工程硕士专业论文精选十篇

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2018-10-19 论文字数:38594字
论文编号: sb2018100621250923422 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇工程硕士论文,工程硕士(全日制)侧重于学术理论与实践;工学硕士侧重于学术理论与应用;工程硕士(非全日制)侧重于学术实践。
本文是一篇工程硕士论文,工程硕士(全日制)侧重于学术理论与实践;工学硕士侧重于学术理论与应用;工程硕士(非全日制)侧重于学术实践。工程硕士(全日制)与工学硕士属于统一教育体系,只是类型不同,而工程硕士(非全日制)属于不同教育体系。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇工程硕士论文,供大家参考。
 

专业工程硕士论文精选篇一

 
第 1 章 绪   论
 
1.1 课题来源及研究背景和意义
本课题是校企合作项目,企业是深圳某一高新技术公司,项目的名称是“插入式差压流量计的研究”。 流量是现实生活中常见的被测量对象,流量的测量大多采用专用的商业化流量计,测量单位一般为立方米每小时、升每分钟。流量计的种类众多,它主要的分类方法主要有以下几种。根据流量计工作原理的不同,主要有热式、差压式、超声波式、电磁式、涡轮、涡街流量计等;根据流量计的安装方式的不同,分为管道式、插入式、粘附式流量计等;根据被测流体介质状态的不同,可以分为气体、液体流量计等[1-3]。流量是工业应用中重要计量单位,流量计在工业测量领域应用很广,在能源传输、流体检测、电力工程等各个领域占有重要的位置。特别是资源危机、人口膨胀的我国,在国家号召节能环保的大环境下,需要精度更高的流量计来满足测量要求[4,5]。 差压式流量计作为传统流量计应用较多的一种,其发展历史比较悠久,相关的研究理论也比较成熟[6-8]。压差检测装置和压差发生装置是构成差压式流量计的最重要部分。差压流量计作为检测流体平均速度的装置,工作原理是流体介质流经节流装置时产生的压力差与流速之间存在一定关系来进行测定流量的。差压式流量计广泛应用于流量检测、能源传输等领域。 差压式流量计具有结构简单、使用寿命长、成本较低、不易受流体介质影响等优势,缺点是大部分的标准节流装置结构复杂,且尺寸较大,对安装定位的要求很高[9,10]。市场上差压式流量计大都是管道式的差压流量计,管道式差压流量计安装比较复杂,限制了管道式差压式流量计的推广。为了克服管道式流量计的以上弊端,同样根据传统差压流量计工作原理,均速管流量计在流量计市场上得到越来越多的应用,管道式均速管流量计结构图见图 1-1,插入式均速管流量计见图 1-2。均速管流量计有效的克服了传统压差发生装置的体积限制,可以方便的进行安装。但是均速管流量计往往对测试管道的的尺寸有特定要求,同一规格的流量计只适用于同一规格的管径,通用性差。本文目的是设计一种新型插入式差压流量计,增强均速管流量计的通用性。 
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1.2 均速管流量计的特性
作为历史发展较短的的差压流量计一种,均速管流量计近年来越加受到市场的关注,更多的企业开始使用均速管流量计。均速管流量计与传统式差压流量计 相比,均速管流量计的优势如下[11,12]: (1)结构组成简单,安装便捷,维护成本低。 (2)阻塞比小,永久性压损小,从而有效的节约了能源。传统的差压流量计如孔板式流量计的压力损失大,最大达到了压差的 80%,而均速管流量计压力损失最少可以达到压差的 2%,最多为压差的 15%,这样就降低了运行成本,它的每年的运行费用只有孔板的 2%~3%,所以均速管流量计应用在能源传输领域中,可以大大地节省运营成本。 (3)适用管径范围大。随着现在能源行业管道的增大,在大管径运输的条件下,传统的差压流量计失去了成本优势,均速管流量计的测量管径范围最大可以达到 9 m,最小可以达到 25 mm,管径越大,测量结果越精确。均速管流量计可以测量的流体介质种类多。 (4)性能稳定,安装方便。由于组成均速管流量计的所有部件都有固定的位置,减小了部件移动对流体测量的影响,稳定性能好。市场常见的均速管流量计的精度在 1%左右,稳定性每年波动约 1%。 正是由于均速管流量计的以上优势,使得均速管流量计可以在上百种流量计中市场排名在 10 位左右,在管径大于 400 mm 的情况下,更是成为众多流量测量的首选。但是由于均速管本身的结构和工作原理,使得均速管流量计也有一些弊端限制了流量测量的精度和使用,主要有以下特点[13,14]。 
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第 2 章 差压流量计数学模型的建立及仿真研究
 
本章首先对传统的均速管流量计的工作原理进行了研究,并且根据传统的均速管流量计流量的计算公式,探讨了拟设计的半管插入式差压流量计的流量计算方法。利用流体仿真软件验证了圆形截面探测杆作为均速管流量计压差产生元件的工作原理。对常见的均速管流量计截面形状为圆形和子弹头型进行数值仿真,得出了探测杆前后两端压差的大小,并且对不同速度下的仪表系数、平均仪表系数、线性度误差进行了计算。利用分析法和数值仿真法设计了新型的压差发生装置的截面,与圆形截面和子弹头型截面的仿真结果进行对比,得到了新型截面的探测头可以产生更高的压差值,仪表系数的线性度误差更小,并且设计了差压流量计的探测头结构。 
 
2.1 均速管流量计的工作原理的研究
均速管流量计结构组成图见图 2-1。其主要的传感元件是插入管道中的探测杆,作为最主要的探测部分,很大程度上决定了流量计的测试精度。传统的均速管差压流量计的迎流面开有成对的取压孔,迎流面所测得压力是总压,一般背流面的取压孔位置设在管道的轴线中心处,测试得出的压力值是流体的静压值。均速管流量计就是利用迎流面与背流面分别测得的全压与静压的关系来测试管道流速的,进而得到管道的气体流量。
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2.2 CFD软件与流体运动控制方程
随着计算机软硬件性能的提高和对流体力学理论研究的深入,越来越多的流体仿真软件即 CFD 软件得到了越来越广泛的使用。CFD 软件可以对实际的流体建模并进行数值仿真,实践证明了 CFD 软件可以很好的模拟流体的实际运动状况,加快了研发周期[35,36]。本文首先使用 CFD 软件对管道内流体绕流均速管流量计的截面的模型进行数值仿真,目的是研发一种新型的差压流量计的截面形状,并对新型的探测截面进行试验研究。Gambit 是当今应用较多的 CFD 前处理软件,它具有结构清晰,功能强大,简便易学等优点。Gambit 具有很强的建立模型的能力,可以建立点、线、面、体的结构,包括二维模型和三维模型,Gambit 软件也支持大部分的 CAD 建模软件的模型的导入。它可以对导入的 CAD 模型进行自动修复,减小了因模型导入而发生的微小变形,不会影响导入模型的精度。Gambit 前处理软件可以自动的生成多种形式的网格,它具有多种高效率的网格划分算法,可以获得质量很高的网格。Gambit 软件可以生成兼容性很强的网格文件,可以轻松的导入不同的 CFD软件中进行数值计算。Fluent 软件是应用最多的商用流体仿真软件,模拟真实的流场可以有效节约物质与时间成本,计算结果精度高、速度快,与真实流场的吻合度高,所以被广泛用于能源传输、航空航天、交通制造等领域。Fluent 软件包含的湍流模型种类众多,有 k-ε 模型、k-ω 模型等,同时支持用户使用自己设计的湍流模型。该软件可以支持多种性质的流体介质,流体介质可以是粘性或者非粘性,压缩或者非压缩性质。
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第 3 章  差压流量计的结构设计 .......... 18 
3.1  流量计的传感器选型 ......... 19 
3.1.1  压差信号采集与校准 .......... 19 
3.1.2  气压传感器和温度传感器 .......... 25 
3.1.3  三通电磁阀 .......... 26 
3.2  差压流量计关键部件的焊接工艺 ..... 27 
3.2.1  导气管与探测头焊接的工艺 ...... 27 
3.2.2  激光焊接 ...... 28 
3.3  差压流量计关键部件密封设计 ......... 28
3.4  本章小结 ..... 30 
第 4 章  差压流量计的硬件电路设计与软件设计 ...... 31 
4.1  硬件电路设计 ..... 31
4.2  差压流量机的软件设计 ..... 35 
4.2.1  主程序设计 .......... 35 
4.2.2  数据采集模块设计 ...... 37 
4.2.3  流量计算模块的设计 .......... 37 
4.3  本章小结 ..... 38 
第 5 章 差压流量计的测试平台与测量 ...... 39 
5.1  测试平台的组成 ......... 39 
5.2  样机的性能指标测试 ......... 40 
5.3  差压流量计误差分析 ......... 47 
5.4  本章小结 ..... 48 
 
第 5 章 差压流量计的测试平台与测量
 
完成了新型差压流量计的整体结构设计、硬件电路的设计和软件设计之后,制造差压流量计的各个零件并装配样机,为了得到新型差压流量计的性能指标,还要对完成的差压流量计样机在测试系统上进行管道测试,测试差压流量计的各个性能指标是否满足性能指标要求,然后对测试结果进行数据分析,进而对插入式差压流量计进行改进。
 
5.1 测试平台的组成
差压流量计的测试校准可以由专业的计量院进行检测,由于合作单位具有多年的流量计研发经验,本测试的实验平台是公司已有的流量计校验系统,该校验系统的简易结构图见图 5-1,实际的校验系统组成图见图 5-2。测试平台主要包括以下几个主要部分:空气压缩机部分,它的作用是产生一定压力的压缩空气,用于流量计的校验;电机部分,产生具有一定流速的的压缩空气;储气罐,用于储存一定的稳压压缩空气,气体压力的稳定对于流量校验具有重大意义;标准表,该校验系统采用的标准表是高精度等级的涡轮流量计,用于对管道内的压缩空气进行流量测量,为被测流量计提供精确参照;校验系统还包括了压力变送器和温度传感器件,用于对校验系统压力和温度的监控;校验系统还包括空气过滤器,总气路和分支管道的电磁阀,温度调节器等装置;校验系统有工控机作为主要的控制系统,用于检测管道内气压、温度等参数,控制各种管道阀门的开关,管道内流体的流速大小等。 
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结   论
 
传统的均速管流量计对被测试气体管道管径有严格的要求,即统一规格的均速管流量计只能用于测量特定管径的管道。为了提高均速管流量计的通用性,由传统的全管式探测杆、多对取压孔改为半管式、一对取压孔的结构,同时设计了新型的探测头截面形状,使得探测头的测量结果更加稳定。并对设计出的样机在流量测试平台上进行管道测试,得到流量计主要的性能指标。主要的研究工作和结论如下:
(1)利用 CFD 软件对常见的均速管探测头的截面形状进行绕流分析,与设计的新型探测头截面形状进行对比,确定了设计的探测头可以得到更好的性能。
(2)完成了插入式差压流量计的整体结构设计和主要的装配工艺设计。整体结构设计主要有流量检测涉及的传感器的选型,包括差压、气体绝压、温度传感器等。选用合理的装配工艺,使得流量计可以工作在高温高压的工作环境中。
(3)完成了对插入式差压流量计的硬件电路设计和软件部分的设计。硬件部分主要有信号采集、数据处理、电源转换、SDI 通信等模块。同时对差压流量计软件部分进行了框架设计。
(4)完成了插入式差压流量计的测试。对差压流量计进行了双向测量,对实验数据进行记录,计算出了流量计的流量测试误差、仪表系数、线性度、重复度等性能指标。对影响流量计精度的因素进行了详细的分析,以减小影响因素对测试结果的影响。 
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇二

