旋流驱动微粒转动的性能与实验

分析了旋流产生的机制及其驱动微粒运动的机理,建立了颗粒在旋流中的力学模型。以微米级的颗粒(几微米到几百微米)为例,分析了两支微管对向喷射所产生的旋流场的特点和颗粒在旋流场中的受力情况以及运动特点和运动规律。讨论了颗粒的尺寸、形状、位置变化对其旋转性能的影响,并通过实验验证了提出方法的可行性。分析和实验表明:两支平行微管相对喷射可以产生旋流,旋流可以驱动颗粒在其流场内稳定旋转。颗粒在旋流场内的运动性能与流场参数和微粒的形状、尺寸、偏心有关,减小颗粒的初始位置的偏心,减少公转成分,有利于颗粒姿态的捕捉和调整。即使颗粒参数变化,合理匹配流场参数,提出的方法仍然可以可以稳定地驱动颗粒转动。     

基于微流体的微粒捕获与移动

微粒的捕获与移动广泛应用在生物工程、医药、微装配、化学分析、材料性能评定等各个领域。基于微流体提出一种新型微粒捕获与移动方法:通过对向放置在微粒两端的微管,向微粒喷射流体,形成流场;利用流场在微粒表面形成的压力包容面来捕获﹑挟持微粒,实现微粒的捕获与移动。以微米级微粒为例,详细分析微粒捕获与移动原理,通过仿真讨论颗粒捕获和把持的流场条件,解析微流体捕获、移动颗粒的动态过程,并通过试验证明建立模型的正确性和提出方法的可行性。研究和试验结果表明,通过两支微管对向喷射流体可以捕获和移动微粒。根据微粒的大小,溶液的黏度等参数,合理匹配流场参数,提出的方法可以捕获和移动任意尺寸的微粒,并可以使其按照微管移动方向,控制微粒做定向、定量运动,实现无接触地微粒的位置控制。     

细胞注射微针的流动特性研究

讨论了细胞微针内流体特性对细胞定量注射的影响，对不同尺寸的微玻璃针进行了临界喷射流动状态和流动特性的实验研究，取得了微玻璃针临界喷射状态的几何条件及能量条件等实验数据。实验结果表明，微玻璃针在临界喷射状态下实验数据符合流体静力学理论，在流动状态下实验数据与宏观尺度下流体动力学理论有偏离。     

微流体运动的试验研究

微流体运动特性研究是微流量控制系统设计和性能完善的基础。本文对微管道流体运动进行了分析,采用液面图像显微观测研制的微流量测量系统可以对微流体运动的有关参数进行方便、较精确的测量。进行了以去离子水和直径为φ24～8μm直圆管为对象的试验,并对试验结果进行了分析。     

基于Flow simulationt的燃油喷射系统的流场数值模拟分析

针对燃油喷射系统在通用型小型汽油机的研发过程中壳体形状的设计问题,改进了节气门的流场结构和形状的设计情况。总结了燃油喷射系统的研发过程,结果表明,燃油喷射系统的压力分布是不均匀,靠近壳体的相对压力较大;燃油喷射系统的温度分布是由中心向边缘逐渐降低;燃油喷射系统的流体速度分布也是不均匀,越壳体其速度越快。     

微磨料空气射流加工特性研究

通过微磨料空气射流加工普通平板玻璃的试验研究,分析了加工时间、空气压力、磨料流量、喷射距离、喷射角度、磨料种类、喷嘴结构和尺寸等加工工艺参数与微磨料空气射流加工的材料冲蚀率及玻璃表面冲蚀加工凹坑尺寸（凹坑直径和凹坑深度）之间的关系,得出了这些工艺参数对微磨料空气射流加工效果的影响规律。结果表明：喷射距离对材料冲蚀率和冲蚀凹坑的尺寸影响最大,存在一个可以获得最大冲蚀率和加工深度的最佳喷射距离;喷嘴的形状、尺寸和喷射角度的不同直接改变加工凹坑的轮廓,是影响微磨料空气射流加工轮廓结构形状的关键因素。     

微流体离散点样技术

提出一种制作高密度DNA微阵列的非接触式点样新方法。压电陶瓷低频微振动使得微流体产生均匀的离散和喷射；对微喷嘴内壁进行疏水化处理，从而消除微流体由于湿润作用在微喷嘴内部的自发性流动，使得微喷射具有数字化量可控的特征。通过微流体粘度控制、微喷射速度和微喷射距离的控制消除样点缺陷，获得了均匀的点样样点。通过微喷嘴几何尺寸控制和驱动频率控制获得从飞升到皮升级样点体积，可以用于制作高密度的微阵列。惯性力在微米尺度下仍然起主导作用，可以驱动微流体中微粒的移动，消除微喷嘴堵塞现象。     

