激光多材料增材制造技术研究进展和展望

以航空航天为代表的极端使役零部件工作环境严酷,结构复杂,功能集成。多材料增材制造（Multi-material additive manufacturing,MMAM）能够满足特殊区域的宏观性能定制化和结构—功能一体化,在核能、军事、航空和医疗等领域具有极大的应用潜力。重点阐述了MMAM技术影响界面结合强度的主要因素及消除缺陷的方法;介绍了目前MMAM技术不同的送粉方法和每种送粉方法的优缺点;讨论了工艺参数对MMAM技术的影响规律;最后总结MMAM技术目前的瓶颈性难题,展望了未来的主要研究方向。     

基于预设载波的随机开关频率调制方法

现有的随机开关频率调制方法未考虑载波切换频率与载波频率间的关系,因此会使逆变器输出交流电产生一定的谐波畸变.为了克服这一不足,通过分析载波切换频率对随机载波信号的影响,得出预置载波随机切换时,前后两条载波的相位不匹配是造成逆变器输出电压产生畸变的根本原因,并提出采用随机切换预设载波的方法实现开关频率的随机化.仿真及实验结果表明,随机脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)方法不但可以有效抑制输出电压的高次谐波而且在波形正弦度方面优于常规随机PWM方法.     

舵机加载系统的鲁棒力矩渐近跟踪控制

针对舵机加载系统中存在未建模部分、时变、非线性等因素,设计了鲁棒力矩渐近跟踪控制器。分析了系统结构,并建立系统简化模型。为了抑制舵机运动扰动对加载系统的影响,提高系统跟踪性能,将舵机运动作为外干扰进行处理。根据系统输入信号的特点,基于内模原理,分别利用系统的传递函数和状态空间模型设计鲁棒渐近跟踪与干扰抑制控制器。针对期望极点难以选取的问题,利用最优化方法设计系统控制律,并引入期望衰减度调节系统力矩跟踪和扰动抑制性能。仿真结果表明,所设计的控制器能使系统获得较理想的跟踪性能,基于状态空间的最优化方法方便了系统设计。     

动量环式主动增稳加油锥套建模与飘摆抑制

空中加油软管-锥套受大气紊流等干扰产生飘摆运动,加大了对接过程的不确定性和危险性。创新设计了一种自旋动量环式主动增稳加油锥套,在锥杯处集成一对偏置动量环实现飘摆抑制,避免传统翼舵式锥套回收时舵面与加油机吊舱口撞击风险。基于拉格朗日方程建立了考虑动量环旋转的多级串连单摆系软管-锥套系统运动模型,分析了阵风及大气紊流干扰对锥套飘摆运动特性的影响,提出了基于动量环控制的飘摆抑制方法,仿真表明该方法能够有效缩短阵风干扰下锥套收敛至稳态位置的时间,减小大气紊流干扰下锥套飘摆幅度,削弱高频动态响应。     

基于最优控制/自抗扰控制的直/气复合控制系统设计研究

为提升控制系统的性能,对直/气复合控制导弹的控制系统设计进行了研究。以俯仰通道为例,用最优控制理论设计了基于状态反馈的导弹俯仰通道控制回路,用线性二次型调节器(LQR)获得控制律。给出了加权矩阵的选取方法:依次调整表征过载偏差、角加速度和角速度的权重,使求出的反馈增益系数满足要求。针对状态反馈控制律无法快速抑制直接力开启带来的干扰问题,用自抗扰控制(ADRC)理论改进了控制器,通过构建状态观测器在线实时估计外界干扰并予以补偿,快速抑制扰动。仿真结果表明:用最优控制/自抗扰控制设计的控制器跟踪速度快,动态过程平稳并具有较强的干扰抑制能力,提高了系统的鲁棒性。     

嵌入式挥舞吸振器对旋翼桨叶挥舞载荷的抑制研究

为了抑制刚性旋翼桨叶的二阶挥舞交变载荷,在桨叶内部挥舞方向嵌入动力吸振器。为探究动力吸振器抑制旋翼桨根处二阶挥舞载荷的效果,通过建立旋翼桨叶与挥舞动力吸振器二自由度耦合系统模型,推导出嵌有挥舞吸振器的耦合系统的运动微分方程,比较液弹吸振器与弹性吸振器抑制挥舞方向载荷的效果,并对影响吸振器吸振性能和挥舞吸振器的动态特性的结构参数进行分析。研究表明,挥舞吸振器在旋转和不旋转时,其固有频率并未发生改变;液弹吸振器和弹性吸振器都能达到良好的降低桨叶挥舞方向低阶载荷的效果,但液弹吸振器所需行程明显小于弹性吸振器。     