 
第 1 章   绪论
 
1.1   研究背景及意义
轴流风机作为工业生产和日常生活中的流体(旋转)机械,在国民经济中起到关键的作用,并应用到各种场所和行业,如轨道交通、家用电器、汽车行业、公路隧道和各类电子设备的散热等[1-5]。目前,我国各类风机的使用总数达到 2100 万台,其中在矿业资源开发上风机用电量占采矿用电的 30%,钢铁工业的风机用电量占生产用电的 20%,交通运输业中汽车发动机冷却风扇的消耗功率占发动机输出功率的 5%~12%[6]。随着我国经济的高速发展和经济规模的扩大,能源的需求日剧增加,能源的供需矛盾日益突出,轴流风机的功耗基数大,开展其节能降耗的研究成为广大科研工作者需要解决的难题。 在工业化和现代化的今天,噪声已经成为影响人们正常学习、生活和工作的重要污染,人们长时间暴露在噪声污染的环境中,不仅影响身心健康,而且会诱导各种疾病的产生。低压轴流风机目前普遍存在工作效率低、噪声值较高等问题。目前,越来越多的科研工作者开始研究如何提高风机的工作效率和降低其噪声[7-10]。轴流风扇的噪声主要可归结一下几大类:气动噪声、气固耦合噪声、机械结构振动噪声、电机噪声,其中气动噪声占主要部分,相对而言难以有效的控制[11]。降低风扇噪声的主要途径有两种:一是控制噪声源来降低噪声,利用流体力学和空气动力学原理对风扇的主要工作部件进行有效设计,控制边界层以及内部涡流的复杂结构,进而降低噪声。二是控制噪声传播路径降低,采用吸声、隔声、消声、阻尼减振等传统控制技术。相比较而言,前者技术难度较大,目前尚未有成熟的有效的方法;后者只能在一定程度上降低噪声,并未从根本上降低风扇的噪声问题,降噪效果不显著。 仿生学在许多科学研究和技术工程领域都取得了巨大的成就。随着现代科学技术的发展和工程实际的需要,在众多的工程技术领域也相应地开展了对口的技术仿生研究[12]。因此,在轴流风扇的设计和优化过程中,运用仿生学原理,寻找新技术、新思路来提高其气动性能、工作效率,降低气动噪声,对于节能减排和可持续发展具有重要意义。 
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1.2   轴流风机研究现状
弯掠叶片定义来源于对航空机翼的研究。叶片在周向顺时针旋转方向倾斜称为“前弯”,逆时针方向旋转倾斜为“后弯”;叶片在轴向逆来流方向倾斜称为“前掠”,顺来流方向称为“后掠”,如图 1.1 所示[13]。弯掠叶片与气流相互作用时,不仅存在轴向和周向力,还存在径向力。近年来,弯掠叶片在轴流风机叶片上的优良性能已被广大研究者 所证实。叶片弯掠设计不仅可以有效的控制流动损失、提高气动效率、降低气动噪声,而且还能在一定程度上提高风机稳定工作区域[14-18]。 上海交通大学李杨[19]对低压轴流风机周向弯曲叶内的流动特征进行了详细的实验和数值模拟研究,通过遗传算法和人工神经网络结合的优化设计方法,对 T35 型低压轴流风扇叶片进行了优化设计,如图 1.2 所示;研究发现,周向前弯 6.1°优化叶轮与原型叶轮相比在气动和声学性能上都有明显的提高,全压系数提高了 3.56%,A 级声压级降低了 6dB,稳定工作区增加了 36.4%。 T.Wrigh 和 W.E.Simmons[20]对低压轴流风机研究发现,气动和声学实验表明前弯、前掠叶片提高了风扇的体积流率和全压;相比原型风扇,平均声压值降低了 7dB。如图1.3 所示,法国学者 Hurault[21]等通过实验和数值模拟相结合的方法分析发现,前掠叶片能减小速度在径向上的分量,相反,后掠叶片却增加速度在径向上的分量;弯掠叶片对叶片下游的湍动能有重要的影响。 
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第 2 章   轴流风机叶片仿生设计
 
2.1   风机叶片仿生设计学术思想 
大自然界中,生物经过亿万年的进化,形成了具有与环境相适应的躯体特征。对鱼类而言,其附加器官鱼鳍必然与其主流流场相适应的。鱼在游动的过程中,通过肌肉对鱼鳍的摆动进行主动控制,鱼鳍在长期的被动环境中,久而久之必然进化成和鱼体周围流场相适应的优良构形以减小鱼鳍在流动过程中所受到的阻力。国内外研究者关注了鱼鳍的水动力学性能,通过应用流场可视化技术分析鱼鳍的摆动产生的尾涡结构[89-91]。如图 2.1 所示,对大部分鱼类而言,鱼鳍都是由刚性骨质鳍条和柔性皮肤连接而成,这种构形具有非光滑与柔性两种减阻特性的生物耦合系统必然会对周围的流场形成良好的适应性和协调性。 早有研究表明,刚性肋条表面和柔性表面均可以抑制湍流猝发,降低壁面法线方向的速度梯度及湍动能的损耗,降低壁面湍流强度,削弱壁面脉动压力,减小壁面阻力和降低噪声的作用。因此,基于柔性及肋条形貌特征的鱼鳍仿生表面应用于轴流风机叶片的设计,可能会获得更加优良的减阻降噪性能。 
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2.2   仿生风机叶片正交试验方案
试验优化设计是在最优化思想的指导下,通过广义试验进行最优设计的一种优化方法,也是应用数学的一个新兴分支[92]。它从不同的优良性出发,合理的设计试验方案,有效控制试验干扰,科学处理试验数据,全面进行优化分析,直接实现优化目标,已经成了现代优化技术的一个重要方面。 正交试验设计是研究多因素、多水平的一种设计方法。正交试验是根据正交性从全面试验中挑选出部分能反应全部试验特性的点进行试验,这些点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点。正交试验设计的基本程序是设计试验方案和处理试验结果。主要步骤为[92]:明确实验目的、确定试验指标、确定需要考察的因素及水平、选用合适的正交表、表头设计。 本试验的目的是为了探究叶片压力面的刚柔相间结构对风机气动和声学性能的影响,并获得在设计试验空间内的最优解。参考本实验室前期对轴流风机的研究,并综合考虑可行性和工程技术等因素,刚柔相间结构主要从肋条形态结构、肋条的高度、肋条的间距三个因素进行试验研究,同时每个因素选取三个水平。试验因素水平表见表 2.1: 
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第 3 章  仿生风机叶片气动性能试验 .... 21 
3.1  风机及其分类 ..... 21 
3.2  轴流风机主要气动参数 ......... 22 
3.3  气动性能试验 ...... 25
3.4  本章小结 .... 35 
第 4 章  仿生风机叶片气动噪声测试试验 ...... 37 
4.1  气动噪声源 ........ 37 
4.2  轴流风机噪声 ...... 38
4.3 轴流风机噪声的主要物理量 ....... 40 
4.4 轴流风机噪声的评价 ....... 43 
4.5 气动噪声试验 ....... 44
4.6 试验结果分析 ....... 49
4.7 本章小结 .... 61 
第 5 章  仿生风机叶片模型数值模拟 .... 63 
5.1  CFD 前处理 ........ 63 
5.1.1  计算区域及网格划分 ....... 63 
5.1.2  数值模拟方法 ....... 65 
5.1.3  边界条件和求解设置 ....... 66 
5.2  模拟结果分析 ...... 68
5.3  机理分析 .... 71 
5.4  本章小结 .... 72 
 
第 5 章   仿生风机叶片模型数值模拟
 
本章应用 Fluent 软件对仿生风机叶片的气动性能进行数值模拟,风机叶片表面柔性材料对边界层流场结构的影响通过数值模拟的手段准确模拟存在较大的难度。本文模拟是将柔性表面简化成刚性表面,重点考察壁面结构对于风机内流场的影响机制。
 
5.1   CFD 前处理 
风机的具体尺寸参数见第 2 章,风机数值模拟风洞模型如图 5.1 所示,整个风洞模型分为四个区域,分别为:入口段、叶片转动、叶顶间隙流动和出口段区域。为了简化模型和提高网格划分的质量,忽略风机支架对流场的影响。 网格的划分和选择是数值分析的关键环节,同时也是保证获得理想结果的关键因素之一。构建合理、适合模型要求和相对简单的网格不仅能有效的提高工作效率,同时能加快计算的收敛。 为了保证网格对仿生风机叶片模型表面肋条结构的适应性,采用非结构四面体网格对计算区域进行离散。风机叶片表面进行局部加密,以保证可以更好的捕捉风机内部的流动情况和叶片表面的流场分布。网格划分采用 Hypermesh 软件,相比其他网格划分软件,Hypermesh 软件对 CAD 模型有良好的适应性、对几何模型的前处理功能比较强大、导入复杂的几何模型不容易失真。 网格的疏密在一定程度上决定了求解结果的准确性,因此在求解之前,要对计算域进行网格无关性分析。对于图 5.1 的计算模型来说,模拟结果的主要影响区域为叶轮段网格的疏密。如图 5.2 所示,本次模拟采用的是原型风机在 2320rpm 转速下不同网格数和流量对应关系图,随着网格数量的增加,风机出口流量达到一定值之后趋于稳定,且同试验结果较为吻合,可以作为本次分析的网格划分依据。 
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结论
 
(1)分析了基于鱼鳍形态及材料特性的刚柔相间结构表面用于风机叶片流场的可行性;采用高精度的 3D 打印技术,制备了风机叶片刚性表面模型,并保证了表面肋条结构不失真和较低的粗糙度。选用 EVA单面海绵泡沫单面胶带,粘贴于两肋条表面间,完成了试验样件制备。 
(2)采用 LW-9015-250 全自动风量及压力测量试验风洞对仿生叶片风机模型进行了气动性能测试,获得了流量-静压曲线、流量-功率曲线、流量-静压效率曲线。对比分析可知,仿生风机的最大静压和最大流量略有降低,但其功率消耗均明显低于原型风机,降幅约在 2%~4%;在工作电压为 7.5V 和 9.5V,同原型风机相比,大部分仿生叶片风机模型的最大静压效率得到了明显提高,其中电压为 7.5V 时,1、2 号仿生风机最大静压效率提高了 10.1%和 6.9%;电压为 9.5V 时,2、6、8、9 号仿生风机最大静压效率分别提高了 4.2%、3.4%、6.2%和 3.0%。 
(3)采用北京声望公司提供的声学测试仪器对仿生风机和原型风机在不同工作电压下的 A 记权声压级频谱和总噪声值进行了测试。通过对仿生风机和原型风机的 1/3倍频程频谱图对比分析发现,电压为 5.5V 时,风机的主要噪声为宽频噪声,离散噪声不明显;电压为 8.5V 和 11.5V 时,在低频段出现了几处离散噪声点,仿生风机对宽频噪声和离散噪声均有显著的抑制作用,相比与离散噪声值,仿生风机宽频噪声的 A 声级的降低较为显著;在中高频段,A 声级较原型风机有明显的降低。由此可知,刚柔相间表面对涡流的产生和脱落均有抑制作用。
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇三

 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
我国具有丰富的林木资源,国家林业局发表的《全国林业生物质能发展规划(2011-2020 年)》显示:我国现有林地面积约3亿 hm2,现有森林面积约2亿hm2,蓄积137亿 m3;人工林保存面积约 0.6亿 hm2,蓄积约19.6亿 m3;林木资源还存在很大潜力,约180亿吨[1]。我国每年产生的林木剩余物可达到 9亿吨,其中大约有 3 亿吨可作为能源再利用,折合为标准煤约 2 亿吨,可以很好的缓解能源问题。目前,林木资源中作为生物质能再利用的主要有三类:木质资源、木本油料和淀粉植物。 随着我国经济的快速发展和生活水平的提高,人们环保意识的提高,各级政府和各界人士更加重视城市的园林绿化和生态环境建设,由此产生了大量的“园林植物废弃物”。“园林植物废弃物”是指园林植物凋落或者在人工养护过程中产生的植物残体,主要是植物的枝条、果实、杂草和落叶等[2]。据统计,北京、上海等地每年产的园林垃圾产量都在 10 万吨以上[3]。但是目前对林木剩余物和园林剩余物的利用还十分的原始粗陋,大量的生物质得不到妥善的利用,仍以填埋、就地堆放或者作为废弃物进行焚烧的方式进行处理。不仅造成了能源上的浪费和安全上的隐患,还违背了可制续发展的战略方针,切断了生态系统中物质循环和能量流动,使土壤肥力得不到自我维持和补充。因此,将这些植物剩余物进行资源化、无害化处理成为目前主要的问题。目前对林木剩余物和园林剩余物的利用有以下几方面。 (1)生物质能。生物质能是指太阳能以化学能形式贮存在物质中的能量,它间接或直接来源于植物的光合作用,可以转化为固态、液态和气态燃料。生物质能资源丰富,是一种清洁能源,可以很大程度上缓解环境问题,同时它也是唯一可再生的碳源。林木质能源作为生物质能源的一个分支,占有十分重要的地位。目前对它的开发和利用主要有:①固态、液态、气态燃料,②生物柴油,③木粉发电等[4]。林木质能源具有清洁型、可持续性、易得性等特点,例如生物柴油的燃烧产物中的 CO、CO2、颗粒物低于普通柴油,并且不含 SO2、铅等有毒物质[5,6]。 
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1.2 树枝粉碎机国内外现状
目前,国内有些科研院所和部分工厂已经研究和开发了一些新型的树枝粉碎机,国内对树枝粉碎机的理论研究和成品的开发主要如下。 宋宝昌和程立杰[16]研制了一款集切削、粉碎、筛选为一体结构的 FS 型粉碎机。该机移动便利、结构简单、操作维修方便,主要的粉碎对象是林区的灌木藤条,目的是为食用菌培养提供养料。 顾正平和沈瑞珍[17]设计了一款盘式短刀枝桠削片机。该机用短刀代替传统的长刀,把短刀按照一定的规律布置在刀盘上,切削时一把刀片退出切削,另一把刀片立即进入切削(见图 1.1)。这种新型的盘式短刀切片机切削力小且波动小,工作比较稳定;噪音和振动大幅度降低,噪音比长刀降低了 5.5~10.9dB,可以在城市作业;刀片磨碎均匀,使用寿命增长。牛晓华等[18]设计了一款主要针对于野外林地现场作业的 3ZSX-20 型高效树枝粉碎设备。由拖拉机进行牵引和提供动力,拖拉机的动力经过万向传动轴,带动切削刀盘和粉碎锤旋转,并驱动进料辊旋转,生产效率高,但噪音大。 张汉月和黄激文[19]设计了一款便于在园林现场作业的树枝切碎机。采用自走式,动力配置灵活,结构简单,安全可靠,噪音小。 周雪梅等[20]设计了一款可以适用于切削不同直径和不同形状树枝的双刀盘三喂入式树枝粉碎机,见图 1.2。该机有两种刀盘和三种喂料口,其中水平机械自动进料口和主刀盘(有 4 个刀片)配合工作,倾斜自由进料口和副刀盘(有 2个刀片)配合工作,上开口的进料直接进入粉碎室粉碎。
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第 2 章 仿生刀片的设计与加工
 
在“优胜劣汰,适者生存”的自然法则下,生态系统中的生物为了不被淘汰而进化出了各种适应环境的本领。其中,许多动物的切削行为,与人类进行的切削行为相比,它们在性能上更加突出,如功耗小,耐磨损,土壤粘附率低等特点。 
 
