基于交叉簧片式铰链的变弯度机翼机构设计

为了研究机翼弦向连续变弯度的设计问题,提出由柔性后缘机构与刚性连杆驱动机构组成的机翼变弯度设计方案以及建模分析方法. 基于交叉簧片式柔性铰链设计机翼机构构型. 采用链式梁约束建模方法,建立柔性后缘机构的理论力学模型,得到其受力和变形的关系,并利用有限元仿真对理论力学模型进行验证. 在力学模型的基础上,采用NSGA-II多目标遗传算法优化机翼机构的相关尺寸参数,提升机翼的气动特性. 经优化,机翼巡航阶段的升阻比提升1.09%,起降阶段的升力系数提高2.54%. 经实验验证了设计的变弯度机翼机构变弯度的精度和变弯度的范围.     

复合材料后掠机翼的气动弹性剪裁方法研究

提出了一种混合多级结构优化算法,以大展弦比复合材料后掠机翼为研究对象进行了气动弹性剪裁设计。在满足强度、变形约束等前提下,以梁、肋、蒙皮厚度,对结构重量进行最小化设计;继续以减重为目标,满足颤振速度的约束,优化蒙皮各铺层的比例,并分析了优化中铺层比例对颤振速度的影响;采用遗传算法优化蒙皮的铺层顺序,以增大机翼的颤振速度。研究表明:混合多级结构优化不仅可以减轻机翼的结构重量,还能大大提高机翼的颤振速度;铺层比例优化结果表明较高的±45°铺层比例能使刚度分布更加合理高效。     

尺蠖型压电旋转驱动器的静动态特性研究

提出一种以压电叠堆为动力转换元件基于尺蠖驱动机理的精密旋转驱动器方案,驱动器定子上的传动单元均采用直角柔性铰链,对柔性铰链力学特性进行了分析,并建立了柔性铰链空间力学模型.对驱动器工作原理进行了分析,采用MSC Patran/Nastran软件对机械结构进行了仿真分析;并对所开发的驱动器样机进行了实验测试.测试结果与理论分析结果基本相符,所开发的驱动器样机具有定位精度高(单步绝对误差率<2%),性能稳定、可靠等优点,可望在超精密加工、精密光学等领域得到应用.     

面向人机交互的机器人变刚度柔性驱动器设计与分析

针对传统的高刚性机器人已无法满足人机交互安全性和复杂环境自适应性的不足之处,利用磁流变液的磁流变效应,提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。详述了柔性关节驱动原理,设计了驱动器的结构并进行力学分析,同时利用磁场仿真软件Maxwell进行驱动器的磁场分析。最后对驱动器性能进行仿真分析和实验验证,对比分析结果表明该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点,并且能够吸收振动或者冲击带来的能量,提高了机器人的关节输出能力。     

伸长型气动柔性驱动器设计与实验

设计了一种以压缩气体为动力源的伸长型“刚-柔耦合”气动柔性驱动器,驱动器采用内外嵌套结构,内部为弹性气囊,外部为约束弹簧,能有效提高驱动器刚度。为研究不同刚度的约束弹簧对气动柔性驱动器静力学性能的影响,采用实验方法研究了不同弹簧丝直径的驱动器轴向伸长变形、驱动力与工作气压的关系。实验结果表明：驱动器伸长量随工作气压的增大呈非线性增加,在相同工作气压下,约束弹簧丝直径与驱动器伸长量呈负相关;伸长量为零时,驱动器具有的轴向驱动能力最大,不同刚度驱动器驱动力最大驱动力相同,与工作气压呈正相关。本研究为伸长型气动柔性驱动器在软体机器人的进一步应用提供可行方案。     