沿平台系东向轴施加连续转动的 惯性平台系统导航方法

在传统指北式惯导系统中,通过对东向陀螺仪施加连续恒定转动力矩,令平台坐标系绕其东向陀螺仪敏感轴进动,可对北向及天向惯性器件误差形成调制,抑制相关导航定位误差,达到提高平台惯导系统精度的目的.建立了沿平台系东向轴连续转动的指北式平台系统无阻尼情况下的导航机械编排方程及误差方程,分析了其静基座下的误差传播特性并进行了仿真验证.结果表明,同传统指北式导航方法相比,在不改变系统结构和惯性器件精度的前提下,系统中与北向及天向惯性器件误差相关的常值及随时间积累项被调制为零误差和常值误差、经度误差随时间发散趋势得到明显抑制,系统长时间定位精度得到明显改善.     

星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法

为研究抑制星载大型反射面天线的在轨振动,文章给出一种基于压电材料的天线臂主动振动抑制建模分析方法。该方法基于整星刚柔耦合动力学模型,通过将压电材料的应力等价为内力矩,应变等价为位移差分,获得卫星动力学、振动抑制与姿态控制的解析式耦合计算模型,进而预测振动抑制后的天线振动传递特性和响应。以某带大型反射面天线的卫星为例,分别从压电材料布局和计算边界条件角度给出主动振动抑制的时域、频域分析结果,并进行对比。分析结果表明:文章所提出的方法能够实现压电材料在天线臂上的布局优化以及获知天线臂主动振动抑制效果。     

基于深度学习的大型陨石坑识别方法研究

陨石坑是天体表面最为显著的地形特征,传统陨石坑识别方法主要是对小型陨石坑正负样本的二分类问题研究,且效率和精度均不高。以星体宏观视角下的大型陨石坑作为研究对象,结合图像处理和神经网络等方面的知识,创建了来自不同数据源的陨石坑样本数据库,研究了数据源对网络模型泛化能力的影响,提出了一种效率更高的陨石坑多分类识别方法。在非极大值抑制（NMS）算法基础上,提出了一种精度更高的陨石坑检测算法。经过参数优化和实验验证,构建的基于深度学习的多尺度多分类陨石坑自动识别网络框架取得了较高的准确率,在同源验证集上识别率可达0.985,在异源验证集上识别率可达0.863,并且有效改善了目标检测时检测框冗余及误检测的问题。      

基于新型电涡流阻尼器的大飞机垂尾装配界面精加工振动抑制

大飞机垂尾装配界面是由钛合金制成的大型结构件,由于结构刚度低,在精加工时易产生振动、回弹变形和让刀等现象,对其精加工质量造成严重影响。为此,基于电磁感应原理设计了一款新型电涡流阻尼器用于抑制装配界面精加工中的多模态振动。首先,介绍了阻尼器的结构,并建立了其阻尼特性的理论模型。然后,基于该模型分别研究了不同磁极厚度、导体厚度和磁极数等对阻尼器阻尼特性的影响,并确定了阻尼器关键零组件的材料及几何参数。基于此,建立了装配界面抑制系统的动力学模型,并通过数值分析和有限元仿真方法得到了装配界面振动速度与阻尼器阻尼特性的变化规律。最后,通过动力学测试和切削实验对阻尼器的抑振性能进行了验证。锤击测试结果表明该阻尼器能明显提高装配界面抑振系统的阻尼比和等效刚度,阻尼比最大能提高2.17倍,等效刚度最大能提高1.65倍,能大幅衰减装配界面在冲击激励下产生的自由振动。切削实验结果表明该阻尼器能显著提升装配界面精加工过程的稳定性,装配界面时域信号的振动幅值最大能降低64.4%。通过对比实验结果得知双阻尼器配置对装配界面的抑振效果更好,能明显提高其动态可加工性,工艺参数轴向切深能提高至2.0 mm,主轴转速可提升至500 r/min,这为保证和提高装配界面的精加工质量提供了一种简单可行的解决方案。