用变形模型整体构造B样条曲面方法研究

传统的造型方法都是基于纯粹的几何模型,通过几何上的型值点或边界曲线定义曲线或曲面,难于进行交互修改.基于物理模型的变形曲线、曲面造型方法将参数化几何描述方法与力学原理结合起来,使曲线曲面变形形态在一定程度上与弹性梁和薄壳相似.设计者可以通过施加于变形曲线曲面上的力或约束,或改变曲线曲面本身刚度来改变其局部或整体形状,克服了局部控制与总体光顺的矛盾.该造型方法已在光顺、N边域构造以及曲面的光滑拼接和过渡面构造等领域得到应用.      

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料，其有千变万化的微结构和高孔隙率，通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力，提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上，实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测，利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解，利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系，并进行了预测误差验证，证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上，建立了以等效材料填充的结构优化模型，考虑了热力载荷作用，以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型，提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果，结构热刚度在一定体积约束下显著提高，证明了所提方法的有效性。     

基于自适应迭代的机器人曲面恒力跟踪

针对利用机器人进行打磨、抛光、去毛刺等场合时末端执行器对曲面工件轮廓跟踪时难以得到恒定接触力的问题,对机器人末端执行器和工件轮廓接触时的接触力进行研究,建立了实际跟踪过程中机器人末端执行器的接触力和已知传感器坐标系的映射关系,提出了一种基于自适应迭代学习算法的机器人力/位混合曲面恒力跟踪控制方法。该方法由两部分组成:基于机器人和环境接触时的阻抗模型设计了迭代学习控制律,在PD反馈控制的基础上通过迭代项克服机器人的未知参数和不确定性,并构建Lyapunov能量函数证明所提控制律的收敛性;将迭代学习控制律和力/位混合曲面恒力跟踪控制方法结合起来设计了用于曲面工件轮廓跟踪的控制方法。实验结果显示,经过15次迭代,接触力的波动范围逐渐变小并稳定在±3 N之内,验证了所提方法的有效性。      

随机多导体传输线电磁辐射的统计分析

针对含随机参数的互连线缆电磁辐射计算问题，提出了一种基于混沌多项式展开和偶极子近似法的多导体传输线电磁辐射统计分析方法。利用正交多项式的性质对随机多导体传输线方程进行展开，结合边界条件求解得到传输线沿线电流，利用偶极子近似法和镜像法计算传输线电流引起的总辐射。仿真结果验证了所提方法的准确性，与传统的蒙特卡罗方法相比，计算效率得到大幅度提高。所提方法对于预测系统内含随机参数的线缆辐射场，评估线缆电磁辐射和检验系统性能指标，有一定的参考价值。      

基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法

在机器人自动制孔过程中，制孔点位信息通常从待制孔工件工艺数模上获取，而待制孔工件安装过程中会出现位置偏移和变形，由工艺数模得到的点位信息无法直接满足孔位精度要求。为了保证自动制孔的孔位精度，提出了一种基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法。利用制孔区域边角基准孔建立双线性Coons误差曲面模型，通过模型计算出待制孔的误差补偿向量，并补偿至理论制孔位置。针对误差曲面切矢模长无法确定的情况，利用制孔区域内的基准孔构建遗传算法模型，计算出切矢模长最优值，使拟合的误差曲面更符合实际制孔区域曲面。通过试验对算法的有效性和精度进行验证，结果表明:采用基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法，可以使孔位误差得到有效的补偿。补偿后的平均孔位误差仅为0.195 6 mm，与传统的插值曲面方法相比，孔位误差降低了5%~10%。      

飞控系统的μ分析与μ综合的变尺度优化方法

针对工程设计结果的非唯一性,用结构奇异值分析对其进行鲁棒性评估,在达到品质要求的多组控制律或参数中进一步选出鲁棒性较强的设计,这相当于同时考虑性能品质和鲁棒性的一种多目标设计.此外,在其控制律不变的前提下,以结构奇异值为目标函数并加上适当的约束条件,对控制律中的几个主要参数用变尺度法或其它优化方法进行优化,以得到鲁棒性较好又适合工程实际的控制器.最后,以某型飞机横航向飞控系统为例进行仿真研究.     