基于柔性铰链放大的压电叠堆泵

基于压电和精密驱动技术,利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机,进行了试验研究。分析了压电叠堆Tokin AE0505D16的滞环特性,从理论上研究了该压电叠堆的刚度特性和快速响应特性。设计制造了用于位移放大的柔性铰链放大机构,对柔性铰链放大机构扭转变形和转角刚度的影响因素进行了理论分析,确定了所设计的柔性铰链放大机构各结构参数;测试了柔性铰链放大机构在不同电源激励下的动态响应、幅频特性、迟滞特性、输出力与输出位移特性,得出了影响放大机构放大倍数和输出特性的因素。利用有限元分析软件对放大机构进行了分析,进一步验证了放大机构的可行性和安全性。通过改变试验参数(电压、频率),对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了输入电压、输入频率对泵输出流量和输出压力的影响程度。     

基于多节转动机构的变弯度机翼后缘结构设计

变弯度后缘可以使飞机在整个飞行包线内始终保持最佳的气动性能，从而达到减少飞机燃油消耗以及空气污染物排放的最终目的，是新一代民用飞机的重要特征和发展方向之一。为解决大型飞机变弯度后缘高承载与大变形之间的设计矛盾，提出了一种基于多节转动的变弯度机翼后缘结构方案，建立了以实现光滑连续变形为目标的多节转动机构参数化优化方法，完成了多节转动变弯度后缘结构的设计与制备，并搭建地面试验平台对变弯度后缘原理样件的变形功能进行了验证。结果表明，通过所提出的多节转动机构优化方法设计得到的变弯度机翼后缘可以实现光滑连续变形，原理样机实际变形范围为上偏3.9°至下偏12.5°,与设计目标误差为16.7%,为解决大型飞机变弯度结构工程应用问题提供了设计参考。     

颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr-Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.     

基于HyperWorks的尾翼水平安定面结构优化设计

在设计某飞机尾翼水平安定面时,基于HyperMesh对其进行有限元建模,应用OptiStruct软件对其结构进行优化设计。通过优化计算,得到了蒙皮、翼肋厚度分布,实现了结构轻量化设计,优化效果明显。使飞机结构性能有所提高。促进了飞机设计进展。     

一种载荷路径可控的柔性机翼前缘拓扑优化方法

形变柔性机构拓扑优化设计是解决自适应机翼前后缘连续平滑变形的关键。针对柔性机构传统基结构法拓扑优化结果依赖于其初始结构构型产生方法,存在自由单元和不连续结构的问题,提出了一种载荷路径生成可控并避免路径交叉的方法,运用自适应遗传算法,结合机翼前缘形变柔性机构进行拓扑优化设计,分别用MATLAB编程设计计算和用ANSYS对优化结果进行了有限元形变性能分析,并与传统的载荷路径法的拓扑优化进行了对比分析和实验验证。结果表明:所采用方法有效解决了优化前初始结构构型生成的可行性问题,提高了优化的收敛速度和精度。     

轿车司机门静态刚度试验分析

针对轿车司机门的设计要求,以某款轿车司机门为例,通过静态刚度试验系统对司机门窗框、窗台线、外板以及铰链进行静态刚度试验分析。结果表明：窗框的刚度在抵抗车身撞击变形有足够的能力;窗台线在受到外界载荷力下变形较小,满足设计要求;司机门外板在载荷作用下具有较好的弹性变形能力而不至于产生凹痕;司机门在垂直载荷下,门铰链有足够刚度保持原样。     

基于分布式惯导测量的机翼弹性形变算法

飞机在飞行过程中产生的机翼弹性形变难以预测,对此,提出了一种基于分布式惯性导航的机翼形变测量方法. 首先,根据机翼的模态信息及理论模型利用粒子群算法对机翼上的关键测试点进行了布局优化研究;其次,提出了一种相对运动惯性导航解算方法,建立相对惯性导航误差估计的联邦卡尔曼滤波模型,实现了各节点在机翼挠曲变形下的实时对准,并通过联立多子节点的位姿信息描述机翼形变;最后,设计了机翼加载实验,并验证了该算法的精度及有效性. 结果表明,机翼形变测量的三维位置误差与姿态误差均得到了改善,说明该方法具有较高的估计精度并在动态环境中有较好的形变监控能力.     

