欠驱动指爪机构的被动弹性元件参数优化设计

欠驱动指爪机构具有抓取不同目标物的自适应性,可满足操作任务的多样化需求。其欠驱动特性使得被动弹性元件的参数对抓取性能的稳定性和自适应能力有很大影响。若弹簧刚度选择过小,欠驱动指爪的稳定性会降低;若弹簧刚度选择过大,指爪的自适应能力会下降。因此,本文基于抓取状态平面法,对欠驱动指爪的被动弹性元件参数进行优化设计。首先,在欠驱动指爪静力学分析的基础上,建立弹簧刚度与驱动力的平衡方程。然后,通过对不同抓取模式拓扑转换的定量分析,获得欠驱动指爪与目标物之间不同的接触状态;同时为了保证稳定抓取,考虑了不同抓取模式下指爪弹性元件刚度与驱动力矩的参数匹配关系。在此基础上,基于抓取状态平面法建立被动弹性元件刚度与机构稳定区域关系的解析表达,并基于稳定区域面积最大化的思想,进行弹簧刚度的最优设计。最后,基于不同的抓取状态模型对弹簧刚度进行了优化设计,为后续欠驱动指爪机构设计和控制应用奠定理论和技术基础。     

实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化

 为了实现自适应机翼表面的连续准确变化和结构轻量化，将分布式柔性机构引入到机翼形状变化结构设计中。基于SIMP密度 刚度插值模型，以实际位移与目标位移之间的偏差最小为目标，建立了实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化模型，采用Matlab编程对柔性机构进行了优化设计,并对不同参数变化的影响进行了讨论,最后使用Ansys9.0对其中一个优化结果进行了机构的仿真分析。研究结果表明：该机构可实现机翼前端0~8.14°的变化；不同的体积分数、驱动位置、权重因子将对优化结果产生不同程度的影响，从而证明了用分布式柔性机构实现机翼前缘连续形变的可行性和设计方法的有效性。     

冗余驱动消除并联机构奇异研究

对空间并联机构的奇异性和冗余驱动消除机构奇异进行了研究。以Park关于奇异的分类为基础,明确指出了冗余驱动能够消除机构驱动奇异的原因,给出了冗余驱动个数与奇异空间降维关系的比较严格的数学推导过程。还对一种3自由度冗余并联机构的奇异性进行了分析,指出了其奇异空间的形状,并对冗余驱动消除奇异的效果进行了研究。其结果证实了冗余驱动与奇异降维之间的关系,对于进一步提高并联机构的性能提供了参考。     

基于IPMC材料的柔性抓捕机构设计

为克服传统空间飞行器在轨抓捕机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,基于离子聚合物金属复合材料(IPMC)驱动电压低的特点,研制了一款五指柔性抓捕机构。通过修饰IPMC的端部,有效增加了抓捕机构的工作长度和粘附力,IPMC的柔顺特性使其在抓取物体时会贴附于被抓物体表面不会破坏物体表面结构。抓捕机构在直流±3 V的驱动电压下能够实现内收和外翻两种不同方式的抓取,消耗功率小、结构简单、操作方便,可行性得到了验证,有望应用于空间飞行器的在轨捕获系统。     

空间飞行器抓捕非合作目标后的复合控制

随着空间技术的不断发展，空间飞行器抓取非合作目标的稳定控制技术变得日益重要。基于拉格朗日动力学原则对空间飞行器进行动力学建模，考虑了非合作目标的未知参数、空间飞行器模型的不确定性及存在外部干扰的情况，理论分析了自适应控制及基于非线性干扰观测控制的可行性，并对比了二者的优缺点。在此基础上提出了一种可以在线精确估计非合作目标未知参数的复合控制方法，并进行了仿真验证。仿真结果表明，所提方法能够将所有参数的估计误差限制在很小的范围内，相对于自适应控制方法有了显著改善。     

空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入了末端装置抓取目标时的碰撞模型,并提出了"动态抓取域"用于机械臂抓取目标时的控制,同时应用关节主动阻尼控制,以减小抓取碰撞激振对空间机器人冲击的影响。结果表明:在相同抓取时间下,加速抓取明显优于匀速抓取,碰撞力振幅减小至匀速抓取时的20%,对空间机器人的激振冲击明显消除,仅在抓取结束前有小幅激振。这对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。     

