摘要:分数阶微积分是整数阶微积分的扩展,能够更精准地刻画复杂动力学系统.近年来单面约束在对称性与守恒量方面的研究已经有了一些成果,但将分数阶微积分和单面约束相结合的研究尚处于起步阶段.本文核心目的为将分数阶微积分引入到单面约束Hamilton系统中,建立分数阶单面约束Hamilton系统的Noether对称性与守恒量理论.为实现这一目标,首先基于分数阶Hamilton原理以及单面约束的定义,分别给出Riemann-Liouville和Caputo分数阶导数下单面约束Hamilton系统的正则方程.其次,通过引进单参数无限小变换群,定义上述两种分数阶导数下单面约束Hamilton系统的Noether对称性并给出判据方程,基于判据方程和系统的正则方程得到该系统的Noether守恒量.最后,通过两个例子结合数值模拟对文章的结果进行验证.

摘要:追踪-逃逸问题广泛存在于自主机器人协同围捕、防务对抗和生物群体行为等场景,是理解多智能体在不确定环境下决策与协同的重要问题.现实中追逃双方都会受到随机环境影响,而现有可解析模型多只在逃逸端加入噪声或将追捕端视为确定性控制,难以刻画双方同时存在不确定性时的动力学特征.因此,本文围绕二维连续空间中的多追捕者追逃系统,构建并系统分析了一个同时包含追捕端与逃逸端随机扰动、并允许逃逸者基于相对位置信息进行主动规避的动力学模型.针对单追捕者情形,基于随机微分方程的平均首次穿越理论推导了平均捕获时间(mean capture time, MCT)的解析表达式,得到速度与噪声强度的标度关系,并通过数值模拟验证其定量准确性和对主要动力学特征的描述能力.进一步从单、双到多追捕者情形,系统分析了MCT和捕获时间分布随追捕者数量、追逃双方噪声强度及速度比的变化规律,揭示了临界现象消失、噪声效应由延缓捕获转变为普遍促进捕获,以及系统鲁棒性随追捕者数量增加而提高等规律.在二维开域、各向同性白噪声和即时感知等理想假设下,这些结果为不确定环境中的多追捕者协同围捕策略设计和参数选择提供了一个可对比、可验证的理论框架,并为扩展到有界区域、复杂边界和学习型策略等更复杂场景奠定了基础.

摘要:针对谱扩展树搜索在强非凸障碍与约束紧迫场景中存在不可行分支暴露较晚、固定重规划间隔导致开阔区域重复规划的问题,提出一种约束信息引导与自适应执行的谱扩展树搜索方法,实现高效受约束运动规划.谱扩展阶段利用约束紧度构造风险先验,并通过低代价证书检查,提前剪除必然不可行动作；执行阶段依据树主分支访问分布定义节点置信度,自适应决定单次重规划后执行的宏动作个数.进一步,在二维双积分器避障、固定翼滑翔机热场持续观测与窄通道穿越、六自由度机械臂避障三个算例中测试了该方法的性能.双积分器算例中,成功率由0.417提高到0.883,总规划时间由4.029 s降至1.628 s,平均重规划次数和高代价碰撞检测次数亦下降；固定翼滑翔机算例中,完成3次有效观测的随机种子数由2/10提高到10/10；六自由度机械臂算例获得了可执行的避障轨迹.结果表明,该方法能够减少近约束区的无效扩展和开阔区的不必要重规划,提高在线运动规划的计算预算利用效率.

摘要:为了通过简单可靠的结构实现对低频振动能量的有效利用,提出了一种基于Kresling折纸的摩擦纳米发电机(Kresling origami-based triboelectric nanogenerator, KO-TENG).该器件利用Kresling折纸轴向压缩-周向扭转耦合变形驱动摩擦层周期性接触-分离,无需额外复位机构,具有结构紧凑和易于集成的特点.基于三维参数化几何模型和机电耦合模型,对KO-TENG的底面边数、初始高度及摩擦发电单元数量进行优化,并通过有限元仿真和实验测试验证其性能.结果表明,五边形Kresling构型兼顾较高有效接触面积和良好变形稳定性,初始高度为10 mm时器件输出性能较优；随着摩擦发电单元数量增加,器件输出显著提升,在5 Hz激励下最大输出功率达到12.72 μW,理论结果与实验结果吻合较好.该研究可为折纸式摩擦纳米发电机的结构设计、参数优化及低频振动能量采集应用提供参考.

