运动弯曲变化趋势大体相符。②滑雪服衣袖肘部需优化设计的范围为13.8cm,肘线以上分配6.8cm、以下分配7cm,此范围共分为3个小节、4个插片,小节设置为中间长3cm、两侧长2cm的不规则长方形,插片设置为短轴长1.2cm、两头尖的纺锤形。③优化设计后的滑雪服衣袖肘部在手臂伸直状态下无过多面料堆积和凸起,在肘关节屈曲至120°时,肘部仍剩余部分松量,能够极大满足双板滑雪时手臂运动需求。 展开更多
关键词 双板滑雪服 肘关节屈伸 仿生设计 节肢动物 三维建模
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3D打印半肘关节型全肱骨假体的设计及功能评估
12
作者 晏亮 董森 +6 位作者 梁海杰 汤小东 燕太强 臧杰 杜志业 郭卫 杨毅 《肿瘤研究与临床》 CAS 2022年第5期346-351,共6页
目的探讨新型3D打印半肘关节仿生型全肱骨假体的设计、手术要点及短期随访结局。方法回顾性分析2018年3月至2020年3月北京大学人民医院行全肱骨切除、3D打印辅助半肘关节型全肱骨假体置换术的8例肱骨恶性肿瘤患者的临床资料。分析其手... 目的探讨新型3D打印半肘关节仿生型全肱骨假体的设计、手术要点及短期随访结局。方法回顾性分析2018年3月至2020年3月北京大学人民医院行全肱骨切除、3D打印辅助半肘关节型全肱骨假体置换术的8例肱骨恶性肿瘤患者的临床资料。分析其手术情况、肿瘤学预后、假体并发症及功能状态。8例患者中,男性3例,女性5例,年龄5~37岁;骨肉瘤5例,尤文肉瘤2例,软骨肉瘤1例。结果假体生产周期为(9.8±2.7)d,手术时间为(209±23)min,术中出血量为(569±173)ml。术中假体植入顺利,无术中并发症。术后并发症包括1例桡神经麻痹和1例局部复发(行截肢术)。使用LARS人工韧带或疝补片重建肩关节和肘关节周围关节囊及肌腱韧带附着。术后屈肘活动度为(118±15)°(100~140°),伸肘受限度为(11±9)°(0~25°),肩关节外展(28±12)°(15~50°),肩关节前屈(26±9)°(15~40°)。术后美国肌肉骨骼肿瘤学会(MSTS)-93量表功能评分为(24.1±1.5)分。中位随访时间17个月(12~32个月),7例患者无病生存,1例带瘤生存。结论新型3D打印半肘关节型全肱骨假体具有良好的围术期安全性,可有效恢复肘关节功能,解决了全肘关节型假体尺骨髓内柄应力集中的问题,降低了假体的远期磨损率和松动率。 展开更多
关键词 骨肿瘤 3D打印 全肱骨 肘关节 仿生半关节
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