Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft

Electromechanical actuators (EMAs) are becoming increasingly attractive in the field of more electric aircraft because of their outstanding benefits, which include reduced fuel burn and maintenance cost, enhanced system flexibility, and improved management of fault detection and isolation. However, electromechanical actuation raises specific issues when being used for safety-critical aerospace applications like flight controls: huge reflected inertia to load, jamming-type failure, and increase of backlash with service due to wear and local dissipation of heat losses for thermal balance. This study proposes an incremental approach for virtual prototyping of EMAs. It is driven by a model-based system engineering process in order to enable simulation-aided design. Best practices supported by Bond graph formalism are suggested to develop a model’s structure efficiently and to make the model ready for use (or extension) by addressing the above mentioned issues. Physical effects are progressively introduced, and the realism of lumped-parameter models is increased step-by-step. In particular, multi-level component models are architected to ensure continuity between engineering activities. The models are implemented in the AMESim simulation environment, and simulation responses are given to illustrate how they can be used for preliminary sizing, control design, thermal balance verification, and faults to failure analysis. The proposed best practices intend to provide engineers with fast, reusable, and efficient means to assess performance virtually and enhance maturity, performance, and robustness.     

Predicting performance in manually controlled rendezvous and docking through spatial abilities

Manually controlled rendezvous and docking (manual RVD) is a challenging space task for astronauts. This study aims to identify spatial abilities that are critical for accomplishing manual RVD. Based on task analysis, spatial abilities were deduced to be critical for accomplishing manual RVD. 15 Male participants performed manual RVD task simulations and spatial ability tests (the object-manipulation spatial ability and spatial orientation ability). Participants’ performance in the test of visualization of viewpoints (which measures the spatial orientation ability) was found to be significantly correlated with their manual RVD performance, indicating that the spatial orientation ability in the sense of perspective taking is particularly important for accomplishing manual RVD.     

全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率研究

研究绳系结构和绳索预紧力对全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率的影响。首先，基于绳索并联机构理论，对双索悬挂系统进行静力学建模，引入加权矩阵，推导了双索悬挂系统静刚度模型；其次，建立双索悬挂系统无阻尼振荡方程，分析双索悬挂系统刚体模态频率变化规律；进而，搭建了双索悬挂系统地面样机，开展系统模态频率测试试验，研究系统刚体模态频率的影响因素及其变化规律；最后，参考试验结果修正所建数学模型。结果表明，随着绳索预紧力的增加，系统刚体模态频率呈上升趋势，但各阶刚体模态的固有频率上升速率不同，平动模态的固有频率受绳索预紧力影响比转动模态小得多；在转动模态方面，滚转模态的固有频率最大且上升快；在平动模态方面，升沉模态的固有频率大于横侧滑模态的固有频率；双索经过的机身前后滑轮与飞机模型质心之间的相对位置变化会不同程度地影响支撑系统俯仰模态、偏航模态的固有频率，但几乎不影响其滚转模态的固有频率。研究发现，通过控制悬挂绳索预紧力的大小，合理设计机身上的滑轮安装位置，能够有效降低双索悬挂系统刚体模态频率。研究结果对于优化设计全模颤振双索悬挂系统具有指导意义。     

永磁同步电机驱动太阳翼扰动力矩建模与仿真

建立太阳翼驱动机构(SADA)永磁同步电机的电磁方程，并利用固定界面模态综合法建立SADA驱动太阳翼耦合系统的振动方程；设计模拟柔性负载，对SADA驱动该柔性负载的扰振力矩进行仿真分析。结果表明，SADA驱动柔性负载运行过程中所产生扰振力矩主要由两个原因引起：1)电流噪声引起的力矩波动；2)控制参数选取不当引起的转角波动。     

客机总体方案的综合评价方法

从民用飞机的经济性、环保性、舒适性和适应性出发,运用层次分析法建立多级层次结构,形成民机总体方案的综合竞争力评价模型。给出了民机方案各性能指标的量化方法,将设计准则转化为具体的民机性能指标。引入多人评价机制,提高评价模型各层级权重分布的合理性。应用本文方法对两种大型客机总体方案进行了综合评价,结果表明该方法能明确地识别出竞争力较高的设计方案,且评价结果具有合理性。算例表明该综合评价模型可用于民机总体方案的优选。     

无缓凝剂磷酸镁修补砂浆的力学性能实验研究

磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)是一种快速修补型胶凝材料,具备快硬、早强、高强、粘结力强、耐久性好等优点。首先运用正交试验方法,通过控制胶砂比、氧化镁与磷酸二氢盐的物质的量比(M/P)和水胶比,确定了基准MPC修补砂浆的最优配合比。然后研究了粉煤灰和磨细矿渣对MPC修补砂浆抗压强度和抗折强度的影响,分析了其强度特征。结果表明,MPC修补砂浆的最佳M/P比为6∶1,胶砂比1∶1。掺加粉煤灰的MPC修补砂浆具有较高的强度尤其是抗折强度,适宜作为道路与机场道面的快速修补材料。掺加磨细矿渣的MPC修补砂浆,其力学性能不如掺加粉煤灰的MPC修补砂浆。此外,MPC修补砂浆的抗折强度和抗压强度之间具有密切的线性相关关系,且与养护龄期、原材料来源与烧结温度、是否掺加缓凝剂和矿物掺合料、M/P比和水胶比等因素无关。     

基于混杂非对称复合材料的自适应对日定向器

提出并设计了一种基于混杂非对称复合材料层合板的新型自适应对日定向器。该对日定向器采用混杂非对称复合材料层合板作为驱动元件，利用在轨光照条件的变化引起复合材料层合板温度变化，进而使其产生热变形并驱动太阳翼发生偏转。提出的自适应对日定向器结合传统的单自由度对日定向机构，能够实现太阳能帆板的双自由度对日定向。介绍了自适应对日定向器的基本原理，并结合地球静止轨道的光照条件进行了具体设计。利用能量变分原理建立了混杂非对称复合材料的热变形模型，分析其热变形特点，并利用有限元方法对定向器在地球静止轨道上的温度场特性、热变形及对日定向转动角度进行分析。有限元分析结果表明，通过合理设计，自适应对日定向器的转角能够随太阳光入射角变化呈线性变化，定向精度可达±1°。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

振动试验极限控制应用实例

介绍了某产品振动应力筛选试验，通过对产品采用极限控制，并组合配以虚拟参考点（2点控制）以及响应点（2点控制）的方式，保证产品在试验过程中不会受到过强的力学应力，避免产品内部敏感元件的损坏。这种振动试验与常见的振动试验有很多不同点，从某产品振动试验实践，阐述此类试验有关技术问题。     

基于模态反转的半球谐振陀螺零位自校准方法

针对半球谐振陀螺的零位漂移问题，本文研究了基于模态反转电路控制技术的零位自校准方法。首先，从动力学模型引入阻尼不对称、频率裂解等非理想因素，讨论半球谐振陀螺的工作机理及驻波漂移特性。其次，通过理论分析模态反转的零位校准以及虚拟进动控制的模态反转技术。最后，基于FPGA数字控制平台，设计并实现了半球谐振陀螺零位自校准半实物仿真实验。实验结果表明，基于模态反转的半球谐振陀螺零位校准，实现了半球谐振陀螺的零位从15 降低至2 ，短期零偏稳定性和长期稳定性也分别提高了11.8％和45.86％，有效地抑制了零位漂移，提高了半球谐振陀螺测量精度。