针对全髋关节置换术中采用的实体假体其高弹性模量与股骨弹性模量不匹配造成术后不良反应的问题,提出了一种能够根据股骨CT数据以及股骨受力情况进行宏微一体结构个性化参数设计,并能有效降低股骨应力遮挡效应的多孔结构股骨假体建模方法。以股骨应力遮挡率作为对比指标,比较了不同多孔结构在股骨假体应力条件下的适应性。实验结果表明多孔结构假体可以有效降低术后由植入物造成的股骨应力遮挡;主轴方向弹性模量较小、斜向弹性模量较大的多孔结构能够更好地适应股骨应力,具有较好的缓解应力遮挡的作用。

点阵结构是一种先进的轻质功能结构,在航空航天领域应用越来越广泛,设计出满足特定功能需求的点阵结构来拓展零件功能,是当前需要解决的关键问题之一。基于拓扑优化原理进行点阵结构的设计,对多种点阵结构的性能进行了仿真分析和物理实验分析,并对实验结果进行了对比。对主要受拉压应力的连杆填充相应的点阵结构进行轻量化优化设计,结果表明,采用点阵结构填充后的试验件质量减小了1/3,比刚度是原来的1.9倍。

点阵结构在航空航天领域有着巨大的应用潜力,其尺寸精度与功能特性密切相关。工业CT是对三维点阵结构进行尺寸特征检测的最佳选择之一。针对点阵结构的CT扫描数据提出了基于骨架特征的点阵周期性间距测量方法。通过网格收缩算法构建点阵结构的骨架模型。在此基础上,采用模板特征匹配法分离点阵单元并提取点阵单元中心点,实现点阵单元间距的测量。实验结果表明,骨架模板特征匹配法能够实现三维点阵结构内外尺寸特征的测量,具有效率高、稳定性好等优点。

齿轮是机械设备常用的关键传动部件,其轻量化是一直被追求的目标。结构拓扑优化和点阵结构填充是实现零部件轻量化的重要途径,拓扑优化实现了对多余材料的去除,点阵结构填充增加了其抗扭转能力。通过拓扑优化与点阵填充相结合的方法,在满足力学性能的前提下实现了齿轮的轻量化,为齿轮轻量化设计提供了一条思路。

为提高3D打印零件的断裂韧性,受自然界生物体中具有高韧性的螺旋结构启发,设计了四组聚乳酸(PLA)螺旋轨迹试样,并在Y组和Z组两个打印方向上与±45°的常规扫描方式进行三点弯实验对比。实验结果表明,螺旋轨迹试样的韧性在Y组和Z组两个打印方向上均比对照组高出10%以上。这表明将生物韧性结构引入到FDM中确实可以提高成型零件的韧性。

为能够快速、准确地预测点阵结构的力学性能,研究了点阵中杆的相交区域对刚度的影响规律。以3D实体单元模型预测结果为参考,在梁单元的基础上进行修正,提出了一种多分辨率梁单元模型。在ABAQUS中对多分辨率梁单元模型和3D实体单元模型做了准静态压缩有限元仿真分析,发现应力-应变曲线较为吻合,表明多分辨率梁单元模型解决了3D实体单元计算成本高和梁单元计算精度低的问题,可以替代3D实体单元用于大规模点阵的力学性能分析。最后通过选择性激光熔融技术(SLM)制造了不同杆径的体心立方(BCC)点阵进行准静态压缩实验,实验结果表明,多分辨率梁单元模型和3D实体单元模型能较好地预测点阵结构的刚度。

气动软体驱动器作为软体机器人的关键构成单元,在气压作用下可以实现弯曲运动,但目前缺乏合适的方法来研究驱动器的弯曲变形。针对该问题,在分析气动网格软体驱动器弯曲变形原理的基础上,建立了驱动器单个气囊弯曲角度的数学模型并对其弯曲特性进行了分析,进一步建立了单腔室驱动器和多腔室驱动器的弯曲变形预测模型,通过有限元仿真和实物实验验证了弯曲变形预测模型的有效性。

提出一种精确的结构光三维视觉测量系统标定算法.首先对系统内组件相机和投影仪进行亚像素和亚条纹级单独标定,在投影仪标定时,根据光学特性使用一种新颖的方法解决了系统标定的限制性条件:两组件标定时对标定物有严格的位置要求;另外,结合立体视觉标定技术,提出一种对系统结构进行强约束估计的系统标定方法,使用L-M优化算法调整各组件的内外参数,提高了系统整体的标定精度.试验结果表明了标定算法的鲁棒性和有效性.

以二位三通气动电磁阀为研究对象,详细介绍了其工作机理并对磁路进行理论分析。通过ANSYS Maxwell软件建立其二维电磁场分析有限元模型,并进行瞬态运动仿真计算,分析多电磁参数(主气隙宽度、铁磁材料、动铁芯直径、弹簧预紧力、刚度以及线圈加载方式)对电磁阀瞬态响应特性的影响。搭建实验平台,测试线圈加载方式对电磁阀瞬态响应特性的影响,进一步验证了仿真分析的准确性。为类似电磁类产品的设计研发提供了充实的理论依据。

为了解决数字光处理三维打印制件去除支撑后表面质量受损问题，根据材料固化特性提出支撑强度差异可控的工艺优化方法。建立了制件固化强度与曝光时间之间的数学模型，并通过力学试验进行了拟合及参数因子修正。在三维打印制造过程中通过软件控制系统对零件模型和支撑模型设置不同的曝光时间，实现强度差异可控，从而降低了支撑去除对零件表面的损伤。试验结果表明，采用所提方法去除支撑后零件的表面质量有所提高，且支撑去除效率提高近40%，为提高数字光处理三维打印制件表面质量和精度提供了新的思路。