2.1 仿生原型的选择
自然界中很多动物存在着切削行为,按照切削部位的不同可以分为七大类:齿(包括齿舌)切削行为、爪趾切削行为、口器切削行为、头部(包括吻部)切削行为、体切削行为、产卵器切削行为和综合型切削行为。 许多学者对动物爪趾切削行为(大多为土壤动物,如穿山甲、蝼蛄、蜣螂、家鼠等)进行了深入研究,研究表明动物爪趾廓曲线具有曲率波动变化的特征,并初步认为这种爪趾的触土面在切削土壤的过程中受到较低的切削阻力[47-51]。 郭志军等[52]利用 XTL30-CTV 体视彩色显微镜研究了达乌尔黄鼠爪趾纵剖面内的上、下轮廓线的几何特征,见图 2.1。利用最小二乘法拟合得到达乌尔黄鼠爪趾纵剖面内的内、外轮廓线的曲线。 依据曲率公式计算,根据上述方程(2.1)、(2.2)可以得到两式的曲率变化形式,见图 2.2。从图中可以看出轮廓曲线曲率变化趋势,它的爪趾轮廓线是变曲率的,内轮廓曲线的曲率变化曲线可以看成两条抛物线的耦合(见图 2.2(a)),外轮廓曲线的曲率变化曲线可以近似看成一条抛物线(见图 2.2(b))。 
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2.2 河狸的简介
河狸属于河狸科(Castor fiber),哺乳纲啮齿目,在我国属于国家一级保护动物[55]。河狸主要在夜间出来活动,白天很少出去活动,不冬眠。河狸以植物为食,主要以嫩枝、植物的皮和树根为主,也食水生植物;秋季,它们会用锋利的牙齿,将大树啃咬成 1 m 左右的小段,藏到洞口处的深水间,为冬季储备食物。河狸可以称得上建筑大师,它们把大树咬断,用来建造栖息场所。在河狸栖息的场所,可以经常看到它们的杰作—碗口粗的树桩。由于它们的生活习性,经过自然的进化,造就了河狸锋利的门齿和发达的咬肌,咬断一棵直径 40 cm 的树,它们只需 2 h,见图 2.7。 刘国林等[56,57]针对河狸门齿进行了研究。研究发现,河狸的门齿是由一对上颌门齿和一对下颌门齿构成的(见图 2.8、图 2.9 和图 2.10)。上门齿和下门齿外形存在很大的差异,上门齿的齿尖部分,中间高、两边低;下门齿的齿尖部分,中间低、两边高。在门齿曲率方面,上门齿的弯曲曲率较大,而下门齿的弯曲曲率较小。在啃咬树木或其它植物时,它们的作用也各有差异,上门齿不仅有撕咬作用,还要兼顾将碎屑带走的作用,下门齿起到切入树木的作用。在本研究中主要针对河狸的下门齿进行研究。 
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第 3 章 切削刀片静力分析...... 23 
3.1 树枝模型与强度理论....... 23 
3.1.1 均质性假设 ..... 23 
3.1.2 强度理论 ..... 23 
3.2 切削力分析........ 26 
3.3 ANSYS 简介 ..... 29 
3.4 切削刀片的静力分析....... 30 
3.5 本章小结....... 34 
第 4 章 刀片切削性能试验...... 37 
4.1 试验设备及仪器..... 37
4.2 相关性验证试验..... 37 
4.3 切削性能对比性试验....... 44 
4.4 本章小结....... 51 
第 5 章 树枝粉碎试验.... 53 
5.1 试验设备及方法..... 53 
5.2 试验安排....... 56 
 
第 5 章 树枝粉碎试验
 
通过低速顺纹切削试验对普通刀片和仿生刀片的切削性能有了初步的研究,为了更加直观的了解四种刀片的切削性能,本章主要研究切削刀片在正常工作条件的性能,了解普通刀片和仿生刀片在实际生产中的差异,并与低速顺纹切削试验进行比较,分析两类试验的差异。
 
5.1 试验设备及方法
由 DHDAS-5923 动态信号采集仪、计算机和DHDAS 信号测试系统软件(见图 5.2)组成,用于数据的采集、存储和分析。 试验中利用电测法通过粘贴在底刀片背面的电阻应变片来测定切削刀片在切削树枝时切削力的大小。其工作原理是当电阻应变片受力时,引起敏感栅电阻量的变化从而引起电压或电流的变化;然后,电信号通过信号调理设备(电桥盒)的放大、滤波等处理;接着由数据采集设备(DHDAS-5923 动态信号采集仪)将电信号转化为数字信号,传输给计算机;最后由计算机上的配套软件与动态信号采集仪进行数据交换,并完成数据的采集,将数据存储到计算机内,便于以后进行数据的读取和处理。 电桥盒用于连接应变片和动态信号采集仪,通过电桥盒将试件上的应变片组成合理的桥路,将试验过程中应变片电阻的微小变化,转换为电压信号供放大器进行信号放大。电桥盒内使用的是标准 120 Ω 电阻,当所使用的应变片为非标准120 Ω 电阻时,应使用全桥或半桥方式进行测量;安装完成后,要检测应变片与连接线的总阻值,使用标准 120 Ω 应变片测量时,其总阻值应在 120 Ω±1%范围内,否则会造成桥路的不平衡,使所测量的数据出现错误。 试验中采用半桥方式进行相关的测量,其中一电阻片是工作片(Rg),另一电阻片为补偿片(Rd),见图 5.3、图 5.4 和图 5.5。 
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结论
 
本论文介绍的研究工作,将仿生学与刀具优化相结合,根据河狸下门齿的特征曲线及其变曲率特征,设计了 3 种类型的仿生刀片。设计过程中运用 ANSYS软件对普通刀片和仿生刀片进行静力分析,优化刀片参数,直至普通刀片和仿生刀片都在刚度和强度上满足要求。利用正交试验对选取的因素进行相关性的验证试验;利用万能试验机对普通刀片和仿生刀片做低速条件下的对比切削试验;最后,在实际工作条件下,用 400 型树枝粉碎机对普通刀片和仿生刀片做粉碎对比试验,得出了以下主要结论。
 (1) 在 ANSYS 软件静力分析过程中发现,普通刀片总的变形位移小于仿生刀片,即普通刀片的刚度要高于仿生刀片;但是普通刀片总应力却高于仿生刀片,即仿生刀片的强度高于普通刀片。但它们的强度和刚度都符合要求。 
(2) 运用正交试验,通过极差与方差分析对试验因素(切削速度、树枝直径和树枝长度)进行了相关性验证。通过极差分析可以得出以下三点:主次因素顺序为 B(树枝直径)、C(树枝长度)和 A(切削速度);优水平为 A1、B3、C3 ;最优组合为 A1B3C3。通过方差分析得出了各因素与试验指标的相关性,在试验方案所选取的因素水平内,切削速度的显著性水平 α 为 0.01,与切削阻力不显著性相关;树枝直径的显著性水平 α 为 0.05,与树枝长度都与切削阻力显著性相关。 
(3) 在用万能试验机做低速切削的对比试验中,主要从最大切削阻力、平均切削阻力、功耗三方面来评价普通刀片与仿生刀片。 
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇四

 
第 1 章  绪  论 
 
1.1 课题背景及研究的目的和意义 
课题来源于实验室合作项目。主要开展机器人自主仪表识别的鲁棒性研究,机器人非定点仪表识别在不同视角和距离范围内有效识别的实现,以及不同照明条件和阴影反光等恶劣条件下仪表识别方法的研究,并完善仪表识别建模界面的软件开发。当前电力系统对自动化水平、智能化程度的要求不断提高。就我国国内电力系统情况来看,大多数电站均采用带有玻璃外壳的压力计、避雷器(电流表)、液位计、湿度计、非智能开关等一系列需要人工记录数据的传统仪表。这些仪表均是非数字化非智能化设备,而靠人眼观测、记录数据,不仅精度低、可靠性差,更存在较大的安全隐患。因此,为实现电站的智能化、自动化的巡检成为十分必要的科学研究,集自动导航设备、图像传感器、红外热像仪以及声音传感器为一体的巡检机器人,能够进行变电站的高压线短路、断路等情况的热像检测,仪表读数识别等一系列巡检任务。 
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1.2  巡检机器人视觉系统相关技术的国内外研究现状
对于场景环境位置或者需要预估目标位置的情况,机器人的一些外感传感器与机器人本体的参考系转换是必须获取的,因为通过知道参考系的变换可以得到这些传感器观测值相对于机器人的位置关系,这就是进行摄像机标定的目的,也就是进行从二位图像恢复出空间点的三维坐标的三维重建过程[1]。而只有这样才能够在机器人眼睛参数变化的情况下对位置未知的目标进行有效的检测、定位、跟踪、识别等处理。 然而传统的标定方法需要借助于标准件进行摄像机内参数的标定,这些标准件的几何参数(如形状及尺寸)均必须已知,例如利用精密加工的标定块进行标定,如图 1-1 所示,标定块上的标志点坐标在世界坐标系下是已知的,再用这些标志点与图像坐标系下提取到的标志点进行比对,依据图像序列相应约束条件计算得到摄像机内外参[2];另外还有张正友的平面标定方法也属于一种传统的借助于标准件参照物的摄像机标定方法,张的标定方法所参照的标准件不是立体标准件而是一种平面的标定板,与立体标定块类似,平面标定板上也绘制有高精度黑白方格以供提取其中的标志点,其原理类似于文献[2]的方法也是对应点匹配,另外还有利用圆点代替黑白方格作为标志点的标准件,也是将标准件在某一固定物距附近以不同的角度拍摄多幅图像,根据图像序列中标志的变形情况、圆心位置及标准件的已知参数得到约束条件,从而标定出相机内外参。虽然传统标定方法精度较高,但算法相对复杂,而且只适用于焦距固定的场合,在不方便使用标定物的场合也不适用[2]368,[3]。如图 1-2 所示为平面标定模板。主动视觉摄像机标定法,就是已知令摄像机按照预定路线、轨迹以及量级进行运动拍摄标定场景图像序列,预定运动必须是定量且定性的,即规定摄像机平移某一固定距离,或者绕某一固定中心做纯转动,其中距离及中心点坐标即为定量信息,而纯平移运动或纯旋转运动即为定性信息。利用这些既定信息的约束即可对摄像机参数矩阵进行线性求解[4-6]。这种方法精度没有传统方法高,但是却减少了对应用场景的限制。
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第 2 章  自主仪表视觉识别系统设计与分析
 
2.1  引言
为完成巡检任务,巡检机器人除了 AGV(Automated Guided Vehicle 自引导小车)本体以外,还需要一个视觉平台,该平台一般被称之为云台。云台有两个自由度,分别为俯仰和水平旋转,再加上摄像机焦距的变换则构成Tilt-Pan-Zoom 三自由度的机器视觉平台。 
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2.2  巡检机器人视觉平台设计
 
2.2.1  需求分析
对于任何一个视觉系统都要针对相应的任务选取合适的相机,如基于视觉的工业生产线检测、基于视觉的非接触式测量、物体识别与定位跟踪是三种非常常见的应用,每一项应用对摄像机参数都有着不同的要求。 典型的生产线视觉检测系统就是利用已知的合格产品的图像数据与生产线上的每一个产品进行比对,得到每个产品与标准产品之间的偏差,从而实现产品的质量检测。图像传感器是二维高精度非接触式传感器,在质量检测这样的应用背景下,必须要求摄像机同时具有高分辨率和高色彩分辨率(即每个像素点的分辨率高),这里的色彩分辨率可以为灰度图也可以为彩色图。基于视觉的非接触式测量系统首先标定出空间点与图像像素点之间的关系,根据这一坐标变换关系,即可依据计算图像中目标物所占的像素数目精确测量目标物的尺寸。在这样的应用背景下更是要求摄像机拥有较高的分辨率,但对像素色彩分辨率的要求则不高,这是因为计算目标物需要提取目标的边缘和轮廓,故而一般对动态范围及彩色能力要求并不高[40]。对于物体识别和定位跟踪等应用,对摄像机参数的要求则出入较大,这是由于识别物体需要考虑到目标物尺寸、物距要求、场合变化程度(一般场合变化较大),因此分辨率的选取要综合考虑这些要求,有些特殊场合不仅要求摄像机具有色彩分辨力,更是要求摄像机有夜视功能,或具有宽动态功能[41]。 本课题的背景为变电站巡检机器人仪表识别应用,因此,为绝对的代替人力实现全天候的巡检,就要求摄像机能够适应 24 小时不同光照环境的影响,其中也包括过度曝光、背光、逆光、下雨、雾霾以及夜间等极端光照环境。而同时由于场地限制还要求巡检机器人最大可视距离为 50 m,也就是说摄像机必须具备自动变焦以及对焦功能,这就要求摄像机的镜头达到一定的焦距,分辨率也必须为高清。除此之外,巡检机器人与后台 PC 的通讯都是通过无线网桥进行数据传输的,而图像的传输必须进行压缩,而压缩后的图像质量会有所下降,必须均衡比较相机的性能才行。 
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第 3 章  基于绝对对偶二次曲面的相机自标定方法的研究 ..... 19 
3.1  引言 ...... 19 
3.2  摄像机自标定理论基础 .... 19
3.4  自标定实验结果 .... 29 
3.5  本章小结 .... 30 
第 4 章  基于视觉的目标仪表定位算法的研究 ....... 31 
4.1  引言 ...... 31 
4.2  基于视觉选择性注意机制的图像预处理算法 .... 31 
4.2.1  算法分析 ........ 31 
4.2.2  显著性实验与分析 .... 35 
4.3  基于视觉的云台姿态微调方法 .... 37 
4.3.1  机器人视觉平台控制原理分析及其设计 .... 38
4.3.2  基于视觉的仪表精确定位方法 ........ 39 
4.4  本章小结 .... 41 
第 5 章  仪表亮斑处理及其识别算法的研究 ..... 42 
5.1  引言 ...... 42 
5.2  亮斑产生原理分析 ...... 42
5.3  基于显著性分析的光斑去除方法 ...... 43
5.4  基于轮廓特征的指针式仪表识别 ...... 49
5.5  本章小结 .... 51 
 