摘要:针对控制律易受跟踪误差变化影响的问题,提出了一种基于李雅普诺夫稳定性的无人驾驶配送车轨迹跟踪自适应控制系统.系统硬件选用ESHF11032-PPA-P3轮速传感器和IMU570 MEMS惯性测量单元；软件层面基于非线性模型分析无人配送车的动力学特性，结合路径跟踪误差方程与李雅普诺夫直接法，构造轨迹跟踪自适应控制律；采用二自由度确定车辆垂直载荷与路面附着状态,重新分配横纵向加速度,选择沿路径移动点作为参考点,获取综合不确定扰动参数.构建无人驾驶配送车轨迹跟踪不确定扰动参数补偿目标函数,完成无人驾驶配送车轨迹跟踪自适应控制.测试结果表明：该系统实施后不同横纵向加速度下获取的跟踪自适应控制偏离率始终低于1％,车辆实际轨迹与控制参考轨迹吻合程度较高,未出现频繁微调引发的异常轨迹,自适应控制效果良好.

摘要:转子加速瞬态不平衡响应的振动特性分析是对转子系统进行瞬态动平衡的必要条件.以三盘转子系统为研究对象,建立了基于有限元法的多盘转子动力学模型,随后采用拉丁超立方抽样方法均匀抽取了1000组不平衡参数组合,计算各质量盘在各阶临界转速附近的振动峰值,获得了各参数的灵敏度贡献度指标并通过试验进行了验证.研究结果表明：各盘的不平衡大小对各阶振动峰值均有显著影响,贡献度较高且以正效应为主；而不平衡方位角对前两阶振动峰值的灵敏度较低,但对第三阶振动峰值具有明显的正贡献,尤其是盘1和盘2的方位角变化使得三阶峰值响应波动超过150%.通过改变各盘不平衡参数进行瞬态响应仿真与试验验证,结果表明参数变化对临界转速附近及“伪共振”区域的振动峰值影响最为显著.该项研究可为多盘转子系统的瞬态动平衡策略制定提供理论依据.

摘要:针对现有桥梁减振措施布置缺乏针对性、能量阻断效率不高的问题,提出一种基于振动能量传递路径调控的钢箱梁U肋加劲板减振优化方法.基于有限元模型和自编程序计算结构声强,实现了振动能量传递路径的三维可视化.通过识别主导频率及其传递路径优化约束阻尼层的布置形式,并系统分析了不同敷设方案下振动能量的衰减特性.结果表明：所提优化布置方案可有效抑制结构振动,并显著提升U肋隔振效果；与原结构相比,优化方案可在全频段降低总结构声强幅值12.2%,在主导频带内结构声强最大降低约37%；在减振效果相当的前提下,优化方案较传统全敷设方案粘贴面积减少85%,显著节约建造成本.

摘要:在事故工况下,控制棒的下落规律及下落时间是核电站安全分析的重要内容.本文针对一种超临界堆控制棒组件,基于多体动力学理论,建立了控制棒与通道的多体系统刚柔耦合动力学模型.通过流固耦合计算数据,得到流体阻力与控制棒下落速度对应关系式.利用该流体阻力近似公式和所建的多体动力学模型,可以实时高效地计算控制棒在不同速度时的流体阻力.然后分别采用Hertz接触理论及库仑摩擦力理论计算碰撞力和摩擦力,对落棒过程进行了动力学仿真计算,得到落棒时间与碰撞力等关键数据,并通过与有限元模型计算结果的对比验证了多体动力学模型的正确性.然后分析了控制棒与通道变形对落棒过程的影响.本文所提出的基于多体动力学的建模方法,能够对控制棒落棒过程进行快速的动力学仿真分析,对控制棒与导向通道设计具有重要参考意义.

摘要:旋翼无人机作为军用与民用领域的关键装备,其气动噪声问题还未得到很好地解决.为了有效解决旋翼式无人机气动噪声难题,受鸽子羽毛表面“结构-功能”关联启发,提出了一种含纵横交错网格状纹理特征的叶片表面结构.基于计算流体力学与气动声学理论,分析了所提出的旋翼叶片在中低频段的气动噪声特性,并通过旋翼表面压力分布和涡旋结构揭示了其降噪机理.最后重点分析了表面纹理关键设计参数对旋翼气动声学性能的影响.研究发现,相较于传统旋翼,3×3-0.50纹理结构构型可在300~1000 Hz范围内平均降低6.5 dB的气动宽带噪声,而3×3-1.20纹理结构构型可在频段范围内对离散峰值噪声有明显的抑制作用,合成声压级(APL)降低量达1.73 dB.研究成果可为未来小型无人机旋翼的低噪声设计提供新的研究思路.