面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法

为了提高航天器回转曲面加筋型连接结构的集中力扩散效率,需要开展回转曲面加筋集中力扩散结构设计。传统放射肋设计方法普遍依赖设计经验、难以满足集中力高效扩散需求。因此,提出一种面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法。第1步,建立了一种基于各向异性过滤技术的集中力扩散拓扑优化方法,保证拓扑优化结果满足回转曲面加筋制造工艺要求;第2步,提出了一种基于网格变形技术的拓扑优化结果智能重构方法,可高效准确地对回转曲面加筋拓扑优化结果进行模型自动重构。基于所提出方法,以卫星平台对接环这种典型的回转曲面加筋壳为对象开展算例研究,并将优化结果与传统放射肋设计结果进行对比。结果表明,所提出的优化方法可得到加筋构型清晰、满足回转曲面加筋制造工艺要求的优化结果,且具有集中力扩散效率高、网格质量依赖性低、拓扑特征重构高效等优点。     

光波纳米推进技术中的表面等离激元增益光镊作用机理

为研究天线不同结构对表面等离激元（SPP）增益光镊作用的影响,建立天线-基底的电磁波传输耦合激元电场触发光梯度力的数值模型,并利用数值模型分析天线不同结构对SPP电场的影响规律,同时,这种电场变化规律对光镊增益有直接的数学关系,基于上述物理机制,获得不同天线结构对光梯度力产生的优化策略。为验证上述物理机制与优化策略的有效性,开展纳米颗粒的粒子图像测速（PIV）试验,天线材料为银,基底为二氧化硅,纳米颗粒为银,试验能够完好地观测到纳米颗粒在天线通道的运动情况。结果表明,光梯度力的增益机制在于激元电场强度和梯度两方面因素,前者随天线不对称性增强而先增大后减小,后者呈现一直增大趋势;纳米颗粒推动作用力的计算误差约为5.5%~13.8%,且试验值与计算值的趋势相符,一方面验证本文研究机理及优化策略的有效性,另一方面证明PFP技术的原理可行。     

亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明：三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。     

基于指端6维力传感器的接触点测量算法研究

在硬手指接触模型下应用6维力传感器测量值计算接触点位置时,有可能出现无解现象.针对这一问题,分析和证明了硬手指和软手指接触模型下解的存在性和相容性,指出当测量力和力矩正交时,硬手指算法有实根,且符合相容性,反之则不然.当测量力和力矩非正交时,对任意非零接触力旋量,软手指算法存在唯一实数解.因此在实际测量过程中,可通过判断测量力和力矩是否正交,作为选择使用两种算法的依据,以确保测量结果和控制系统稳定可靠.通过实验对上述方法进行了验证.      

最优气动力辅助空间拦截和交会

航天器从高轨道向位于低地球圆轨道的靶目标实施拦截或进行交会 ,并用间接求解的直接伴随方法 ,即用D型拉格朗日方法求解其优化问题。拦截条件是指在最终时刻两者的位置相同 ,而交会条件是指不仅位置相同且最终的速度矢量亦相等。文章讨论了最小时间与最小脱靶量 ,或最小时间与最小燃料消耗的复合性能指标 ,以及推力协同机动的优化解。推力协同下 ,对于特定情况 ,如在热流约束边界部分推力弧是奇异的 ,气动力控制是正常的。这种复杂性和奇异问题的求解在拦截和交会问题中都是值得慎重处理的。     

空间黏附爬行机器人足端预压力优化与控制

基于仿生干黏附材料的空间足式爬行机器人可附着于航天器外表面并代替宇航员完成舱外巡检、维护等工作,是无人自主化在轨服务与维护的有效途径。为保证足式爬行机器人与航天器的稳定附着,本文针对空间爬行机器人足端在与航天器接触时预压力对黏附稳定性影响的问题,提出一种足端预压力优化与控制方法。首先结合仿生黏附材料特性,建立黏附材料在预压阶段和黏附阶段的稳定性约束;其次在稳定性约束下基于二次规划方法优化足端力,保证预压力足够的同时减小对其他足的脱附力;最后通过基于环境刚度辨识的导纳控制实现优化后的力分配。结果表明：基于环境刚度辨识的导纳控制可实现预压力的柔顺控制,优化后的预压力可减小对其他黏附足的法向脱附力的影响,保证黏附爬行稳定性。     

机翼-机身柔顺对接装配及接触力分析方法

在机翼机身数字化对接装配中,由于制造误差、定位误差等因素,装配件在对接前不可避免地存在一定偏差,对接过程中连接结构可能出现磕碰、磨损和变形等现象。为了避免翼身对接装配中遇到上述情况,本文设计了一种五自由度柔顺对接机构,使部件对接过程中遇到干涉时能够柔性适应,根据目标部件的导向顺利完成装配。在此基础上,本文以叉耳式连接结构为研究对象,通过对翼身柔顺对接过程中连接结构的接触力情况进行分析,建立了翼身柔顺对接过程中叉耳式连接结构的接触力预测模型。     

基于形貌优化法的无轴承开关磁阻电机减振降噪

脉振的径向电磁力作为激励源作用于12/8极单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机（Bearingless switched reluctance motor with wider rotor teeth,BSRMWR）的定子齿面并传送至定子轭部及机壳,会引发较大的振动噪声,阻碍其推广应用。针对这一问题,本文从本体结构的角度入手对电机壳体进行优化改进。采用三维多物理场有限元模型,建立了BSRMWR电磁-结构-振动-声场耦合模型。通过对BSRMWR电磁场进行瞬态分析,得到径向电磁力。将模态应变能方法应用于BSRMWR的壳体得到电机外壳结构有较大的应变能,说明电机壳体结构的薄弱。基于此,通过形貌优化的方法对电机的壳体结构进行优化。结果表明,采用形貌优化后机壳结构的BSRMWR,其振动和噪声均有显著改善。     

蜻蜓起飞过程飞行特征实验

针对蜻蜓自由起飞过程和准自由起飞过程进行实验观测,采用两个光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了两种起飞过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行运动特征分析与对比。实验结果表明:蜻蜓在自由起飞过程中采用同步振翅,离地后逐步转换成异步振翅(约110°),最大瞬时竖直加速度可以达到20m/s2;在准自由起飞过程中采用异步振翅(相位差180°),之后相位差逐步降低,最大瞬时竖直加速度为12m/s2;此外发现同步振翅、大攻角下拍及大拍动角有利于升力的产生。      

叶片磨抛机器人力/位混合控制的设计与实现

为提高航空类发动机叶片的自动化磨抛精度,减小复杂曲面叶片加工轨迹控制误差,采用基于六维力传感器的机器人力/位混合控制策略,实现机器人磨抛轨迹的在线修正。搭建以Staubli机器人和ATI六维力传感器为核心部件的叶片磨抛验证平台,通过C++开发上位机,采集磨抛过程中六维力传感器信息并进行Kalman滤波。通过示教确定机器人运动轨迹,对机器人运动轨迹与力传感器信息进行采集分析,确定基于力/位混合控制可以实现机器人运动轨迹的在线修正,为复杂曲面的叶片磨抛轨迹控制提供一种解决方案。