第 5 章  仪表亮斑处理及其识别算法的研究
 
5.1  引言
变电站仪表种类繁多,其中不乏带有玻璃外壳的仪表,如压力计、油温计、避雷器电流表等。而巡检机器人在复杂多变的室外环境下检查这些带有玻璃外壳的仪表时,由于光照角度的原因会拍摄到带有亮斑干扰的仪表表盘图像,不利于机器人对仪表读数进行自动判读,如图 5-1 所示。在本文的应用场景中,镜面反射现象即高光现象是必然存在的,这种情况下物体表面颜色特征及纹理特征都会减弱甚至消失,严重的情况下则会影响图像质量[46]。如 Wolff 等人[47]利用光的极化特性分析漫反射情况下的高光去除算法。Nayar 等人[48]将极化信息分析及颜色分析结合在一起,一次作为约束来评估高亮区。而 Sato 等人[49]利用移动的光源获取系列图像对高光区域进行去除。这些方法尽管能够获得较好的结果,但是这些算法需要的是序列图像,计算量也极大,因而限制了其应用面。 第一次提出利用颜色直方图将图像颜色矢量化后去除高亮区域的是Klinker 等人[50],这种方法的原理是基于双色反射模型的。该法无需任何硬件设备和图像序列,仅凭一张图像即可处理,但去除的效果却不太理想。Yoon等人[51]开新颖的利用股票机制来分离高亮区域的方法,不过这种方法并不能适用于表面纹理复杂的物体。Tan 等人[52]则同样是利用单幅图像去除镜面反射区域,此法无需颜色分割,而且适用于具有复杂纹理表面的物体。 
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结   论
 
本文设计了一款巡检机器人视觉系统,该机构具有三个自由度,可以调节工作平台的空间姿态角,弥补了移动机器人定位误差及各机械误差导致的远距离识别较小目标过程中变焦造成的视野减小、丢失目标等问题,研究了室外环境下仪表表盘图像存在光斑干扰的特殊场景仪表识别的预处理算法,实现了精确判读指针式仪表的目的。论文所做的具体工作如下:
(1)针对实际应用,搭建了巡检机器人视觉平台系统,采用二自由度纯转动机构来设计巡检机器人云台,实现工作平台在空间调整姿态的目的。并且引进了基于云的数据计算平台,将耗费资源的任务交付云端处理,提高了效率。
(2)利用绝对对偶二次曲面像变换对变参的摄像机系统进行自标定,从而获得当前状态下摄像机内参,并实现外参恢复。提出一种权重分配自底向上与自顶向下相结合的显著性分析算法,该法能够提取最显著区域,从而缩小检测区域,实现快速仪表定位,获得目标相对图像中心的距离,实现图像尺寸到云台旋转角度的转换,控制云台及摄像机实现光学变焦,将目标放大到可识别尺寸。
(3)针对室外环境下,由仪表玻璃外壳反光及雨后水滴聚光区域造成的高亮干扰这一特殊情况,设计了相应的预处理算法过程。对于镜面反射造成的仪表反光情况,采用移动机器人平移后重新拍摄图像进行识别即可消除高亮影响。而对于水滴聚光区域的小光斑,则采用基于 Exemplar-Based 图像修复算法,利用单幅图像即可有效修复具有复杂信息的图像。 
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇五

 
第一章绪论
 
1.1课题来源和研究背景
随着我国社会经济的发展进步和现代化建设的不断加速,工业生产过程中出现的事故和危害也在不断增加。有数据显示,欧美等发达国家安全生产状况在人均GDP水平达到1000到3000美元时,这个国家的安全生产形势则处于非常糟糕阶段,表现在高发性的安全事故和因不能得到及时救援而急剧上升的死亡人数;然而当人均GDP超过3000美元时,事故发生的频率则会逐渐下降[1]。目前,我国经济迅速发展,国民生产总值不断增加,而部分较发达省市也己经达到人均GDP水平在1000-3000美元之间,由于工业迅速发展带来的安全事故发生频率也在不断增加,而其中因为有毒有害气体泄漏造成的事故更是时有发生。2012年10月22日晚10时40分左右,湖北省洪湖市德炎水产公司发生氦气泄漏事故,致使479人中毒。2014年11月5日清晨5时15分左右,衢州巨化集团发生苯泄漏事故,致使多人中毒,其中两名工人因抢救无效不幸遇难。这样的例子不胜枚举,有毒有害气体泄漏事件对公民人身安全造成了巨大的威胁,同时也给国民生产造成了重大的损失,其危害性令人触目惊心,因此,有毒有害气体泄漏后快速地应急救援处置方式和更加先进的救援设备的研宄,是寻求安全生产的必经之路,其对国民经济的可持续发展有着非常重大的意义。本课题基于北京市科委重点项目“涉氯涉氨现场危险品快速消纳装置研制与开发”,以北京市二商集团西郊冷冻厂为试点单位,旨在研制出一种适用于有害气体泄漏事故的快速消纳装置,实现事故现场的快速应急处置。对西郊冷冻厂进行现场调研后,发现冷冻厂车间面积约为1000m3左右,车间中遍布用于输送液氨管道,在管道结合处极易发生泄漏而造成重大危险事故,故而把氨气这种刺激性异味气体定为本课题的主要研究对象,并根据有效换气次数确定车间发生氨气泄漏后的风量为10000m3/h。同时考察到因为生产设备原因,车间内部无法再安装传统有害气体处理的大型设备。故而本课题依据实际情况,提出一种一般室外条件下使用的、发生氨气泄漏后可快速移动并可以用于大风量泄漏下快速吸收有害气体的车载净化装置,以实现有害气体的紧急处理,并使其达到排放标准,解决以往的应急装备不能用于大风量处置且无法快速移动的难题。
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1.2有毒有害气体净化技术现状
随着世界经济的发展和各国对工业安全生产的关注,人们对有毒有害气体危害性的认识也在不断加深,围绕有毒有害气体的净化处置,国内外广大研究学者们发扬了勇于探索的精神,不断寻找合理高效的解决方法,一系列有毒有害气体净化处理的措施被用于应急处置和日常工业生产废气净化中。目前存在的有毒有害气#处理方法有燃烧法、溶液吸收法、催化转化法、吸附剂吸附法、生物处理法、等离子体净化法等[6].燃烧法又称为热力燃烧法,是指把有害气体的温度提升到可燃气态污染物的温度,在高温高氧的情况下使其完全燃烧分解,最终降解成C02和等无机物,具有燃烧彻底、净化效率高等优点。这种方法需要有害气体中含有一定浓度的可燃气态污染物,并需要通过辅助燃料燃烧来提高有害气体的温度。该方法可用于净化各种可燃性气体,其净化程度在供氧充分的情况下,依赖于反应温度、停留时间和瑞流混合等三个要素。该方法在处理部分有机废气(如碳氢类化合物)时具有明显的优势,但是当废气中含有S、C1等元素时则无法使用,易造成二次污染和中毒。
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第二章介质阻挡放电等离子体技术净化氨气的机理研究
 
2.1低温等离子体基础理论
等离子体是一种气态物质,但其并非气体,它包括一系列的分子、原子、离子、高能电子及自由基等活性物质,通常被认为是固体、液体、气体以外的物质第四态,因为大量活性物质的存在,使其性质表现出高度的不稳定性。等离子中的粒子和活性物质处于不停的运动及相互碰撞之中。在外加电场的作用下,等离子体中的电子可获得非常高的能量,通过撞击其他粒子而发生能量交换,产生一系列化学反应。事实上,等离子体在人们的日常生活中并不少见。例如,闪电和极光都是由大量等离子体组成,宇宙中百分之九十以上的物质都是以等离子体状态存在的。等离子体同样可以通过人工的方式产生,如本文要研宄的介质阻挡放电就是人工产生等离子体的一种常用方式。等离子体主要包括高温等离子体(hot plasma)和低温等离子体(cold plasma)两大类,这是国际上惯用的分类方法。高温等离子体也称热平衡等离子体,其产生对温度有非常高的要求,通常情况下高达10,OOOeV以上,相当于100,000,000°C,eV(electronvolt)是等离子体领域中常用的温度单位,leV=11600K。其电离率接近100%,电子、离子及中性粒子的温度基本一致,如太阳和恒星不断发出的等离子体。正是由于高温等离子体的特殊性,使其在通常条件下很难产生和应用。而低温等离子体(也叫冷等离子体)则恰恰相反,是一种非热力学平衡的等离子体,在一般环境温度下即可产生,是在工业生产中被广泛应用的一种等离子体。低温等离子体在放电过程中,其电离率较低,电子的温度很高,大约为103K?104K,但是离子温度和中性粒子的温度则很低,并且远远小于电子的温度,几乎可以与室温持平,这样整个体系就会呈现低温的状态[20]。
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2.2等离子体的产生方法
工业生产中用于产生低温等离子体的方法是多种多样的。其常用的产生方法主要有:气体放电法、射线辐照法、热电离法、激波等离子体法、光电离法和激光等离子体法等。其产生过程中受各种因素影响,如气压高低、频率大小、电极种类、放电间隙、放电功率以及外界环境因素等等。一般情况下,气体是不导电的绝缘介质,如果把气体密封到一个容器中,在两极间施加直流电压,并逐渐增大,当电压增大到某一个高值时,就会在回路中产生电流,电极间气体的绝缘性被破坏,发生击穿,即气体放电【14】。气体放电法是目前被广泛使用的产生低温等离子体的方法,在等离子体技术领域具有重要的地位,同时因其优良的性质,也是最适合本课题用于净化处有毒有害气体的等离子体发生方法。
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第三章等离子体净化器的设计......22
3.1等离子体净化器的设计思路......22
3.2等离子体反应器的设计......23
3.3等离子体发生电源的设计......27
3.3.1电源参数的设计......27
3.3.2电源的集成设计......30
3.4 本章小结......31
第四章等离子体净化装置集成..................32
4.1北京市二商集团西郊冷冻厂基本情况......32
4.2用于涉氨现场的移动车载应急救援装置......33
4.3等离子体净化装置设计集成......34
4.4本章小结......42
第五章等离子体装置净化氨气实验......43
5.1氨气净化的实验方案设计......43
5.2氨气净化的模拟实验......44
5.3实验结果的分析......44
5.4本章小结......50
 
第五章等离子体装置净化氨气实验
 
5.1氨气净化的实验方案设计
目前,关于等离子体净化装置的研究大多集中于实验室水平的仿真与模拟实验,这虽然有助于理解反应的机理并且可为后续的研宄提供一定的理论支撑,但要使等离子体净化装置真正用于工业生产实践中并在应急救援处置中发挥积极的作用还需要考虑到实际反应中气体的特性及环境因素的影响,这都是实验室模拟所不具备的。除此之外,本文的等离子体净化装置是用于10000m3/h的大风量下氨气泄漏事件的,故而需要不断通过实验检测其净化效率,以确保在有害气体泄漏事件发生之后等离子体的工作效率。本章节主要通过采用氨气与空气的混合气体,以北京市二商集团症细冷冻厂为试点单位,来模拟真实泄漏的场景,进行实验研究。其实验装置主要由风机、等离子体净化装置(包含等离子体发生盘与电源控制系统)、配气装置和氨气传感器等四大部分组成,实验示意图如图5-1所示。其中,配气装置部分是由标准气体气瓶、流量控制阀(包括解压阀和流量计)、混合气体瓶组成的,如此可以通过调节解压阀和流量计控制气体的流量,使其充分混合均匀之后,再打开通往等离子体挣化装置管道上的解压阀,同时开启风机,使混合气体通过等离子体净化装置。 
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总结
 
本课题来源于北京市科委安全生产领域重点项目,以北京市二商集团西郊冷冻厂为试点实验单位,基于介质阻挡放电的低温等离子体技术,以设计研制用于有害气体泄漏紧急处置的等离子体净化装置为最终目的,进行了一系列理论研究、机理分析、实验研究及参数优化等工作。首先,本文对介质阻挡放电产生等离子体净化有害气体的原理进行了一系列研究,理解了等离子体在净化过程中产生的一系列活性物质的作用机制,并对其与氨气反应的化学机理进行了分析,得到等离子体净化氨气后的主要产物,为后续等离子体净化装置的设计打下了理论的基础。随后,根据国内外等离子体反应器的设计现状,在通过理论分析和实验研究的基础上,对现有反应器的参数进行了一系列的优化,并研制出一种矩阵式的介质阻挡反应器,并通过一系列的实验设计了高压电源的参数。之后,在对西郊冷冻厂进行现场调研的基础上,确定其泄漏时可能发生的危险情况,据此对等离子体反应装置进行实验集成,并不断完善,并将其用于后续的模拟实验。在实验中,不断调整反应条件和参数,以得到等离子体净化装置的净化效率及其影响参数。主要工作及结论如下:
1等离子体净化装置净化有害气体的效率受到反应器参数(包括介质材料和尺寸、电极尺寸、放电气隙等)、电源参数(包括电压、频率等)、反应气体浓度和流速、环境条件等的影响。
2本课题设计的等离子体净化装置其最佳反应电源是电压在20KV左右、频率在12KHz左右的高频高压脉冲电源,在此基础上集成电源系统,以220V为输入电压,通过变压器输出高频高压电源。
3通过理论推导与实验研究得出,基于介质阻挡放电的低温等离子体净化装置净化氨气后的产物为N0X、H20、NH4N03、NH4N02、03、N2及少量未被去除的氨气等。
4本课题设计的等离子体净化装置是由36组等离子体盘集成的柜式等离子体装置,在常温常压的条件下,当气体浓度不高于lOOOppm时,其净化效率可达到50%以上。
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇六

