上海交通大学学报

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多腔体气动软体致动器的建模与仿真

徐齐平, 刘锦阳

2020,54 (6): 551-561.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.041

摘要 ( 1025 )

PDF(11543KB) ( 498 )

气动软体致动器在工程领域具有广阔的应用前景，以前主要采用梁、杆等简单模型对其进行整体变形研究，与刚性材料的硬接触不同，如何对软体致动器的软接触建立准确的力学模型并对其整体构型和应力分布进行分析仍是个具有挑战性的难题.本研究针对多腔体气动软体致动器相邻两气腔之间的软接触问题，提出了一种新的建模方法.本力学模型综合考虑气腔结构的复杂性、几何非线性和材料非线性，采用多点接触的面-面接触方法，解决了不考虑接触时相邻两气腔之间的相互穿透问题，适用于大变形柔软体结构的分析.与传统的梁、杆等模型相比，本模型既提高了模拟整体变形的精度，又能够准确描述气腔结构内部的应力分布规律.对多腔体气动软体致动器的仿真结果表明，相邻两气腔之间的软接触对其大变形影响显著.最后，对软体四爪机构抓取圆柱体的整个过程进行了准静态研究，详细阐述了整体构型变化和Mises应力分布情况，结果显示接触区域应力达到最大值.本研究对软体致动器的力学特性分析和优化设计具有一定的理论指导意义.

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仿生时延放大系统的设计及特性分析

张雅琼, 于丰宁, 塔娜, 饶柱石

2020,54 (6): 562-568.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.085

摘要 ( 890 )

PDF(1486KB) ( 404 )

为了有效放大小孔径阵列接收信号间的时间差，提高其定位能力，设计了一个多输入多输出的时延放大系统.首先，对生物耦合结构的二自由度力学模型进行了高维扩展，并对耦合参数与时延放大的关系进行了深入研究；然后，基于高维耦合的力学模型，通过算法的形式实现了一个多输入多输出的时延放大系统，系统参数可根据声源频率进行灵活地调节，从而精确地控制时延放大倍数.实验结果表明：该系统可用于实现小孔径阵列接收信号间的时延放大，改善其定位精度.

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基于测点优选和改进L曲线法的动载荷识别

李晓旺, 赵海涛, 陈吉安

2020,54 (6): 569-576.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.016

摘要 ( 851 )

PDF(1550KB) ( 344 )

在载荷识别研究中，为克服不适定问题，提出分两步降低传递函数的病态性以及削弱噪声的影响.首先，依据传递函数的条件数通过理论计算获得结构响应的最佳测点组合，并得出病态程度最低的传递函数矩阵；然后，采取Tikhonov正则化方法反演输入载荷，在反演过程中引入B样条函数对L曲线进行插值，以获得更加精确的正则化参数.仿真结果表明：该方法能够有效减小载荷识别的误差，识别出更加准确的载荷时间历程.

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圆形非光滑表面叶片对离心泵空化特性的影响

牟介刚, 章子成, 谷云庆, 施郑赞, 郑水华

2020,54 (6): 577-583.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.070

摘要 ( 983 )

PDF(6552KB) ( 324 )

为了提高离心泵的抗空化特性，基于仿生学原理，在离心泵叶片最容易发生空化的吸力面处布置圆形仿生非光滑表面结构.采用数值模拟方法分析不同直径的圆形非光滑表面叶片的离心泵在不同空化余量下的外特性、空泡体积、湍动能及压力分布特性，研究圆形非光滑表面叶片对离心泵空化性能的影响.结果表明：圆形凸起直径为0.5mm和1.0mm的圆形非光滑表面叶片离心泵的扬程、效率较高，接近光滑表面叶片；在严重空化时，圆形凸起直径为1.0mm的离心泵空泡体积最小，其叶轮中截面低压区小，压力梯度大，叶片吸力面近壁面处湍动能增加，使得分离引起的压差阻力减小，对空化产生较好的抑制作用.