空间机器人捕获漂浮目标的抓取策略研究(英文)

空间机器人捕获漂浮目标时,机械臂手部与目标之间不可避免地发生频繁的接触碰撞,严重影响空间机器人本体的位姿与抓取安全。本文引入了"动态抓取域"描述机械臂抓取目标时的碰撞过程,建立了抓取域控制方程,并分析了抓取控制参数及基体和目标质量等对抓取过程的影响,结合生活经验发现当速度控制参数与调配增益系数乘积接近并小于最小抓取速度时,能够极大的减小抓取过程中的碰撞冲击,进而给出了理想的抓取策略。结果表明:在相同抓取时间下,应用抓取策略明显优于加速抓取,碰撞力幅值降低到加速抓取时的20%左右,且姿态控制力矩仅为加速抓取的15%,对空间机器人的激振冲击明显消除。抓取策略的研究对空间机器人的捕获抓取有着重要的理论价值及工程实际意义。     

飞行小目标自适应双波门跟踪算法

波门跟踪是一种利用实际图像处理的区域范围的视觉跟踪算法。在飞行小目标信噪比较低的情况下,现有方法往往不能获得稳定的跟踪结果。针对小目标跟踪的特点,提出了一种自适应双波门的跟踪算法。该算法采用帧间差分算法检测小目标,通过质心标定修正当前帧目标的初始位置,并利用最小二乘估计预测算法实现目标范围的估计,从而实现自适应跟踪的目的。实验结果表明,即使在飞行小目标被短时遮挡情况下,利用本算法也能稳定地检测出它的位置,能根据目标的轮廓自适应地确定目标波门形状,并能有效解决目标跟踪偏移和短时丢失等问题。     

自适应强杂波抑制与点状动目标检测

研究了基于自适应图像杂波抑制的微弱点状动目标检测技术。首先利用四叉树算法,将原始的非平稳图像分割成多个准平稳的图像子块,然后对各子块进行LS自适应背景杂波估计与抑制,从而获得准高斯白噪声背景;再利用目标运动连续性假设,将目标在相邻多帧上的位置状态模型化为高阶马尔可夫数据链,建立轨迹状态空间;根据该模型采用多帧沿轨迹非线性集成算法进行检测。既克服了传统的三维匹配算法造成搜索次数巨大的弱点,同时也避免了二维投影检测带来的信噪比下降。理论分析和大量仿真实验证明了其有效性。     

基于遗传算法的柔性机构形状变化综合优化研究

 实现机翼在不同的飞行状态下的最优气动外形是变弯度自适应机翼的一项关键技术。针对传统铰链机构会使机翼表面产生不连续变化而导致气流提早分离的问题，从全柔性机构实现连续平滑的形状变化的技术出发，以目标形状与实际形状的边界曲线之差最小为优化目标，采用遗传算法(GA)对柔性机构的拓扑、尺寸、形状进行了综合优化。在优化方法上，以二进制编码技术和实数编码技术为基础建立初始离散柔性机构的混合变量遗传算法模型，将其映射为有限元模型并进行了结构分析。在优化过程中引入了渐进结构优化(ESO)算法的思想，消除GA优化过程中产生的自由单元，改善了优化效率和分析结果。结合机翼前缘形状变化实例，基于MATLAB进行优化设计，并用ANSYS10.0对优化结果进行了机构的仿真分析。分析结果表明，所提出的方法合理、有效。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

μ理论在电液负载模拟器中的应用

 研究μ理论在电液负载模拟器中的应用，提出电液负载模拟器的鲁棒控制策略。电液负载模拟器是一个复杂的机-电-液复合系统，且是一个强耦合、时变受控对象。综合考虑参数变化、模型变动和干扰等不确定性的影响，利用μ综合控制理论设计电液负载模拟器的鲁棒力控制器，并通过μ分析使用鲁棒力控制器时系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。给出使用鲁棒力控制器和经典力控制器时的实验结果，实验结果表明所设计鲁棒力控制器的有效性和优越性。     

