Topology optimization in lightweight design of a 3D-printed flapping-wing micro aerial vehicle

Topology optimization is an effective method to obtain a lightweight structure that meets the requirements of structural strength. Whether the optimization results meet the actual needs mainly depends on the accuracy of the material properties and the boundary conditions, especially for a tiny Flapping-wing Micro Aerial Vehicle (FMAV) transmission system manufactured by 3D printing. In this paper, experimental and numerical computation efforts were undertaken to gain a reliable topology optimization method for the bottom of the transmission system. First, the constitutive behavior of the ultraviolet (UV) curable resin used in fabrication was evaluated. Second, a numerical computation model describing further verified via experiments. Topology optimization modeling considering nonlinear factors, e.g. contact, friction and collision, was presented, and the optimization results were verified by both dynamic simulation and experiments. Finally, detailed discussions on different load cases and constraints were presented to clarify their effect on the optimization. Our methods and results presented in this paper may shed light on the lightweight design of a FMAV.     

显微PIV系统与实现

显微PIV系统可用于流体微观层次以及微流体流动的测量,可获得流体速度的场信息以及其中颗粒的场信息。本文主要介绍显微PIV系统所涉及的显微图像获取技术以及图像处理算法。该系统由硬件与相应软件系统组成。其中,硬件主要包括放大倍数为1000倍的光学显微镜以及最大拍摄速度为10000帧/秒的高速摄像系统;IMPACT软件为自行开发的基于C++系统的面向对象程序,其中内嵌多种数据处理与分析算法。通过对尺寸为1μm颗粒运动的测量,对不同数据处理算法进行了检验,结果表明:建立的显微PIV系统可有效获得微观流体流动的图像并可准确进行数据的处理,该系统完全可用于微观流体流动的测量。     

微型仿生扑翼飞行器的尺度效应分析

微型仿生扑翼飞行器是一种新概念的微型飞行器。但它不是对传统飞行器的简单几何缩小,当其特征尺度缩小到一定尺度时,系统内各种因素的相对影响将产生质的变化。针对微型仿生扑翼飞行器的机械扑翼系统,包括微驱动器、仿生翅、运动系统和动力源等,本文进行了尺度效应分析。分析结果表明,当尺寸减小时,仿生飞行更容易实现:通过共振能实现高频运动,微静电、电磁和压电驱动器都能满足扑翼系统功率需求。这为设计和研制微型仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

一种用于主动流动控制的气泡型微致动器

 面向先进主动流动控制，在国内率先研发了一种基于微机电系统(MEMS)的气泡型微致动器阵列技术。分析了气泡型微致动器用于主动流动控制的原理，阐述了致动器结构及其加工工艺。通过对气泡样件的压力载荷 变形行为的测试，表明其具有较好的线性和较大承载能力。结合不同翼型的风洞试验表明，微致动器作动可以影响翼型表面的压强分布，从而可用于增升等控制目的。     

基于MAV形变控制的鼓包装置几何分布优化

 提出了在微型飞行器(Micro Air Vehicle —MAV) 表面安装鼓包控制装置进行姿态控制的思路,针对某无尾MAV ,研究了单点鼓包凸起对气动力、气动力矩的敏度影响;以此为基础,选择了4 个鼓包控制组及相应候选控制点,利用遗传算法进行了气动、控制学科的并行优化,并对优化设计方案的控制响应特性进行了分析,表明方案可行。     

某机第4级压气机转子叶片榫头折断故障分析

阐明了某机第4级压气机转子叶片在榫头部位断裂的故障特点。故障分析表明：经长期使用的叶片在修理厂大修时，为满足叶片摆动量要求在榫头底面涂尼龙胶，会使叶片自振频率有较大幅度下降；为排除3级叶片折断故障而提高的慢车转速又缩小了4级叶片的共振裕度，结果造成少数4级叶片落入慢车共振。共振发生时，不规则的尼龙胶和装配过程不规范引起的非正常接触容易导致微动磨损的加剧，从而大大降低了疲劳寿命，这是引起榫头断裂故障的主要原因。     

Periodic Error Compensation for Quartz MEMS Gyroscope Drift of INS

In order to improve the navigation accuracy of an inertial navigation system （INS）, composed of quartz gyroscopes, the existing real-time compensation methods for periodic errors in quartz gyroscope drift and the periodic error term relationship between sampled original data and smoothed data are reviewed. On the base of the results, a new compensation method called using former period characteristics to compensate latter smoothness data （UFCL for short） method is proposed considering the INS working characteristics. This new method uses the original data without smoothing to work out an error conversion formula at the INS initial alignment time and then compensate the smoothed data errors by way of the formula at the navigation time. Both theoretical analysis and experimental results demonstrate that this method is able to cut down on computational time and raise the accuracy which makes it a better real-time compensation approach for periodic error terms of quartz micro electronic mechanical system （MEMS） gyroscope＇s zero drift.     

细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量

基于能量等效原理提出了复合材料有效弹性模量的定义，并指出了该定义的基础及前提条件。为从理论上计算复合材料宏观有效弹性模量，建立了通过细观力学有限元法计算复合材料有效弹性模量的方法。复合材料宏观弹性模量，是通过对复合材料细观结构代表性体积元的力学响应的计算来得到，在该计算方法中，给出了施加简便的边界载荷以及恰当的边界变形约束条件的方法。数值计算结果与部分试验结果具有较好的一致性，表明所提出的方法能够较好地计算复合材料的宏观有效弹性模量。     

基于多学科综合的MAV鲁棒飞行控制器设计

气动、结构、推进和环境等学科设计参数变化与耦合对微型飞行器(MAV)性能影响明显，MAV飞行控制器设计应考虑这些因素。将MAV多学科模型集成在统一框架下，提出了基于各学科设计参数变化的线性化建模方法，研究了利用μ综合手段进行MAV飞行控制器设计的方法和步骤，并将此方法应用于某MAV纵向控制器的设计与评估中。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。