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基于非侵入式混沌多项式法的随机阻曳流CFD模拟不确定度量化

夏立, 邹早建, 袁帅, 曾智华

2020,54 (6): 584-591.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.062

摘要 ( 977 )

PDF(2668KB) ( 311 )

比较了计算流体动力学不确定度分析中的验证与确认方法和不确定度量化方法之间的区别.介绍了一种最新的不确定度量化方法——非侵入式混沌多项式法，并应用该方法和传统的蒙特卡洛法分别对二维随机阻曳流进行不确定度量化，其中蒙特卡洛法选用了随机采样法和拉丁超立方采样法两种方法.研究了当进出口压力为服从均匀分布的随机变量时所引起的流动的不确定性.研究结果表明，应用蒙特卡洛法进行不确定度量化时，随机采样法和拉丁超立方采样法效果差别不大；混沌多项式方法相较于蒙特卡洛法可以更高效地模拟不确定性在流场中的传播.

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无线携能通信中基于时间反演的能量效率优化

陈善学, 刘祚粮, 李方伟

2020,54 (6): 592-598.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.080

摘要 ( 812 )

PDF(760KB) ( 284 )

针对无线携能通信(SWIPT)中的能量效率(EE)优化问题，考虑在满足一定通信服务质量和收集能量的条件下，通过一种基于时间反演(TR)的优化算法最大化系统的EE.首先，将TR引入SWIPT中构建新型的传输方案，并分析EE的闭合表达式.其次，对问题进行规划和分析，发现该优化问题是一个二元分式非凸规划问题，需要进行数学变换将其转化为凸优化问题.最后，通过Dinkelbach算法和CVX得到问题的解.仿真结果表明：解码噪声功率、最大发射功率及信噪比增大时，优化后的EE也会增大，且在满足约束条件时，基于TR的优化算法能够明显增大EE，提升系统性能.

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计算周期序列k-错线性复杂度的混合遗传算法

牛志华, 苑璨, 孔得宇

2020,54 (6): 599-606.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.99.006

摘要 ( 800 )

PDF(832KB) ( 203 )

周期序列的线性复杂度及其稳定性是序列密码评价的重要度量指标.k-错线性复杂度是线性复杂度稳定性的一个重要评价指标.然而，目前对于大部分周期序列(除周期为2n、pn、2pn外)，尚无有效的算法求解其k-错线性复杂度.因此，本文提出了一种混合的遗传算法来近似计算任意周期序列的k-错线性复杂度.采用轮盘赌、最优保留策略、两点交叉和单点随机变异，并引入自适应算子来调整交叉概率和变异概率，以保证遗传算法的收敛性.通过并行计算适应度函数来提高算法的效率，同时与模拟退火算法相结合，加速算法收敛并避免早熟.结果表明：当k<8且周期小于256时，k-错线性复杂度的实验值仅比精确值高8%.

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臂载线结构激光手眼矩阵的精确标定——多坐标系转换法

经小龙, 胡源, 郭为忠

2020,54 (6): 607-614.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.033

摘要 ( 1193 )

PDF(4878KB) ( 515 )

针对臂载线结构激光手眼结构的标定问题，提出一种多坐标系转换法.该方法借助激光跟踪仪和标定物，测量末端连杆和线激光坐标系相对于激光跟踪仪的齐次变换矩阵，从而快速计算线激光坐标系相对于机械臂末端连杆坐标系的手眼矩阵.该方法具有操作简便、误差小、精度高、对实验器材没有严格要求等优点.使用移动-转动-移动(PRP)三自由度机械臂进行手眼矩阵标定实验.实验结果表明：手眼矩阵旋转轴测量误差小于0.001，旋转角度误差小于0.07°，位移矩阵误差小于0.25mm.该方法适用于任意二自由度及以上的机械臂与二维或三维传感器形成手眼结构的手眼矩阵标定.

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主从机械手遥操作双边自适应阻抗控制策略

张建军, 吴中华, 刘群坡, 王红旗, 刘卫东

2020,54 (6): 615-623.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.184

摘要 ( 1308 )

PDF(1067KB) ( 428 )

在主从机械手遥操作实现力、位移协同一致跟踪控制过程中，存在着机械手关节摩擦以及外部不确定干扰引起的模型不确定的问题，针对此问题提出了双边自适应阻抗控制策略.通过设计两种非线性模型参考自适应控制器，设计基于滑模函数的鲁棒自适应控制律补偿机械手模型不确定误差；利用自适应律估计外界干扰的上界，保证了主从机械手闭环动态方程与参考阻抗模型动态方程相一致，实现了主从机械手末端对参考阻抗模型输出的期望位置误差渐进收敛于零.通过李雅普诺夫函数证明了跟踪性能与全局稳定性，在MATLAB/Simulink平台上实现了二自由度机械手遥操作仿真实验.结果表明：整体控制在模型不确定及外部干扰条件下具有很好的力-位置跟踪渐进收敛能力，整体系统具有稳定性和较高的透明性，并且具有鲁棒性及较小的稳态误差，具有自适应控制能力.