鱼骨柔性翼段线性/非线性静气动弹性对比分析

鱼骨柔性翼作为一种性能优越的主动变弯度机翼机构形式,具有弦向抗弯刚度低、翼型厚度方向刚度高的特点,其在进行大弯度主动变形时结构存在较强的几何非线性且气动弹性效应显著。针对传统线性静气动弹性分析方法并不适用于鱼骨柔性翼段的气动弹性分析问题,以Bristol大学的公开鱼骨柔性翼段模型为研究对象,采用曲面涡格法（VLM）和非线性有限元耦合的非线性静气动弹性方法,以及传统气动弹性分析中常用的平面涡格法和线性有限元耦合的线性静气动弹性方法,分别对鱼骨柔性翼段进行大变形下的静气动弹性分析,并进行结果对比。对比验证了所用曲面涡格法与XFOIL软件气动计算结果。算例结果表明:鱼骨柔性翼段大变形下气动弹性效应显著,相比传统线性静气动弹性分析方法,非线性静气动弹性分析方法得到的鱼骨柔性翼段在大变形状态下升力系数最多减少8.28%,力矩系数最多减少6.86%,且能准确快速得到真实变形结果,更具有实际工程应用价值。      

基于NURBS曲面的轴变形方法

对基于ＮＵＲＢＳ曲面提出一种轴变形方法。该方法首先定义一条轴线，使物体上每一点与轴上一点对应，然后通过操纵轴的变形来变形物体。该方法用于三维人体模型的建立取得满意效果。     

多个裁剪参数曲面的有限元混合网格剖分法

根据冲压模具形状特点,对由CAD/CAM系统建立的冲压模具的多裁剪参数曲面数学模型,提出了一种符合冲压成形有限元分析需要的三角形和四边形混合网格剖分算法.按几何离散控制参数即最长边、最短边、距离误差和角度误差,将多裁剪参数曲面离散为多边形集.利用曲面曲线查找裁剪参数曲面相邻关系,建立B-Rep表示的曲面几何模型,并更新多边形集.然后由多边形集得到三角形和四边形混合网格,结果网格单元是相容的,在相邻裁剪参数曲面边界处无裂缝和覆盖.      

基于变分自编码器的多维退化数据生成方法

数据驱动的剩余使用寿命（RUL）预测方法不依赖于复杂的物理模型，可以直接利用设备历史运行数据与当前监测数据对设备RUL进行预测，对制定合理的维修策略，降低设备的维护成本具有重要意义。但是数据驱动的RUL预测方法依赖于大量历史数据，在数据不足时，尤其是多维退化数据，模型难以取得良好的预测效果。针对这一问题，提出一种多维退化数据生成方法，所提方法构建了一种全局优化模型，以条件变分自编码器作为生成模型，提取多维退化数据特征并生成相似数据扩充RUL预测模型训练集，利用长短时记忆网络作为RUL预测模型，所提方法能够通过RUL预测模型更新生成模型的参数提高模型的效果，同时利用更新后的生成模型提高剩余寿命预测模型在退化数据不足情况下的效果。使用航空发动机退化数据进行了案例验证，通过对比未加入生成数据训练得到的RUL预测模型与加入生成数据训练得到的RUL预测模型的表现，验证了所提方法在解决RUL预测模型训练数据不足方面的优越性。     

基于DDPG算法的变体飞行器自主变形决策

针对变体飞行器的自主变形决策问题，提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的智能二维变形决策方法。以可同时变展长及后掠角的飞行器为研究对象，利用DATCOM计算气动数据，并通过分析获得变形量与气动特性之间关系；基于给定的展长和后掠角变形动力学方程，设计DDPG算法学习步骤；针对对称和不对称变形条件下的变形策略进行学习训练。仿真结果表明:所提算法可以快速收敛，变形误差保持在3%以内，训练好的神经网络提高了变体飞行器对不同飞行任务的适应性，可以在不同的飞行环境中获得最佳的飞行性能。      

柔性飞机大变形状态飞行载荷分析

飞行载荷分析中综合考虑了结构大变形的几何非线性效应以及曲面气动力效应.飞机结构由相互连接的可以表征任意变形的几何非线性欧拉梁表示,升力面由展向以及弦向分布的涡环网格表示.计算时通过曲面网格动态跟踪结构的变形不断修改气动力影响系数矩阵,反复迭代求解气动力和结构变形直至结构变形收敛.给出了风洞试验机翼模型以及无约束定常平飞模型算例.计算结果表明:在小变形阶段该方法与线性计算方法的结果基本一致,非线性效应不明显;大变形阶段由于曲面气动力的非线性效应,计算结果与线性方法的有显著差别.分析表明该方法在大变形阶段的计算结果比线性结果更为合理,数值计算时间短,适合于工程快速分析.     