 
第一章  绪论 
 
1.1  选题的背景及意义
哺乳动物作为当今世界上躯体结构、功能行为最为复杂的高级动物类群[1,2],经过几百万年自身及外界的演变,进化出了许多与外界环境相适应的结构、形态等特性,这些特性为人们在工程学领域方面的设计与研发提供了良好的灵感和优秀的蓝本[3-6]。哺乳动物按营养方式分类可以分为:食肉动物、杂食动物和食草动物三种类型,而牙齿作为哺乳动物猎食和进食最不可或缺的器官组织,始终伴随着动物自身的进化演变而变得与其生活习性更加息息相关。 自古以来,对于哺乳动物牙齿的认识和利用就已经与人们的生活紧密地联系在一起,比如:人牙的健康与饮食密切相关,狼牙、虎牙等可以用来避邪,象牙制成昂贵的生活器具,猪牙是我国秦腔牙技不可缺少的组成部分,等。进入现代社会,随着科学技术的迅猛发展,对于哺乳动物的牙齿研究和应用不再仅仅局限于它的象征意义和作为简单道具的使用,而是从它的结构形态、材料组成、微观结构和力学特性等出发,应用于现代科学与工程领域,比如:基于河狸门齿结构形态的特性应用到电火花强化涂层木工刀具上,用猪牙代替人牙进行大规模的医学实验,根据食人鱼牙齿的构形及硬度特性设计仿生剪刀等。 虽然对于哺乳动物牙齿的认识与研究越来越多,但是也有一些不足之处,例如:关于哺乳动物牙齿的研究主要集中在工程和医学领域,具有一定的局限性;关于哺乳动物牙齿的研究都是零碎的、不系统的,仅仅看到某一动物牙齿的表面现象才开始考虑研究应用等。 本文的研究主要从解决以上问题作为出发点,系统地对三种食性的哺乳动物(食肉动物、杂食动物、食草动物)的牙齿的基础特性进行全面地研究分析并总结规律,为以后的关于哺乳动物牙齿的仿生研究应用提供基础实验依据。本文所选用的三种食性的哺乳动物分别为食肉动物的狗、杂食动物的猪和食草动物的梅花鹿。 
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1.2  相关研究的国内外现状
生物摩擦学(Bio-tribology)是 Dowson[7-8]等于 1973 年首次提出来的,定义如下:研究与生物系统相关的所有摩擦学问题[9]。具体是指基于生物体材料的流变性质,以生物的摩擦、粘附和润滑为中心,研究摩擦学行为及其与生物结构,生物材料等特征之间的相互关系的一门学科[10-13]。生物摩擦学是一门新兴的交叉学科,它涉及广泛,比如医学、材料学、生物学、摩擦学、机械学等,主要分为人体生物摩擦学和仿生摩擦学两大类[14]。 人体生物摩擦学顾名思义是指人体特定领域的生物摩擦学,它的研究领域主要包含以下 3 个方面:(1)研究人体内组织与器官组成的摩擦副。如两个关节之间的摩擦,肌肉与骨骼之间的摩擦,角膜和眼睑之间的摩擦,等。研究的主要目的是理解掌握摩擦学的机理,并将获得的成果用于修复重建受损和衰退的组织器官。(2)研究人体内组织与人造器官组成的摩擦副,即生命体和非生命体组成的摩擦副。如天然牙与人工义齿、眼睑与人工角膜、足底皮肤和鞋袜等,研究的主要任务是防止这些非生命体对人体造成二次伤害。(3)研究在人体环境中工作的人工摩擦副,起主要作用的都是人工材料。如人工关节、人工心脏瓣膜等,这方面的主要工作是预防人工摩擦副通过摩擦产生的摩擦热、磨粒等通过人体液体介质漫布全身,对人体产生严重不良影响[15-17]。 仿生摩擦学的主要研究对象是自然界中的生物系统,主要目的是研究它们自身存在的奇异摩擦学现象,从中获取灵感和启发,并将研究成果应用到工程技术领域,这就是仿生摩擦学的由来。仿生摩擦学研究的重点主要包括以下 3 个方面[18]:(1)关于流固界面的黏附与自清洁,这主要与摩擦学中的润滑密切相关。Barthlott[19]等研究并发现了“荷叶效应”,这在疏水材料的研究开发上得到了非常广泛的应用。(2)关于生物脚掌与固体表面的黏附仿生摩擦,壁虎等动物脚掌上附有刚毛,Gorb[20]等以壁虎为仿生原型,研究设计了一种人工刚毛,能够附着在的光滑表面。(3)关于生物表面磨损特性的仿生摩擦学,沙鱼(sandfish)在沙漠中能够快速穿行与它的特殊表面密切相关,Rechenberg[21]等研究发现沙鱼表面的耐冲蚀磨损要强与钢和玻璃表面。
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第二章  试验方法 
 
2.1  试验材料的选取与制备 
2.1.1  试验材料 
狗的门齿、犬齿和臼齿(选用长春市 6~7 个月的中原太行犬);猪的门齿、犬齿和臼齿(选用长春市 10~12 个月的长白猪);鹿的门齿、犬齿和臼齿(选用长春市 12~16个月的家养梅花鹿)。为了消除因所选物种年龄问题而出现的误差,经查阅相关文献可知,狗的平均寿命为 10~15 年,从出生 6~12 个月可以达到性成熟,猪的平均寿命约为 20 年,从出生 5~12 个月可以达到性成熟,鹿的平均寿命约为 20 年,从出生 18~24个月可以达到性成熟。因此,选用的物种年龄如上所示。 
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2.1.2  试样制备
在制备试样之前,要先将分离出的牙齿进行清洗处理后置于蒸馏水中并保存在冰箱恒温室内以备用,温度设置为 4℃。在制样过程中,要先用电动打磨机(GWS8-125C,BOSCH 公司,德国)切除牙齿的齿根部分。随后制备成两种平面试样:(1)纵剖面(如图 2.1a 中的 A 区域),在水冷却条件下用精密切割机(IsoMet? 4000,BUEHLER公司,美国,如图 2.2)以牙尖为起点牙根为终点的中轴线纵剖为两半,将此剖开的平面作为试验面,然后用液态树脂将试样(纵剖面朝下)包埋在尺寸为 30 ㎜×30 ㎜×20 ㎜的特制模具中,得到牙齿试样(如图 2.1b);(2)颌面(如图 2.1a 中的 B 区域),在水冷却条件下用切割机将牙冠以下全部切除,仅将牙冠部分包埋得到牙齿试样(如图 2.1c)。待包埋用树脂材料完全凝固硬化之后将试样取出,先后采用 400#、600#、800#、1500#、2000#的勇士牌砂纸在水冷却条件下进行打磨,形成约为 2 ㎜×2 ㎜的试验面(此试验面因牙齿种类的不同而所处位置也不同), 并用研磨抛光机(Metaserv250,BUEHLER 公司,美国,如图 2.3)进行抛光,直至表面粗糙度 Ra低于 0.2μm 为止(通过上海泰明光学仪器有限公司生产的 JB-5C 型粗糙度轮廓测试仪测得),此抛光机能够进行精细抛光,可以减少牙齿试样表面的损伤。在制备试样的过程中,要使用无水乙醇和蒸馏水轮流清洗产生的污垢。 
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2.2  试验仪器及装置
摩擦磨损试验主要在摩擦磨损试验机(UMT,CETR 公司,美国)上进行,试验仪器如图 2.5 所示。该仪器可以满足大部分金属、塑料、陶瓷、涂层等的摩擦学和机械测试需求,能测得的主要参数为负载(伺服控制)、摩擦力,力矩和系数(静态和动态)、磨损量和磨损率、接触高频声发射和电子接触电阻等。牙齿“微观”力学性能试验主要在低载荷原位纳米力学测试系统(Triboindenter,Hysitron 公司,美国)上进行,试验仪器如图 4.1 所示。该仪器可以进行精确纳米尺度测量力学属性如硬度,弹性模量,摩擦,耐磨性和粘合强度,可以实现材料评价尺度从超薄薄膜到块体积材料,同时也提供了原位扫描探针显微成像一起进行定量纳米压痕和纳米划痕测试。 
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第三章  牙齿的摩擦学特性对比研究 ...... 19 
3.1  试验简介 ...... 19 
3.2  试验材料的选取和制备 .......... 19 
3.3  摩擦磨损机理介绍 .... 19 
3.3.1  摩擦定律及机理 ......... 19 
3.3.2  磨损定律及机理 ......... 20 
3.4  试验结果与分析 ........ 22
3.5  本章小结 ...... 35 
第四章   牙齿的力学性能对比研究 ........ 37 
4.1  试验简介 ...... 37 
4.2  试验材料的选取和制备 .......... 37 
4.3  维氏硬度 ...... 37 
4.3.1  维氏硬度简介 ...... 37 
4.3.2  维氏硬度测量 ...... 39 
4.4  纳米压痕技术 ..... 40
4.5  试验结果与分析 ........ 44
4.6  本章小结 ...... 52 
第五章  牙齿的划痕测试对比研究 .......... 55 
5.1  试验简介....... 55 
5.2  试验材料的选取和制备.... 55 
5.3  试验结果与分析......... 56
5.4  本章小结....... 67  
 
第五章  牙齿的划痕测试对比研究
 
5.1  试验简介
涂层与基体之间界面结合力的大小是衡量涂层好坏的重要指标之一,其中对界面结合力的测量和评测是材料学方面的一个重要问题[93,94]。目前,测量涂层与基体之间界面结合力大小的方法有如下几种:划痕法、压入法和激光冲击法[95,96],其中划痕法是最常用的方法,它可以高效地测定涂层和基体的结合特性,同时具备多种形式的监测方法且重复性较好,是一种成熟的试验方法。“临界载荷”(Lc),是利用划痕法进行测量的最重要指标,这是因为它与基体间的界面附着功和剪切强度存在一定的关系[97,98]。在划痕测试试验中,存在多种因素会对临界载荷产生影响,比如:涂层的材料与厚度、基体的材料与硬度及基体的表面粗糙度等。 众所周知,牙齿作为一种复杂的复合生物材料,虽然具有梯度特性、各向异性和多功能等特点,但是依然可以分为牙釉质、釉质牙本质界、牙本质。本文将牙釉质、釉质牙本质界、牙本质近似看做涂层与基体的关系,用划痕法对不同食性哺乳动物的牙齿釉质进行划痕测试。不同食性哺乳动物牙齿的划痕测试主要在 CSM 公司生产的Revetest Xpress 型划痕测试仪上进行,在纵剖面上进行刻划,划痕从齿尖一侧开始,到齿根一侧结束。 
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结论 
 
本文主要以食肉动物的狗、杂食动物的猪和食草动物的梅花鹿的牙齿为研究对象,利用摩擦磨损试验机以 Si3N4陶瓷球与牙齿试样对磨并结合共聚焦激光扫描显微镜测量磨损表面深度进行牙齿的摩擦学特性测试,采用维氏硬度计、纳米力学测试系统对牙齿的力学性能进行研究,通过划痕测试仪测得牙齿的结合强度,结合生物摩擦学、纳米力学理论、生物材料学、试验优化设计等理论方法系统地对以狗、猪、鹿为代表的三种食性哺乳动物的牙齿进行研究,主要得出以下结论:
1)  三种动物牙齿的摩擦因数随时间变化的曲线都可以分为三个阶段:①接触初期,摩擦因数缓慢增大阶段,这是因为在与 Si3N4陶瓷球接触的初期,三种动物牙齿的釉质表面粗糙度很低,因此刚开始三种动物牙齿的摩擦因数较小;②经过一段时间,摩擦因数迅速增大阶段,出现上述情况是受牙齿矿化程度和釉柱晶体致密度不同的影响;③随着时间的增加,摩擦因数最终稳定阶段,随着试验的进行,从牙齿釉质表面上剥落下来的片状釉质受到反复挤压而使尺寸变得更加细小,此时的细小釉质颗粒起到了润滑作用,使得牙釉质与 Si3N4陶瓷球间的磨损强度降低,摩擦因数进入稳定阶段。 
2)  三种动物牙齿的釉质纵剖面经过摩擦磨损试验之后,形成了类似于椭圆形的磨斑,主要的磨损形式有疲劳磨损、粘着磨损和磨粒磨损。根据磨损表面的形貌可以粗略判断这种牙齿的耐磨性,磨损表面形貌的特征主要有磨屑剥落、龟裂现象和细小磨粒等。牙齿耐磨性的好坏与釉柱的致密程度和排列形式密切相关。 
3)  通过共聚焦激光扫描显微镜对试验之后牙齿的磨损表面深度测量,根据深度的大小可以精确判断牙齿的耐磨性。最终测得,门齿中猪门齿的耐磨性略好于鹿门齿,狗门齿的耐磨性最差;犬齿中耐磨性的排列顺序是:狗犬齿>猪犬齿>鹿犬齿;臼齿中鹿臼齿的耐磨性最好,猪臼齿次之,狗臼齿最差。三种动物牙齿耐磨性好坏的排列顺序与维氏硬度的顺序一致,说明硬度大的这三种动物牙齿耐磨性也好。 
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参考文献(略)