电驱动微流体粒子图像测试系统

为了研究微米量级管道机械特性对小雷诺数流体运动传质机理的影响,建立了电驱动微流体粒子图像测试系统,系统包括倒置荧光显微镜、致冷图像传感器、微流体驱动高压电源及微流场位移矢量识别算法.通过实验测试及理论分析给出了系统的关键技术参数;通过测量示踪粒子表面电荷特性,以消除粒子电泳运动对电驱动流体PIV方法产生的测量偏差;测量了水力直径为30μm微管道中电渗流场,测量结果与理论分析的塞状流型一致;分析了布朗运动、粒子电泳运动以及相关算法误差,对粒子图像测速方法不确定度的影响.     

单进口压力漩流喷嘴雾化半角仿真计算研究

在分析单进口喷嘴与多进口喷嘴内部流场特点的基础上,针对航空发动机单进口喷嘴流场空间上不对称,时间上不稳定的特点,采用空间各点平均和多时间点平均的方法改进雾化半角的计算方法,给出了一种计算单进口小型压力漩流喷嘴雾化半角的数学模型。在判断喷嘴内部流场状态的基础上,采用CFD流体仿真软件计算喷嘴内部流动参数,得到喷嘴出口速度分布,结合改进的雾化半角计算方法,总结喷嘴结构尺寸对雾化半角的影响规律。计算结果表明:雾化半角随出口长度、漩流室长度的增加而减小,随出口外倒角的增加而增加,但是各参数对雾化半角的影响存在不同的特点:当出口长度较小时增加出口长度雾化半角迅速减小,而当出口长度较大时这种减小趋势较缓慢;漩流室长度对雾化半角的影响基本呈线性;出口倒角在10°～20°之间时对雾化半角的影响较大。     

结构化表面环境下软磨粒流的流场数值分析

为了研究模具结构化表面环境下软性磨粒流的流场加工特性,应用单颗动力学模型(SPD)通过数值模拟求解了颗粒在不同形态的湍流场中的运动特性.以U形流道为例,利用N-S方程、湍流的Realizable(k-ε)模型以及压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,求解了软性磨粒两相流场中流体的速度、压力等特性参数;接着利用S...     

基于视觉和扩展卡尔曼滤波的位姿和运动估计新方法

估计两参考坐标系之间的相对三维位姿和相对运动 ,对机器人导航、机器人装配、测量、跟踪、目标识别和摄像机定标来说是一个非常重要的问题。用八元数来表示摄像机和运动目标两坐标系之间相对平移和旋转 ,在假设运动目标的三维几何尺寸已知 ,且摄像机和运动目标之间的相对运动为匀速运动的情况下 ,由单个针孔摄像机获取运动目标的图像并测量其图像中的线特征点。由于旋转部分用四元数表示 ,状态转移函数是非线性的 ,测量函数由三维坐标变换和针孔摄像机模型所决定 ,存在严重的非线性 ,常规的卡尔曼滤波方法不适合 ,这里以扩展卡尔曼滤波方法作为数学模型 ,对状态转移函数和测量函数进行线性化后 ,对摄像机和运动目标之间的位姿和相对运动进行了估计 ,仿真结果表明 :该位姿和运动估计算法具有良好的收敛性     

Workspace analysis of 3-CPS parallel micro-manipulator for mirror active adjusting platform

In order to adjust telescope mirrors with high precision, a 3 cylindrical-prismatic-spherical (CPS) parallel micro-manipulator with 6 degrees-of-freedom (DOF) and partial decoupling is proposed. Structure characteristics of the micro-manipulator were analyzed and the kinematic equations were derived based on Euler method. To avoid tedious derivation, Jacobian matrix with screw theory representing the input and output relation of micro-manipulator is established by using velocity influence coefficient method. Combining topological structure characteristics of the 3-CPS parallel micro-manipulator, the solving procedures of workspace are obtained. Moreover, the position workspace with a given orientation and the orientation workspace with a given translation position are constructed by numerical simulations. The workspace range is chosen as the optimization goal of structure parameters, and the circumcircle radius ratio of base and moving platform and the lengths of each sub-link are optimized. The maximum condition number and the minimum singular value are chosen as the precision indexes to analyze the precision performance of the workspace. Then, the properties of the position workspaces with various orientations and the orientation workspaces with various positions are simulated numerically, and the simulation results prove that the 3-CPS parallel micro-manipulator has an ability to achieve high precision operations. This research provides a workspace modeling and optimization method for the practical application in telescope mirror adjustment or other fields requiring high precision.     