基于SST全湍流伴随的尾桨翼型优化方法

为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷和基于Spalart-Allmaras(S-A)全湍流伴随中湍流模型对气动力计算精度较差的问题，提出一套新的翼型优化方法，其耦合了全湍流连续伴随求解、剪切应力传递（SST）湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程、自由变形参数化方法和动网格变形技术。基于所提方法，在气动力系数相较于S-A模型有更高捕捉精度的基础上，对NPL9615翼型以最大升阻比为优化目标，并与冻结湍流黏性假设方法对比。结果表明：所提方法将原有翼型的升阻比提高了16.39%，而冻结湍流黏性假设方法获得最终翼型的升阻比仅提高了原有翼型的9.84%，说明所提方法在最优外形的获取上要领先于冻结湍流黏性假设，并且当翼型周围的湍流动能显著提高时，其优势愈发扩大。     

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。      

半规则三角网格模型细分曲面重构

针对逆向工程中的三角网格重构问题,提出了一种保持尖锐特征的半规则三角网格模型细分曲面重构算法,以充分利用细分曲面的多分辨特性.首先经提取尖锐特征和删除最大独立点集得到基网格,然后利用插值Loop细分和最近点法向投影法不断调整半规则网格得到重采样网格,最后运用渐进插值(PI,Progressive Interpolation)算法生成半规则细分曲面.实例表明,重构后获得的细分曲面连接性好,可以直接进行细分小波分析.     

复杂曲面上的自动铺放路径规划方法

自动铺丝是一种先进的复合材料自动制造技术,广泛应用于制造形面复杂的复合材料构件。大曲率区域丝束的压实质量较差、铺放路径的方向偏差和转弯半径难以同时满足等问题,导致了各种铺放缺陷。研究了曲面曲率对路径性能的影响,建立了分区域路径规划机制。采用压辊到曲面的距离来表征丝束压实情况,并根据曲面曲率估算可压实丝束的数量。建立了局部方向偏差和转弯半径计算方法,并在路径密化过程中实时评价,在路径性能超出约束时进行分区。考虑了丝束压实、方向偏差及转弯半径对铺放路径的约束,保证了整张曲面的铺放质量和铺放效率。在翼梢小翼曲面上完成了路径规划方法的仿真和实验验证,结果表明:所提方法能够在复杂曲面上获得满足性能要求的铺放路径。      

基于快速响应的导航星座重构构型设计

针对有卫星失效下的导航星座,提出发射快速响应卫星的方法来对星座的空间构型进行重构,以实现修复和改善星座性能的目的.对快速响应任务中快速响应卫星的发射方式和入轨方式进行分析,建立快速响应卫星响应时间的数学模型;建立基于快速响应的重构构型优化模型,对优化问题中的优化变量、约束条件、目标函数进行分析;以北斗中MEO卫星失效为例,利用NSGA Ⅱ算法对优化模型进行求解,并采用双层编码的方式对优化参数进行编码得到以星座性能和响应时间为目标函数下的Pareto前沿.从结果可以看出该重构方法能有效提升受损星座的性能,同时Pareto前沿中对应的所有重构策略中,响应时间均小于一天.     

航天飞行器铸件舱段结构快速设计方法

为提高航天飞行器铸件舱段在方案论证阶段的结构设计效率、设计质量和迭代效率，基于航天飞行器复杂曲面结构特点对铸件舱段结构特征参数进行研究，提出曲线比率法以描述纵筋参数化布局；定义骨架模型发布元素，以实现铸件舱段的Top-Down设计。提出航天飞行器铸件舱段结构快速参数化设计方法，通过定义特征命名规则和创建特征集合实现建模规范化，通过封装舱段设计知识实现设计快速化，通过创建特征参数和公式实现特征参数化。通过建立交互式铸件舱段结构快速设计环境，实现铸件舱段结构的快速实例化、快速修改，并以航天飞行器铸件舱段为例验证了所提方法的可行性和有效性。      

捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析

针对带捆绑火箭气动载荷分布受飞行状态及本身外形参数变化影响存在波动的现象,提出了依据多项式混沌理论对捆绑火箭气动载荷分布特征进行全局灵敏度分析及不确定性量化的方法,并以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证。首先,提出了捆绑火箭气动载荷分布不确定性分析的方法,并给出仿真分析流程。其次,以两助推构型火箭为例对所提方法进行验证,建立火箭气动外形参数化模型,验证气动特性分析结果。最后,对该模型开展影响因素灵敏度分析及载荷分布不确定性分析,得到了不同因素的影响程度,以及气动轴力和法向力的不确定性分布形式,分析了流场流动情况及气动载荷波动的主要原因。分析结果为捆绑火箭气动载荷波动控制提供了一定参考,通过定量描述气动载荷分布不确定性,可以有效降低安全系数冗余,为开展精确结构设计提供依据。