 

专业工程硕士论文精选篇七

 
第一章    绪论
 
1.1 论文研究对象及课题来源
宇航产品中存在大量的、典型的薄壁件产品。从薄壁件的常规概念出发,通常认为在环形件、壳体件、盘形件、套筒件、轴类件以及平板件中,产品的壁厚与轮廓尺寸(或内径曲率半径)之比小于 1:20 时,可认其为薄壁件[1]。此类型的零件具有的显著特点是刚度低,结构复杂,在加工时极易由于误差变形或工件颤振,降低了工件的加工精度。虽然从设计的方面来说问题不大,但是加工过程要达到设计的结果具有相当的难度。尤其当零件的形状及尺寸精度要求高时,机床或者加工设备的切削力大小及波动、微幅振动、切削温度、装夹形式等都会对其产生较大的影响,从而难以保证加工的精度[2]。特别是对于特殊行业用的某些壁厚很薄的产品,因其材料刚度较低,甚至不能按常规方法进行机械加工,需要发展新的加工工艺。 此类薄壁零件已经较为广泛地应用于航空航天工业中,例如火箭的壳体、卫星的展开机构、运载器的固定支座等。加之航空航天零件对制造精度的特殊要求,在同样的刚度和强度等力学特性需求的同时,还需要产品具有较小的重量;为此一些新型难以加工的材料多会被利用,诸如钛合金、铝镁合金等轻质材料。如此一来,增加了制造薄壁件产品的困难,提高了制造的成本,这也是产品设计到加工实现过程的一大难题[3]。因此,结合机床和材料的基础信息进行薄壁件产品的可制造性设计,具有十分重要的工程价值。 本文涉及的宇航薄壁件产品兼顾上述定义,但对其内涵将进行拓展,针对特殊的应用背景和定制化(个性化)需求,特别地将某宇航产品的 XX-XX 箱间段和 XX-XX一二级级间段的八类零件均称之为薄壁件,这些零件包括壁板、蒙皮、桁条、半框环、口盖、连接板、插座、接头、支座等;后续的研究中将给出这些零件中部分零件的结构示意图及模型数据。同时,后续的研究中也将分类梳理这八大类零件涉及的主要成形工艺方法,为制造工艺知识库的构建提供基础数据。 本论文课题来源于科技部国际合作项目(编号:2010DFB80730):宇航产品智能化设计制造集成技术与系统联合研究。 
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1.2 论文研究目的和意义
宇航产品所属零件大多为定制化零件,其结构复杂、技术含量高、质量要求高、涉及学科领域多,是典型的技术密集、知识密集和资金密集的复杂部件。尤其近年来,随着我国“载人航天”工程二期、“探月”工程二期、新一代大型运载火箭等一批重大型号工程的研制,我国宇航产品型号研制生产呈现出研制品种多、研制周期紧、生产批量变化大等特点,从而对宇航产品快速设计及制造的能力提出了更为迫切的要求。在传统的宇航产品开发流程中,设计和制造环节被分割为两个相对独立部分,产品的设计过程没有全面考虑制造的可实现性、经济性、加工周期、质量保证条件等产品生产要素[4,5],这种研发模式常常不可避免地造成设计方案和企业的制造能力不协调,其结果必然带来企业需要付出很大的成本、周期、效益的代价,来满足一个不切合生产实际的设计方案,甚至会造成设计方案的反复,严重影响型号产品的开发周期。 近年来,设计制造一体化方面的研究也越来越受重视,国外研究人员在设计制造一体化方面做了很多工作,已较为显著地缩短了产品开发周期,提高了产品质量和竞争力。随着信息技术的发展和产品开发周期的不断压缩,智能化的设计评价技术已经成为未来工程设计领域发展的必然趋势[6]。通过总结经过验证的海量设计、制造知识,开发智能化的设计工具和虚拟验证工具,可以极大降低研制风险和缩短研制周期。这项技术已经成为国外先进工业发展的标志和竞相投入研究的重要方向。但在国内,相关的研究工作还处于起步探索阶段,尚缺少完整的应用实例。 
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第二章   考虑薄壁件产品 MAS 的设计模型
 
2.1  产品智能化设计过程及 DFX 决策 
产品设计是一个产品解决方案生成与其结果评价的迭代过程。在确定一个具体的解决方案之前,设计人员应首先采取概念设计方法。对于一个复杂的产品在概念设计阶段需要将团队或者不同设计部门的已有设计经验结合在一起,然而,在协作设计的过程中必然存在对设计决策的不一致,因而很难做到在做设计决策和优化方案时能够获得各个方面的知识。同时协作过程也存在着分工、协调,以及其他管理上的困难。   “为某一方面而设计(Design  For  X,DFX)”设计思路的提出为产品设计过程中的协同处理提供了重要的指导,具体是通过将“做”和“不做”的设计规则用检查表单的形式列出,以确保设计方案满足了“X”方面。关于 DFX 设计的一个主要缺点是,这些工具仅用一个狭窄的片面的视角去看不断进化的解决方案,而没用相互关联,多个“X”角度的视角。此外,当主要的设计决策已达成时,DFX 工具主要用于进行分析。此外,DFX 知识是通用的,而不是针对特定问题的。在这个意义上,不能为设计人员提供关于哪些规则适用于目前情况的指导。设计专家系统由于其具有预测建模能力,可以支持概念设计。然而,在设计和开发过程中,由于知识的组织方式不是从需要协调的资源方面的角度来建立的,从而对系统提供了一个狭隘的设计解决方案,很难权衡生命周期的各个方面。此外,存在于设计人员头脑中的知识组织形式较为独立,很难做协调维护,并且在知识动态进化过程中,需要随时来处理出现的新问题。约束网络能协助设计人员之间通过多方面的合作,以避免生命周期问题的产生。 
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2.2  基于设计制造信息的设计决策模型
本节将讨论依据设计制造信息而实际得到的产品模型的过程,揭示在零部件综合设计过程中,设计结果是如何产生的。为便于理解,需要首先进行设计决策过程的规范化处理。 如图 2-7 所示,对于设计过程中的每一个阶段,设计人员都有一个决策结果集合[P]及一些可能的解决方案集合{O},可定义为决策方案 P{O}。由上文可知,决策方案 P{O}由可重复使用的产品设计要素组成。设计人员在决策过程中从决策方案中选择;在此过程中,设计人员需要考虑一系列的问题,如可制造性、可装配性以及产品的使用功能等。在兼顾上述方面的前提下,设计人员选择出合适的一系列决策结果,并将决策结果 D{O}引入的产品模型中。
 
第三章   面向制造的产品设计特征提取及重构 ...... 43
3.1  产品 DFM 过程的特征信息需求 ...... 43
3.2  设计特征的提取 ........ 43
3.3  基于可制造信息的三维重构方法 .......... 50
3.4  薄壁件关键几何特征关系提取及判断 ....... 54
3.5  本章小结 .......... 62
第四章   产品 DFM 过程的知识表达及知识库构建 ......... 63
4.1  产品 DFX 过程的知识表达及其管理 ......... 63
4.2  面向 DFM 的产品制造知识及其提取 ........ 69
4.3  制造知识库构建 ........ 77
4.4  设计过程知识库的调用策略 ........ 80
4.5  数据库协同管理 ........ 83
4.6  本章小结 .......... 86
第五章   产品 MAS 平台及 DFX 系统集成 ........ 87
5.1  产品 MAS 原理及体系 ....... 87
5.2 MAS 平台框架设计 ........ 93
5.3 考虑 MAS 的典型宇航薄壁件 DFX 系统 ........ 97
5.4 基于 MAS 的 DFA 应用 .......... 102
5.5  本章小结 ........ 110
 
第六章   考虑 MAS 的典型宇航薄壁件 DFM 原型系统实现
 
本章结合前几章具体的理论基础和局部实例,给出针对某特定宇航薄壁件产品的可制造性分析平台,发展其原型系统并给出具体的分析过程。 
 
6.1  原型系统框架 
图 6-1 显示了整个可制造性评价体系包括了知识库和数据库、核心算法和工具、建模和评价过程、标准规范以及应用。 根据上述框架构建的原型软件系统结构框架图如图 6-2 所示,图中显示各个软件单元之间的组成关系。具体包括了用户界面层、工具层、知识库管理和数据库管理层。 根据可制造性分析基础和评价方法,编写了软件原型系统研发,开发了用于制造特征获取的 Pro/E 插件软件工具,如图 6-3 所示。 图 6-3  给出了在 Pro/E 中构建的对象模型,本文开发原型系统中,对该对象的提取是发展基于零件 Pro/E 模型的制造特征提取工具。 这个插件工具基于被加工零件的 Pro/E 三维模型,进行零件制造特征的提取,能够实现自动获取和列表显示零件中的特征、参数名、参数值,插件中存储的参数和模型参数同步,可双方向更新,支持用户挑选“制造特征”,并保存为文件,为可制造分析软件提供输入数据。
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结论
 
宇航产品结构复杂、技术含量高、质量要求高、涉及学科领域多,是典型的技术密集、知识密集和资金密集的复杂部件,其设计过程任务繁重且涉及不同部门的协同,薄壁件产品是此类产品的典型代表。大多数已有的传统设计与制造过程是较为独立的,即设计过程往往不能很好地兼顾产品的可制造性,由此导致设计出的复杂产品并不能被制造加工出来,造成了设计效率低下且返工引起的时间和经济成本的显著提高。针对这一现状,本文开展一类特定的宇航薄壁件产品的设计及可制造性集成技术研究,旨在提出的面向制造的产品设计方法,解决其中的设计与制造冲突问题,最后通过开发相应的原型系统得以验证此方法的可行性。研究具体内容和取得的创新成果包括:  
1.发展了考虑产品可制造性的典型宇航薄壁件的 DFX 方法。首先,构建了用于指导产品的整个生命周期内的设计的决策知识模型。其次,针对知识融合的 DFX 模型,考虑其 MAS 过程,发展了典型宇航薄壁件的多决策设计模型。以一个宇航典型零件(某接头)的缩痕缺点解决设计实例,显示了智能化的产品设计过程。最后,结合制造资源、过程、特征关系及对象模型细化了上述产品的设计模型,以此来满足其定制化设计制造需求。 
2.提出了一种面向可制造性的产品设计特征提取及重构方法。首先完成了对产品DFM 过程的特征信息进行分析,并给出了这对研究对象典型宇航薄壁件的设计特征的提取过程及实现方法;随后结合可制造信息发展了基于可制造信息的三维重构方法,其中包括设计特征和重构特征的求相交和整体三维重构的方法。最后为后续的 MAS 提供技术支持,结合薄壁圆筒件的冲压成型可制造过程构建了其决策分析方法,并发展了基于模糊数学理论的冲压工艺决策中存在的不确定因素分析模型,并给出一组具体的针对薄壁件设计的评价标准值。 
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇八

 
第1章 绪论 
 
1.1 课题背景及其研究意义 
舰船在行驶过程中难免存在零部件的损伤与脱落,随着舰船装备的快速化发展进程,装备保障成为一个重要问题。装备保障包括备件换用和损伤修复两种方式;但是仅从换件角度考虑,需要大量的备件,这与舰船有限的载重要求形成对立。因此,除了储藏装备常用损伤备件外,储备系列化零件毛坯和再制造修复零件加工成为舰船装备保障的关键内容[1]。因此,设计制造船用多功能数控机床成为目前国内舰船装备保障加工的重要内容。 目前,船用机床加工主要体现在两个方面: (1)民用船用机床方面  以 20 世纪 80 年代中期日本研发的多功能船用机床方案为代表[2],如图 1.1 所示,该机床的优点:具备普通车床、铣床、刨床和钻床的电动操作功能,结构紧凑,价格低廉,比较适合空间局限的船舶环境使用。缺点:机床防护功能差,新品维修的周期为 6 个月左右;不具备数控加工功能,只能解决常用工件的基本加工,加工精度低;不具备环境适用性要求,没有抗干扰能力和良好的防盐雾腐蚀功能;机床底座采用角钢与管钢焊接,抗振性能较差。  以美国海军舰队装备保障机床为代表,20 世纪 90年代美军就开始了 MPH(Mobile Parts Hospital)计划,如图 1.2 所示,保障性加工机床以日本的 MAZAK 加工中心为主[3]。该机床具备的优点:机床加工性能优越,具备 CAD/CAM 模块化兼容技术,能够较好地实现多品种损伤零件的加工要求。缺点:MAZAK 机床价格较高(400 万人民币左右)、要求操作技术高;同时,机床控制系统的安全性受制于供应商,并且机床不具备保障性操作功能和耐盐雾腐蚀的特有设计。 
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1.2 船用机床的耐波性 
船用机床与通用机床最大的区别是舰船的海洋波浪振动环境。研究表明[4-6]为了实现机床的抗振稳定性,对于加工精度 0.01mm 的中小型通用机床混凝土减振地基厚度 0.35m 左右;然而,船用机床只能通过螺栓与舰船甲板紧固连接,其运行环境直接关联于所在舰船的波浪振动特点。面对船用机床的工作空间、承载重量以及舰船波浪载荷的摇荡影响,船用多功能数控机床要求具备良好的耐波性和稳定性特点;并且船用机床结构的耐波性是其动态稳定性的主要指标。因为船用机床固定于舰船上,所以其耐波性研究与舰船耐波性研究具有一致性。舰船的耐波性是指舰船在风浪中能够保持足够的稳定性和结构强度,并具备安全航行的性能[7,8]。舰艇的耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境,以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力[9]。因此,船用机床的耐波性定义为:在波浪载荷引起的舰船振动环境下,机床具备极端振动环境的结构强度和可靠性,并具备在舰船适居性运行环境下的保障性加工能力。 根据波浪载荷对舰船运动的影响形式不同,可以分为波浪摇荡载荷和砰击载荷[7,10,11]。船用机床固定在舰船上,具备与舰船相似的波浪载荷运动特点,所以船用机床的摇荡和砰击分析成为机床结构耐波性动态性能的主要内容。 
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第2章 船用多功能数控机床总体技术
 