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考虑人力资源排班的资源受限项目调度问题建模与优化

朱宏伟, 陆志强

2020,54 (6): 624-635.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.134

摘要 ( 1108 )

PDF(1555KB) ( 328 )

针对实际生产系统中人力资源以排班的形式进行生产活动的情况，提出考虑人力资源排班的资源受限项目调度问题，以最小化项目工期为目标建立了问题的数学模型.由于串行调度在传统任务列表编码对应的解空间下难以获得较优解，本文借鉴车间调度中析取弧的概念，提出了一种改进任务列表编码方式，通过在任务之间添加析取弧的方式扩大算法的搜索范围.此外，为提升遗传算法的局部搜索能力，在改进任务列表编码基础上设计分支定界搜索框架，对遗传算法得到的染色体进行分段深度搜索，并设计支配规则降低算法计算时间.结果表明：内嵌分支定界搜索框架的遗传算法能够提高求解质量，而设计的支配规则能有效降低算法的运算时间.

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多旋翼无人机遥操机械臂多功能仿真实验平台的设计与实现

马仲航, 张执南

2020,54 (6): 636-642.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.374

摘要 ( 1359 )

PDF(5480KB) ( 477 )

为提高无人机遥操抓取的稳定性，需设计和验证无人机空中遥操控制算法.建立空中遥操机械臂整体动力学模型，基于Virtual Robot Experimentation Platform (V-REP)软件的二次开发，实现对机器人系统的动力学精确描述和可视化仿真.在此基础上，提出基于质心采集和运动学逆解的无人机增稳-抓取算法，开发多功能仿真实验平台.研究结果表明：所建立的仿真实验平台为无人机的遥操抓取提供了新的解决方案.

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超载影响下围护结构非对称基坑的受力及变形特性分析

高亿文, 李明广, 陈锦剑

2020,54 (6): 643-651.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.293

摘要 ( 869 )

PDF(2788KB) ( 292 )

依托厦门某基坑工程，通过数值分析和现场测试，研究超载影响下围护结构非对称基坑的受力及变形特性.采用Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(FLAC3D)软件建立基坑典型断面分析模型，结合考虑刚度随应变衰减的土体本构，模拟分析不同嵌固深度和超载作用下的围护结构变形以及邻近土体的应力分布，并综合现场测试数据验证该理论研究的结论.研究结果表明：超载不仅增大近超载侧围护结构的受力和变形，还会引起远侧围护结构顶部出现远离基坑的位移，从而产生坑外被动土压力，增大两侧围护结构的挠度；当远超载侧围护结构的嵌固深度较小时，超载会进一步增大围护结构的倾斜，使其呈现踢脚式变形；近超载侧围护结构嵌固深度的增加对远超载侧的挠度及倾斜度有控制作用；当超载与基坑距离大于0.5倍开挖深度时，超载对于远超载侧围护的影响可以忽略.现场实测结果与理论研究结论相一致，研究成果可为相关工程提供参考.

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基于一种混合智能算法的有限元模型修正多解问题

康俊涛, 张亚州, 秦世强

2020,54 (6): 652-660.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.270

摘要 ( 804 )

PDF(4599KB) ( 264 )

为了使有限元模型修正结果更加符合结构实际情况，将传统的提供单一修正结果转变为提供多个修正结果，然后由决策者根据现场情况、类似工程经验等非参数信息来决定最终采用的修正模型；并且针对这一问题，将优化速度快的稳态遗传算法和优化精度高的梯度下降算法相结合，提出了一种混合智能算法.最后分别采用数值算例和ASCE-Benchmark模型修正过程验证了所提算法的寻找多解能力和优化精度.结果表明，本文所提算法可以寻找到定义域内的全部极值，且相比于稳态遗传算法具有更高的精度，ASCE-Benchmark算例中，两个修正后的有限元模型与实测结果之间的频率误差均有明显下降.

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