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现代装备设计与制造
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01
廖力,孟婥,张荣涛,等.
摘要：为进一步减轻碳纤维复合材料(CFRP)和球墨铸铁(QT)混合结构机械臂的质量，提出基于拓扑优化和正交分析的混合结构机械臂关节法兰轻量化设计方法。创建六自由度工业机器人动力学模型，分析并求解机器人负载50 kg运动过程中关节所受载荷，将最大载荷作为有限元分析的输入载荷。基于分析结果，对混合结构机械臂关节法兰进行拓扑优化，并结合加工工艺和正交分析试验，得到最优关节法兰模型。仿真和试验结果表明，当混合结构机械臂关节法兰周向开槽对数为3、轴向开槽个数为2、开槽为40°圆心角时，关节法兰质量、混合结构机械臂最大变形和最大应力相比优化前减少8.95%、2.46%和3.34%，满足机器人的运动性能要求。
研究背景：
科技的持续进步使机器人在工业物联、农业机械、航天科技、海洋勘探、家庭助理和生物医药等领域得到广泛运用。冗余设计虽能满足机器人结构和刚度上的要求，但容易导致机器人体积庞大、材料耗费多、负载自重比低，这与机器人轻量化、高速和节能的发展目标不符。碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)由碳纤维和树脂基体组合而成，具有轻质、高强度、高刚度和抗腐蚀等优点，广泛应用于航天科技、汽车工业、船舶工程、体育器材、电子产品及医疗设备等领域。应用CFRP的机器人，在运动速度、精准性和轻量化程度上均有提高。因此，结合碳纤维复合材料和球墨铸铁(QT)设计混合结构机械臂，优化机械臂中铸铁关节法兰的复杂结构，对机器人的轻量化设计非常重要。
STEP-SR50E工业机器人具有6个自由度和500 N有效负载，大臂采用QT500-7球墨铸铁。为降低机械臂质量，采用CFRP/QT混合结构机械臂设计方案。混合结构机械臂由位于两端的关节法兰和非封闭式的中空机械臂连杆组成。其中：关节法兰采用QT500-7球墨铸铁，因为两端关节法兰需和减速机配合，选择金属材料便于机械打孔；机械臂连杆采用环氧树脂碳UD（230 GPa）浸润料，因为碳纤维复合材料有利于机械臂的轻量化设计。两者相互结合构成混合结构机械臂，质量为41.49 kg。
DOI: 10.19886/j.cnki.dhdz.2024.0186
引用格式:
廖力,孟婥,张荣涛,等.基于拓扑优化和正交分析的混合结构机械臂关节法兰设计[J].东华大学学报(自然科学版),2024,50(6):57-64.
LIAO L, MENG Z, ZHANG R T, et al. Joint flange design of hybrid structure robotic arm based on topology optimization and orthogonal analysis[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2024,50(6):57-64.
原文链接
02
陈振中，刘志伟，李晓科，等
摘要：针对复合材料天线罩结构优化可靠性低的问题，提出一种多尺度的复合材料结构可靠性优化设计方法。以复合材料天线罩为研究对象，基于有限元法和多尺度仿真建立弹性性能预测模型和天线罩宏观有限元模型，通过等效传输线理论对天线罩电性能进行分析，获取符合电性能指标的铺层厚度区间。由于材料结构和设计变量受不确定性因素的影响，结合Kriging模型、SORA算法和蒙特卡洛仿真法，实现复合材料天线罩的多尺度可靠性优化设计。结果表明：优化后的天线罩在满足透波率和可靠性要求的同时，达到了45.15%的轻量化效果，可为复合材料机身零部件的可靠性优化设计提供指导。
研究背景：随着我国经济的快速发展，飞机作为出行工具已经越来越普及，对飞机进行轻量化设计是每个飞机研究者的目标。对飞机进行轻量化设计，不仅能够提升飞机的飞行效率，还能够减少能源的消耗。在生产工艺和结构优化条件比较成熟的情况下，轻量化材料的设计是减轻飞机质量的首选方案。其中玻璃纤维复合材料具有较低的密度和优良的力学性能，同时具有良好的电性能，不会对天线罩内部天线信号的传输造成影响。目前复合材料天线罩的轻量化设计大多是在宏观层面对天线罩进行材料铺层优化和结构优化，但这种优化没有考虑复合材料的应用前景，要尽可能的发挥平纹编织玻璃纤维复合材料的力学性能，便需要考虑材料微观、介观结构对宏观结构的影响。同时，对复合材料天线罩进行优化设计，需要考虑材料参数和几何参数等不确定性因素的影响。现有研究通常是传统确定性优化，没有考虑不确定性因素的影响，优化结果可能失效，导致产品性能偏离设计目标。
DOI: 10.19886/j.cnki.dhdz.2023.0215
引用格式:
陈振中，刘志伟，李晓科，等. 复合材料天线罩多尺度可靠性优化设计[J]. 东华大学学报(自然科学版)，2024, 50(6): 75-85.
CHEN Z Z，LIU Z W，LI X K，et al. Multi-scale reliability-based design optimization of composite radome[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2024, 50(6): 75-85.
原文链接
03
尹英豪，项前，梁光煜，等
摘要：针对密集仓储系统中多台四向车作业时行进路径存在潜在交叉重叠，从而可能发生碰撞的问题，提出一种基于实时路况信息的交通调度方法。建立以“等”“绕”“躲”调度策略为主的调度框架，设计交通调度算法，实时扫描路况信息，识别两车之间交通冲突依赖关系并根据调度策略进行调整；构建多台四向车冲突有向图模型以表征多台四向车的交通冲突关系，基于冲突有向图实时控制四向车启动或停止，从而实现实时避碰。随机任务试验结果表明，多台四向车同时作业时均能实现实时避碰。所提的交通调度方法能有效解决多台四向车之间的交通冲突问题，为实现安全高效的自动化仓储提供一定的技术基础。
视频摘要：
DOI: 10.19886/j.cnki.dhdz.2023.0323
引用格式:
尹英豪，项前，梁光煜，等. 多台四向车实时交通调度方法研究[J].东华大学学报(自然科学版), 2024, 50(6): 94-102.
YIN Y H, XIANG Q, LIANG G Y, et al. Research on real-time traffic dispatching for multiple four-way shuttles[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2024, 50(6): 94-102.
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