2.1 机床整体结构方案设计 
船用多功能数控机床的设计过程以功能适用性、经济性、可靠性和全生命周期为目标。为了实现上述目标,课题组基于可重配置的设计思想,以通用可靠的经济性数控机床 CK6136 和 XK7132 为结构基础进行设计,机床具备结构可靠性和生产低成本的特点。可重配置机床可以根据用户需求,选择相适应的结构功能模块进行设计,所以可重配置机床的设计与一般的模块化设计有较大不同。模块化产品均可按照模块化设计的基本原理进行设计,即将一种产品或系统分解成一些功能和结构独立的基本单元,然后按照用户的需求组合,以满足不同用户的需求。机床的可重配置设计与模块化设计不同,功能实现方式多样,具有多种可重配置形式[84,85]。按可重配置的规模划分,可分为全局可重配置和局部可重配置;按可重配置的方式划分,可分为同一模块多位姿可重配置和同一位置多模块可重配置。两类划分方式没有明确的界限,同一模块多位姿可重配置与同一位置多模块可重配置两种形式也可以同时存在于一台机床。根据舰船装备的保障性加工需求,船用多功能数控机床的需要具备车、铣、车铣、铣车、钻、铰等多种加工功能,其设计方案的可重配置结构如图 2.1 所示,主要特点见表 2.1。 图2.1表明船用多功能数控机床以局部可重配置和同一模块多位姿可重配置方案为主,便捷地实现了机床的铣削、卧车和立车功能。同时,采用的基于同一整体床身的铣床部件和车床部件使得多功能机床更加紧凑和复合化功能。并且车削主轴具备液压锁紧系统,能够实现机床的 C 轴功能;并且能够实现回转类零件的可靠装夹功能,解决了回转类零件的夹具设计与安装等问题。 
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2.2 机床关键运动副校验 
图 2.3 所示船用多功能数控机床具备铣削、车削、铣车和车铣功能。机床工作过程中具有铣削立柱的 Z2向移动,车削托板的 Z1向移动,铣削刀具和车削刀具的进给运动。在这些运动中,Z1和 Z2的导轨滑块分别承受立柱重力和托板重力的负载;在受到舰船摇荡力作用时,其动态稳定性受到的影响较大。 根据图 2.3 机床的结构特点可知:当机床横摇运动时,由于铣削立柱的重量以及 Z2滑块导轨运动副负载较大,因此 Z2滑块导轨运动副成为影响机床动态性能的主要部件。因为船用机床固定于舰船上,所以其横摇运动参数与所在舰船的横摇参数一致,表 2.2 为船用多功能数控机床所在舰船的主要参数。  
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第 3 章 船用多功能数控机床的模态分析 ........ 33 
3.1 模态分析原理 .... 33 
3.1.1 试验模态分析 ....... 33 
3.1.2 计算模态分析 ....... 34 
3.2 船用多功能数控机床的试验模态分析 ..... 35
3.3 机床结构的计算模态分析 ........ 41 
3.3.1 关键滑块导轨运动副受力分析与振动模型构建 ........ 41 
3.3.2 包含运动副接触特性的机床 FEM 模态分析 .... 45 
3.4 机床模态分析比较 ....... 47 
3.5 本章小结 ........ 48 
第 4 章 机床结构的波浪砰击特性研究 ..... 49 
4.1 波浪砰击载荷特点 ....... 49 
4.2 机床波浪砰击载荷的瞬态响应分析 ....... 53
4.3 机床砰击载荷的随机振动分析 .... 64
第 5 章 舰船摇荡环境对机床结构动态性能的影响 ....... 81 
5.1 波浪摇荡载荷特点 ....... 81
5.2 宏微耦合振动模型构建 .......... 84 
5.3 机床摇荡波浪载荷的谐响应分析 ......... 88 
5.4 本章小结 ........ 94 
 
第7章 考虑波浪载荷特点的机床切削动态性能研究 
 
机床切削过程动态性能主要受到机床工作环境、机床主轴系统、刀具以及工件特点的影响。船用多功能数控机床与传统机床加工环境不同,船用机床在舰船环境下加工时受到波浪载荷的振动影响。为实现船用机床的快速保障性加工要求,必须满足在舰船可适应区波浪载荷环境下机床正常运行的要求。同时,船用机床的加工是针对舰船多品种中小型零件的快速保障性加工,所以多功能数控机床加工动态性能研究以机床切削系统固有动态特性为基础,重点研究机床切削系统固有特性、常用加工材料和典型再制造保障性涂层材料的切削动态特性。 机床切削加工动态性能研究的重要内容是确定机床切削稳定性阈值,从而衡量机床的振动性能,并为合理的机床切削工艺参数制定提供借鉴。为了获得机床的切削稳定性阈值,需要研究机床切削颤振的特点。机床的切削颤振属于机床切削系统的自激振动,其振动形式剧烈,严重影响到机床主轴系统稳定性、刀具寿命。目前机床颤振研究表明[114-120]影响颤振的主要因素包括:工件切削工步交互影响造成的再生颤振,工件与刀具摩擦造成的摩擦颤振和切削系统不同部件固有振动交互影响造成的振型耦合型颤振。其中,由于再生颤振属于切削加工中经常出现的现象,并且该现象与切削工艺参数密切相关,所以再生颤振备受关注。但是,机床切削过程也伴随强迫载荷条件的影响,当强迫载荷达到或者接近机床切削系统的固有振动参数时,就会出现机床切削过程的混合型振动。研究表明机床切削的混合型振动主要以强迫再生振动、强迫再生共振和强迫再生颤振三种形式存在,其中,强迫再生颤振十分剧烈,往往造成严重后果,机床加工必须避免该现象。 基于上述分析,本章的主要研究内容为可适应区波浪载荷对机床的影响、机床切削系统的动态特性研究和机床保障性再制造涂层切削加工研究。 
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总结 
 
为实现舰船装备的中小型零部件快速保障性加工要求,课题组成功研制了适用于舰船环境的国内首台船用多功能数控机床。该机床采用可重配置技术,集成了卧式车削、立式车削、铣削、钻削以及复合加工的功能。船用机床与通用机床最大的区别在于舰船的波浪载荷振动环境,所以机床的可靠性和快速保障性加工性能成为船用多功能数控机床的关键内容。为此,本文研究内容包括机床总体技术、机床在舰船波浪环境下适用性、耐波性以及切削动态特性研究。 论文的主要研究内容和结论如下: 机床的固有模态是机床结构动态性能的关键内容,机床的模态参数是机床动态响应和切削动态分析的基础。为获得合理的机床结构固有动态特性,采用试验模态与 FEM 计算模态振型匹配计算的方法得到了机床前 6 阶固有模态参数。机床的模态参数为机床的耐波性分析奠定了基础,并且对机床切削动态性能的研究提供了指导。同时,分析结果表明本文提出的考虑关键运动副结构结合面的 FEM数值模型能够较好地体现机床的固有动态特性。 
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇九

 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题来源及研究目的和意义
随着我国城市化进程的加快以及人口老龄化现象日益严重,我国的劳动人口数量在逐步下降。因此,越来越多的生产作业被服务机器人代替以节约劳动力,优化资源配置。机器人联合会将服务机器人定义为一种半自主作业或全自主作业的机器,其服务让人类生存的更好并且能让其他服务设备工作的更好[1];德国技术与自动化研究所对服务机器人做了更具体的定义:服务机器人至少有三个运动轴,能够重复编程并自由移动,能够自主或半自主的进行工作。随着传感技术、控制技术、驱动技术以及材料技术的进步,在服务行业实现运输、操作及加工自动化已成为了现实。因此,在诸多新的领域,服务机器人开始了广泛的应用。从目前趋势来看,在不久的将来,服务业机器人的数量将会超过工业机器人的数量。目前,很多国家和研究机构都在研发应用于专门领域的服务机器人,如救灾机器人、家庭清洁机器人、医用陪护机器人以及监控机器人等。根据相关数据的统计[2],服务机器人的销售数量已接近 16 万台,价值约 35 亿美元。其中,家用服务机器人的销售数量约为 200 万台,销售额接近 7 亿美元;娱乐机器人的年销售量为 110 万台,销售额约 5.24 亿美元。据预测,到 2016 年,各种家用服务机器人(清洁、割草、擦窗等机器人)将达到 1550 万台,价值 56亿美元,各种娱乐休闲机器人将会达到 650 万台。这是一份市场份额巨大的蛋糕,尤其是家用智能清洁领域,已然引起众多生产厂商的极大兴趣。
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1.2 常见的结构设计方法
传统的结构设计大都是依靠经验或者参考类似产品来完成,虽然设计结果能满足使用要求,但是设计过程中具有一定的盲目性,设计出来的产品良莠不齐,普遍存在着成本高,原材料损耗大等缺点[3]。随着现代设计理论的不断发展以及计算机水平的提高,大量的功能型软件以及先进的设计方法开始发挥作用,现代设计方法主要有以下几种。CAD/CAE 技术:CAD/CAE 技术是一种计算机辅助设计方法,广泛应用于设计领域以及制造领域。它可以用快速、便捷、准确的方式帮助技术人员在产品研发中的各个阶段进行设计[4]。CAD/CAE 技术的广泛应用既可以缩短产品的设计周期又可以极大的提升产品设计的精确性和标准化程度。CAE 中最常见的方法就是有限元法,它集成了力学、数学以及计算机技术三大学科的特点,具有很完善的理论基础。它可以在虚拟环境下对设计的合理性进行验证并将验证结果作为设计的参考依据。采用这种方法能极大的缩短产品设计周期,产生很大的经济价值以及应用价值[5]。在设计工作中,技术人员综合运用 CAD/CAE 技术来解决设计中遇到的各个难题,对于绝大多数问题,CAD/CAE 技术都能给出很好的解决办法。在设计过程中技术人员首先画出机构的三维模型并施加相应的约束以及负载,观察运动上是否满足设计要求,有无运动学干涉现象,然后分析模型的应力状况,并采取相应方法对所受应力进行优化。
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第 2 章 总体设计方案
 
2.1 收集器移动方式选择
机器人的移动方式有很多种,常见的移动方式主要有轮式、履带式、足式、蠕动式以及螺旋式,不同的移动方式有各自的优点,视具体应用情况以及外部环境限制而选择相应的移动方式。轮式移动方式主要的优点是运动连续、平稳,缺点则是越过障碍物的能力相对欠缺。而且轮式移动方式的牵引力比较小,当遇到移动平面不平整时,会造成移动困难、倾斜等状况。履带式移动方式多应用于工作环境恶劣的情况下,其优点为牵引力大,抓地性好,翻越障碍物的能力尤为突出。此外,履带式移动方式对地面环境的适应能力很强。但是其缺点是体积大、不灵活。足式移动方式是一种模仿自然界生物行走的移动方式,其环境适应能力突出,可以翻越壕沟、攀爬台阶。其缺点主要是结构非常复杂,控制起来比较困难,而且移动速度比较慢,所以实践中难以得到广泛应用。螺旋式移动机构应用的范围比较窄,多用于各种管道中,如空调管道等环境中。其移动的动力主要来自于管道中的旋转摩擦,缺点是无法产生太大的动力,移动速度较慢。由于收集器要求移动灵活,转向方便,并且其工作环境比较固定,地面平坦,没有太多的障碍物,所以本文决定采用轮式移动方式。轮子数目的多少以及底盘平面的布置都会对车体的灵活性,准确定位以及导航产生很大的影响,因此,移动机构的设计应争取做到,控制方便,加工容易[15]。对于元件自动收集机构的移动方式主要有三轮移动,四轮移动两种方式。
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2.2 收集器外形选择
对于自动收集器的外壳形状,一般有两类选择,一种是长方形外壳,一种是圆盘形外壳。长方形外壳的主要优点是对于尺寸的控制比较灵活,尤其在宽度方面,可以通过调节两个半轴的长度使得收集器的宽度达到一个合理的值,从而使得收集器空间紧凑,但是缺点也很突出,首先由于机器要有传感器来采集周围的信息,方形的外壳不利于传感器的布置,对传感器采集信息的精度以及信息耦合处理有一定影响,其次,方形的外壳不易躲避障碍物,当遇到墙角,狭窄空间时,方形外壳容易被卡住,极大地限制了机器的灵活性;圆形外壳对于障碍物的躲避比较有优势,当外壳触及障碍物时,机器接到控制系统的指示,会主动避让,从而避免了被卡住的可能性。而且圆形外壳可以均匀布置传感器,对于控制系统有较大的帮助。综合上面的论述,论文将收集器外壳设计成前圆后方的形式,这样子既有利于障碍物躲避,又可以减少整体重量,避免浪费不必要的空间。
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第 3 章 驱动系统的设计.......12
3.1 驱动系统电机的选择.....12
3.2 POM 塑料齿轮疲劳强度的计算......13
3.3 基于遗传算法的减速器优化设计.........16
3.4 差速器的设计.........26
3.4.1 差速器简介.........26
3.4.2 对称圆锥齿轮差速器的齿轮设计.....28
3.4.3 差速器结构设计.........30
3.5 本章小结.........32
第 4 章 转向机构的设计.......33
4.1 转向机构简介.........33
4.2 转向梯形的优化设计.....35
4.3 转向机构的设计.....41
4.4 本章小结.........43
第 5 章 UG 环境下转向机构运动仿真..........44
5.1 运动仿真简介.........44
5.2 UG 软件及其运动仿真模块的介绍........45
5.2.1 UG 软件简介........45
5.2.2 UG 运动仿真模块介绍........46
5.3 转向机构的运动仿真验证.....48
5.4 本章小结.........52
 