基于圆型限制性三体问题模型的行星卫星逃逸能量研究

 基于由飞行器、行星及其卫星组成圆型限制性三体问题模型，通过庞加莱映射的方法，研究了飞行器从行星卫星附近逃逸的问题。在Jacobi常数确定的前提下，通过逆向积分，飞行器从L1或L2点附近返回近月点，得到近月点速度出发速度。研究结果表明绕飞L1点和L2点逃逸行星卫星需要的最低能量是不同的，从月球表面逃逸所需的速度脉冲分别比开普勒算法节省46.5m/s和42.3m/s，且均小于Villac等人在Hill模型下得到38.9m/s，从而改进了Villac等人的相关工作，同时也给出了从太阳系主要行星卫星表面逃逸所需的最小能量。     

有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

Model Development and Adaptive Imbalance Vibration Control of Magnetic Suspended System

对星载磁悬浮单框架控制力矩陀螺,建立其转子的平动与转动的动力学方程。所建模型反映了转子的动、静不平衡特性,以及转子运动与框架、星体运动的耦合关系。模型是主动磁悬浮控制与动框架效应分析的基础。对动、静不平衡量未知的转子,设计了自适应对中控制器。在分散PD、比例交叉反馈控制器与高低通滤波器的基础上,通过动、静不平衡量的辨识与补偿控制,使转子绕其惯量主轴旋转,衰减角动量交换执行机构高速转子因不平衡而对基座产生的干扰力,消除星上主要颤振源,达到降低卫星姿态抖动的目的。     

The effect of inlet conditions on the flow and heat transfer in multiple rotating cavity with axial throughflow

This paper discusses experimental results from two different build configurations of a heated multiple rotating cavity test rig.Measurements of heat transfer from the discs and tangential velocities are presented.The test rig is a 70% full scale version of a high pressure compressor stack of an axial gas turbine engine.Of particular interest are the internal cylindrical cavities formed by adjacent discs and the interaction of these with a central axial throughflow of cooling air.Tests were carried out for a range of non-dimensional parameters representative of high pressure compressor internal air system flows(Re up to 5×106 and Rez up to 2×105).Two different builds have been tested.The most significant difference between these two build configurations is the size of the annular gap between the(non-rotating) drive shaft and the bores of the discs.The heat transfer data were obtained from thermocouple measurements of surface temperature and a conduction solution method.The velocity measurements were made using a two component,LDA system.The heat transfer results from the discs show differences between the two builds.This is attributed to the wider annular gap allowing more of the throughflow to penetrate into the cavity.There are also significant differences between the radial distributions of tangential velocity in the two builds of the test rig.For the narrow annular gap,there is an increase of non-dimensional tangential velocity V/Ωr with radial location to solid body rotation V/Ωr=1.For the wider annular gap,the non-dimensional velocities show a decrease with radial location to solid body rotation.      

Love Waves in Layered Graded Composite Structures with Imperfectly Bonded Interface

Theoretical analysis and numerical calculations of Love wave propagation in layered graded composites with imperfectly bonded interface are described in this paper. On the basis of WKB method, the approximate analytic solutions for Love waves are obtained. By the interface shear spring model, the dispersion relations for Love waves in layered graded composite structures with rigid, slip, and imperfectly bonded interfaces are given, and the effects of the interface conditions on the phase velocities of Love waves in SiC/Al lay- ered graded composites are discussed. Numerical analysis shows that the phase velocity decreases when the defined flexibility parameter is greater. For the general imperfectly bonded interface, the phase velocity changes in the range of the velocities for the rigid and slip interface conditions.     

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

Compression Creep Behavior of High Volume Fraction of SiC Particles Reinforced Al Composite Fabricated by Pressureless Infiltration

The compression creep deformation of the high volume fraction of SiC particles reinforced Al-Mg-Si composite fabricated by pressure-less infiltration was investigated. The experimental results show that the creep stress exponents are very high at temperatures of 673 K, 723 K and 773 K, and if taking the threshold stress into account, the true stress exponent of minimum creep strain rate is still approximately 5, although the volume fraction of reinforcements is very high. The creep strain rate in the high volume fraction rein- forced aluminum alloy matrix composites is controlled by matrix lattice diffusion. It is found that the creep-strengthening effect of high volume fraction of silicon carbide particles is significant, although the particles do not form effective obstacles to dislocation motion.     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。