旋流片对喷嘴流场特性影响的数值研究

以水为流体介质,建立了旋流喷嘴的计算流体动力学模型.通过调整旋流喷嘴旋流片的螺旋升角和通流面积等结构参数,对喷嘴雾化的压力、速度场进行计算,推导了喷嘴的雾化角,从而研究旋流片对喷嘴流场特性的影响.将数值模拟的结果与试验结果进行对比,两者基本吻合.验证了数值计算方法的正确性,对旋流喷嘴的设计具有指导意义.     

闭环双驱动混合输出六自由度并联机构运动分析

提出一种分支含闭环双驱动单元、可实现混合输出的六自由度并联机构。分析了动平台混合运动时驱动分支的等效形式,以及独立位姿运动和振动时驱动分支的等效形式;分析了混合运动关于位姿运动输入和振动输入的位置反解,对振动输入的位置反解设计了基于机构运动特点的逐次逼近法;运用螺旋理论求得动平台混合运动时关于全体12个独立广义坐标的一、二阶影响系数,得到从广义输入到动平台旋量速度、加速度的线性映射;通过数值算例分别对位姿运动输入和振动输入的理论分析结果进行了验证,算例仿真表明,提出的两种双驱动输入分配计算规则均能得到确定的混合运动输出。     

一种可重构、部分运动解耦的空间n维平移1维转动并联机构的拓扑及其运动学设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出了一种动平台可重构的三自由度并联机构RPa3R-R+RSS。对该机构的运动输出特性进行分析,表明该机构动平台能产生空间n维平移1维转动（nT1R,n=2,3）的输出运动且具有部分运动解耦性,通过动平台的重构可赋予动平台的转动绕3个特定转动轴x、y、z输出;计算了机构的自由度和耦合度;基于序单开链的运动学建模原理,建立了该机构动平台绕任意转动轴输出构型下的通用运动学模型;对动平台绕z轴转动输出构型下的运动学进行了分析,包括位置正反解、工作空间形状与大小、动平台转动能力、机构的奇异位形条件,以及机构的速度和加速度计算与仿真分析。     

基于数值模拟的捞雷具水射流切割系统参数设计

捞雷具水射流切割系统设计参数的选取对射流系统性能有很大影响,文中采用标准紊流模型,对轴对称淹没水射流撞击靶件的流场进行了数值模拟,分析了射流出口速度、射流出口角度等参数对射流冲击力的影响。数值模拟获得的计算结果较好地体现了淹没冲击射流流场的规律,为捞雷具射流切割系统设计参数的选取提供了依据,并可为相关射流系统的设计提供参考。     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

Solving inertial wrench of parallel manipulators using CAD variation geometry

It has been a significant and challenging issue to solve the inertial wrench of parallel manipulators (PMs) for their dynamics analysis and control. A CAD variation geometry approach is proposed for solving the inertial wrench of PMs. First, an initial simulation mechanism of PM, and a simulation mechanism of PM with linear/angular velocity and acceleration are created. Second, when modifying the driving dimension of the active legs, the simulation mechanisms are varied correspondingly, the position, linear/angular velocity and acceleration of moving platform and legs, and inertial wrench of moving platform and legs are solved automatically and visualized dynamically. Third, a 3-DoF PM is illustrated, and the displacement, linear/angular velocity and acceleration, and inertial wrenches of the moving platform and legs are solved using CAD variation geometry and are verified by the analytic solutions. Finally, inertial wrenches of the legs are transformed onto the moving platform.     

基于SimMechanics的三自由度并联打磨机构动力学分析与仿真

针对一种新型三自由度并联打磨机构进行了运动学和动力学分析,并借助于MatLab/SimMechanics 工具箱的系统动态建模功能,搭建了一精确的仿真平台.结果表明:当并联打磨机构末端受广义力矢量作用时,在仿真平台上对系统进行Lagrange方法的动力学仿真分析,示波器跟踪动平台中心点的位置、速度及加速度,从而获得驱动...