第 5 章 UG 环境下转向机构运动仿真
 
运动仿真属于仿真技术的一种,它将三维模型按照合适的约束关系装配起来,并对装配体定义合适的运动副以及驱动,从而分析特定机构的位移、速度、加速度等运动规律[42]。本文的运动仿真主要是验证转向机构的最大偏转角是否符合设计要求,内外偏转角是否符合阿克曼转向原理,以及转向过程中是否平稳。
 
5.1 运动仿真简介
随着CAD/CAE技术的发展,运动仿真技术已经成为产品设计的有效辅助手段,在计算机上设计出产品模型并进行仿真,模拟机构的运行状态,既方便修改设计过程中的错误又可以缩短制造周期、减少设计成本[43]。运动仿真技术结合了运动学理论与仿真技术,其基本思想是按照机械原理的理论将机构转化成空间中的连杆、运动副以及相应的约束条件,通过确定各个构件的位置、速度、加速度以及运动范围的参数进行相应的分析和评价,并以此为依据进行设计方案的改进,从而达到理想的设计要求[44]。运动仿真通过定义各个运动件的约束来实现仿真过程,首先选定相应的运动构件并赋予其初始参数,然后定义这些运动构件的运动关系,使得这些运动构件能够按照运动学上的规律进行动作从而完成运动仿真。用于运动仿真的软件很多,其中最常见的是ADAMS解码器,其可以用于多种机械系统的仿真[45],在运动仿真中一般要定义四种基本元素[46],分别为构件、力、力元以及驱动。其中构件可以定义为柔性构件和刚性构件两种,两者的区别是在外力作用下,构件的形状是否发生变化;力元代表了力的类型,驱动则是各种机械原理上的运动副。
.......
 
结论
 
引脚元件自动收集器由结构部分和控制系统组成,本文负责设计收集器的结构部分。通过借鉴类似产品的设计经验以及从控制成本、降低控制系统难度的角度出发,设计中采用磁铁吸附磁性元件的工作方式并采用单电机后轮驱动,前轮转向的移动方案,由此本文着重对驱动系统和转向机构进行了设计。
(1)本文根据实际需要,对驱动系统的体积进行了优化。本文建立了基于罚函数法的二级减速器体积最小模型,并利用 MTALAB 软件编写遗传算法程序进行优化求解,最后得到减速器体积最小时的相关参数。为了满足收集器在转向过程中平稳行驶的要求,本文添加了差速器部件并对差速器的结构进行了设计,将差速器置于大齿轮中,此种设计既充分保证了收集器差速行驶的功能又节约了体积。
(2)在转向机构的设计中,为了保证收集器转向时的平稳行驶以及减小转向过程中的附着摩擦力,本文参考阿克曼转向原理设计了梯形转向机构,建立了内侧车轮理论转向角和实际转向角之差最小值的数学模型,利用 MTALAB 软件编写程序进行优化求解,得到了转向梯形的最佳臂长及底角,并利用 MTALAB 软件编程画出最优解状况下的内侧车轮理论偏转角和实际偏转角对比图,为后面的运动仿真提供对比依据。
(3)本文在最后利用 UG 软件的运动仿真模块进行了转向机构的运动仿真,仿真结果证明,转向机构能满足 25°转向角的设计要求,并且转向机构在转向时,内外车轮转向角符合阿克曼转向原理。本文通过分析有关部件的运动位移变化情况,可知转向机构工作平稳。
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参考文献(略)
 

专业工程硕士论文精选篇十

 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
交通运输是关乎国民经济发展的基础产业,也是衡量一个国家和民族经济实力、综合实力以及现代化技术水平的重要标志之一。根据目前交通运输路面的使用现状来看,沥青路面在诸多方面优势明显;在沥青路面上,车辆行驶平稳、舒适、震动小、噪音低、磨耗较小,且沥青路面维修方便,开放交通所需时间短,因而被广泛采用于各级公路施工中。据不完全统计显示,现阶段的所有重要路面(包括国道、省道、一级公路、二级公路等)中 90%左右路面为沥青路面,而且随着经济的发展、公路覆盖率的增加以及沥青路面本身良好的路用性能,这个比例还将会有一定幅度的提升[1]。在我国国民经济迅速发展的今天,随着交通车辆通行量越来越大、车辆轴载迅速增长、车速不断提高,沥青路面发生的质量问题也随之增多;例如有些路面前修后坏,有些路面使用寿命达不到设计年限等[2]。交通流量和车辆负载日益增大,因此为保证沥青道路的使用寿命和路用性能(整体强度、水稳性、平整度等),对沥青路面施工技术和沥青混合料的质量提出了越来越高的要求。沥青路面的质量与路用性能主要取决于两大方面,第一是沥青混合料成品的质量,第二是沥青混合料的摊铺技术。沥青混合料是主要由粗集料、粉料、沥青、填充料等材料混合而成同时具有一定温度的复合材料,根据路面的等级要求,还可加入一些诸如聚合物、木纤维等特殊材料;由不同种类和比例的材料拌和而成的沥青混合料具有不同的结构、力学特性及使用性能[3]。沥青混合料成品的拌和是在沥青混合料拌合站完成的,因此沥青混合料拌合站从生产源头上决定了沥青混合料的质量,从而对沥青路面沥青层性能的好坏有着最直接的影响。
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1.2 沥青混合料拌合站的研究与发展现状
根据工作原理与工艺流程的不同,沥青混合料拌合站可分为连续式和间歇式两种类型[5]。(1)连续式沥青拌合站。连续式沥青混凝土拌合站也称为滚筒式拌合站。连续式沥青混合料拌合站在冷骨料的级配控制、称重计量及烘干加热三个方面的工艺流程与间歇式拌合站相似,但在生产原理与整体结构上两者仍有较大的不同。连续式沥青混合料的拌和工艺流程如下:结合连续式沥青混合料拌和工艺流程及其在施工中的使用状况,可知该拌合站有如下几个优点[6]:①能耗低,生产效率高。连续式滚筒沥青拌合站电能总装机功率不到200 KW ,生产每吨成品料所消耗的燃料相较于间歇式沥青拌合站而言要少20%~30%。由于连续式拌合站在生产过程中加料、搅拌、出料这 3 个生产环节都是连续进行的,因此生产效率较高。同时在骨料进入搅拌机的过程中,各级别骨料在其料流的不同截面上分布均匀,骨料层的厚度较小,故而混合速度较快,搅拌后的均匀度也较高。②空间与时间上的连续性。空间上的顺序可以根据生产需要灵活配置各级别物料的添加位置,而时间上的工序同步是提高生产效率的不二法门。这也是连续式沥青混合料拌合站相比于间歇式较为明显的优势。③旧沥青路面再生料利用率高。连续式沥青混凝土拌合站对于旧沥青路面再生料的利用能力要远高于间歇式沥青混凝土拌合站,这也是连续式沥青混合料拌合站在美国和欧洲交通建设市场占据明显优势的主要原因之一。
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第二章 标定过程的设备优化
 
2.1 冷骨料供料流量分析
对标定过程的控制主要体现为对冷骨料供料流量的控制。冷骨料供料时,若将冷骨料的体积流量作为因变量来处理,则影响其变化的自变量即为冷料仓出料口的高度(下文简称为斗门高度)与集料皮带驱动电机的转速;在控制系统中,为明确系统的控制目标,同时为保证控制精度和控制的可行性,需对上面两个自变量进行研究和分析。对冷骨料的体积流量进行分析时,需考虑沥青混合料拌合站中冷骨料的配料系统和供料流程。通常情况下,目前间歇式沥青混合料拌合站中冷骨料储存仓(简称冷料仓)呈倒置漏斗状,下端直接与集料皮带相承接,如图 2.2 所示。冷料仓出料端与集料皮带运行方向相同的一侧称为出料口,可上下调整其开口高度,从而可控制冷骨料供料时的流量;出料端的另一侧则固定不动,发挥固定挡板的作用。在冷料仓进行冷骨料的供应时,为尽可能地改善由于物料颗粒之间、物料颗粒与料仓侧壁之间摩擦所造成的出料困难现象,通常将冷料仓底部设计为梯形,同时出料方向应该从冷料仓底部的小端流向大端。
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2.2 冷料仓自动斗门设计
经研究,冷料仓自动斗门的结构组成方式不止一种,如齿轮齿条机构、连杆机构、凸轮机构等[16];考虑到冷料仓斗门高度的调整范围及要求的调整精度,经过对比分析发现利用直齿轮齿条机构与步进电动机配合的方式实现对冷料仓斗门高度的控制较为方便。因此本文提供一种理论上可行的自动斗门设计方案,控制过程为:控制器→步进驱动器→步进电机→齿轮齿条机构(齿条机构与斗门焊接在一起),自动斗门的组成为步进电机和齿轮齿条机构。由于本文中对自动斗门的优化是在现有设备上进行,而标定时自动斗门在提升过程中仅受到斗门挡板自身的重力和斗门导轨的摩擦力,因此不再进行受力分析,主要对步进电机进行选型以及给出齿轮齿条结构参数。步进电机是机电一体化系统重要组成设备之一,它与普通电机最主要的区别是步进电机能将电脉冲信号转变成线位移或者角位移;步进电机常作为开环控制系统中的执行元件,它能够同时完成两个控制任务,即传递转矩和控制角位移或速度。在非超载的工况下,步进电机的转速与停止位置仅取决于接收到脉冲信号的数目和频率,负载是否发生变化对它的运行并无影响;即给步进电机施加一个脉冲信号,电机就会转过一个步距角[17]。
........
 
第三章 自动标定系统控制方案的确定..........33
3.1 自动标定系统的控制过程与要求 .......... 33
3.2 自动标定系统控制方案的确定 ....... 34
3.3 斗门高度的调定控制 ......... 38
3.3.1 步进电机控制系统 ......... 38
3.3.2 PLC 对步进电机的控制方案....... 39
3.4 变频器调速控制方案 ......... 40
3.5 PLC 与皮带秤计量系统连接 ....44
3.6 本章小结.........46
第四章 自动标定系统硬件设计.........47
4.1 自动标定系统的控制组成.........47
4.2 控制系统 I/O 口的分析与分配 ........48
4.3 PLC 中央处理器和触摸屏选型 .......50
4.4 标定系统控制参数设置......55
4.5 操作台设计.....61
4.6 PLC 抗干扰设计 ..........62
4.7 本章小结.........64
第五章 自动标定系统软件设计.........65
.1 PLC 控制原理 .......65
5.2 自动标定系统的软件设计.........68
5.3 触摸屏界面设计 .......... 74
5.4 关于标定曲线的几点说明 ........ 78
5.5 本章小结 ........ 82
 
第五章 自动标定系统软件设计
 
前面主要分析了自动标定系统的控制过程,以及各个控制子系统的控制方案、硬件选型、通讯方式以及控制参数设定,本章将对自动标定系统的控制程序进行设计。
 
5.1 PLC 控制原理
 
5.1.1 PLC 的工作原理和执行方式
PLC 工作全过程包括 3 个部分,分别为通电处理、扫描过程和错误处理;其工作方式为连续且循环的顺序扫描,一次完整的连续循环扫描所用时间即称为一个扫描周期,其量级通常为毫秒级。PLC 正常运行时对用户程序的扫描严格地按照从上到下、从左到右的顺序进行,逐条对程序指令进行读取,当程序最后一条指令读取完成时,即完成了一次扫描循环,而后返回到程序的首条指令并按照规定顺序重新扫描,开始第二次扫描循环。根据 PLC 的工作原理以及工作特性可知,PLC 的工作方式为循环扫描,在执行控制程序时每次只驱动一个操作单元,按照程序中的指令顺序对多个操作单元进行依次驱动。PLC 控制系统与其他控制方式的控制系统类似,系统的硬件电路连接以及各输入/输出端口的正确分配是系统控制程序正常运行的关键;控制程序都要对输入信号进行运算、处理等,并据此发送输出信号,因此结合 PLC 运行时一个扫描周期的划分。
........
 
结论
 
本文对目前国内间歇式沥青拌合设备常用的人工标定方法进行了分析,并以此为理论基础,提出了一种基于 PLC 的自动标定系统。本文主要得到了以下几点结论:
1、对标定设备作了适当的优化,完成了冷料仓出料口自动调节装置(自动斗门)的设计,确定了标定过程基于电子皮带秤的皮带称量系统;通过对变频器工作特性、负载特性的研究,得出了集料皮带驱动电机在标定过程中的最佳转速比范围内。
2、通过研究间歇式沥青混合料拌合站的标定过程,经过综合对比与分析设计了以PLC 为控制核心、以 HMI 为上位机的自动标定系统控制方案;同时确定了冷料仓自动斗门高度调定子系统、集料皮带驱动电机调速系统和皮带称量子系统的控制方案。
3、通过研究自动标定系统整体及局部控制方案,完成了 CPU 和 HMI 的选型,并设计了硬件电路的连接与通信方式;根据自动标定系统的控制要求,完成了标定过程控制参数的设定。
4、完成了自动标定系统控制程序和触摸屏操作界面的设计,通过设定标定系统的控制参数,得到了冷骨料供料时的“重量流量—电机转速”标定曲线,进而确定动态标定过程中集料皮带驱动电机的转速。
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参考文献(略)

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