网络式气动软体驱动器设计、制造与实验

采用硅胶材料设计了一种网络式气动软体驱动器,软体驱动器在通气条件下可实现弯曲变形。设计了驱动器模具,并制作了驱动器样机,进行了驱动器静力学实验与有限元仿真。结果表明：软体驱动器具有较好的柔性和灵活性,最大弯曲角度可达到323°。该研究为软体驱动器的进一步应用奠定了基础。     

基于Optistruct的电池包箱体上盖优化设计

采用ANSYS Workbench平台对电池包箱体进行静、动态有限元分析,得到箱体结构的薄弱位置,并在上盖表面设置凸包结构进行局部加强。 基于Optistruct软件运用形貌优化技术, 优化上盖的局部刚度,获得了最终凸包结构的几何参数和平面布局,建立了优化后箱体上盖的三维模型。经验证,优化后上盖最大变形量较优化前降低了72%,其一阶固有频率为28.55Hz, 可避免共振情况发生,最大等效应力为101MPa。优化后上盖的刚度、强度得到显著提升,此研究为进一步分析实际电池包箱体结构奠定基础。     

异形柱结构在工程中的应用与分析

对在同一平面内即布置矩形柱又布置异形柱的结构做了时程分析,又对底层采用矩形柱的异形柱结构进行了抗震分析,结果表明改进后的异形柱结构变形更小,各层刚度分布更为均匀,有利于抗震。     

排气管焊接夹具夹爪的优化设计

利用有限元软件ANSYS Workbench对排气管焊接夹具夹持机构的夹爪进行静力学分析,得到夹爪的变形和应力分布情况。在夹爪满足排气管焊接中强度和刚度要求的前提下,对夹爪采用多目标优化中的响应面优化法对其进行尺寸优化,首先建立夹爪优化的数学模型,设置目标函数和约束条件,然后将夹爪各个尺寸进行参数化,通过计算得到夹爪最优设计尺寸。再采用变密度法对夹爪结构进行拓扑优化,以减轻其质量。将夹爪优化前后的变形和应力分布情况进行比较,结果显示优化后夹爪在应力和变形满足设计要求的情况下,夹爪的重量减轻了18.2%。     

集装箱房抗侧刚度分析Ⅰ:整箱蒙皮效应

作为轻钢结构,集装箱房的水平抗侧能力是其抗震抗风设计的重要力学性能指标,而目前却缺乏可靠的理论计算式用以分析.为对实际工程设计提供参考,且为完善波纹蒙皮结构的理论体系,本文对集装箱房水平抗侧刚度的计算式进行推导.区别于传统利用螺栓连接的蒙皮结构,集装箱房的侧壁波纹板与其钢框架之间是焊接连接的,在剪切作用下的平面内相互作用力分布以及变形组成有很大变化,求解关键在于分析波纹膜板在焊接边界条件下的蒙皮效应.基于能量理论,结合ABAQUS有限元模拟方法,分析了集装箱房在顶部水平均布荷载作用下的理想抗侧刚度以及顶角件处水平集中荷载作用下的局部效应,分别得到相应的抗侧刚度计算公式,并利用已有试验数据对理论进行验证.结果表明:集中荷载作用下,加载端局部变形远大于整体侧移,且局部效应的有效作用范围同上侧梁线刚度、集装箱规格有关.实际工程中,通过增加上侧梁有效截面面积或上下层之间的连接件数量,可有效减小局部变形,提升整体抗侧能力.     

轻质材料微结构构型的拓扑优化设计

为了减轻结构的质量和降低成本,针对轻质材料,提出将整体的边界条件转化为微结构单胞的边界条件,建立微结构单胞的有限元模型,并运用变密度方法和优化准则法结合求解微结构单胞的拓扑优化问题.优化模型是在相应的体积约束条件下以变形能为目标获得最大刚度的微结构单胞.利用优化准则设计方法的计算公式,改变单元的相对密度值,小于阀值的单元进入下步迭代,如此反复,实现拓扑优化.采用适当的惩罚因子和阀值对迭代进行控制,提高了收敛的速度和精度,优化结果表明,该方法可以获得优化的微结构单胞,得到相同体积下最刚的多孔材料,降低了结构的重量和成本.