折纸启发的折叠式柔性关节及步行机器人设计

基于折纸折叠原理启发的新构型的开发与应用日益成为相关领域的研究热点,其中,平面折痕的设计、三维形体的折叠、构型的运动特点、自由度及与之相配合的驱动设计都是需要解决的问题.首先,在经典的Water-Bomb折纸基本单元的基础上设计出具有单自由度的非汇交折叠单元的平面折痕,将基础折痕进行组合设计以及三维折叠设计,得到两种具...     

超短型内嵌式遮光罩设计

为了在不影响杂散光抑制效果的同时减少空间遥感器的结构尺寸,方便其姿态控制,提出了一种超短型内嵌式遮光罩。介绍了超短型内嵌式遮光罩的基本结构形式及其优化设计方法。重新设计了遮光罩的形状,采用超短型多层遮光筒结构代替了传统设计中过长的外遮光罩。改变了遮光罩与主体结构的安装方式,将遮光罩嵌入式安装于空间遥感器的主体结构,最大限度地压缩了结构尺寸。以某航空相机光学载荷为例,分析了该种遮光罩的可行性和消杂散光效果。采用Light-tools软件优化设计了双层同心圆柱筒结构的遮光罩,并对该遮光罩的杂散光抑制效果进行了评估。模拟计算结果表明,外遮光罩采用超短型内嵌式结构后,遮光罩总长度和重量均减小为传统设计结果的1/3。系统的点源透过率(PST)曲线显示其整体呈下降趋势,且在离轴角大于25°后,光学系统的PST降低到10~(-7)以下。另外,设计的遮光罩能够有效抑制视场外杂散光,其杂散光抑制能力与其他离轴、同轴系统大体相当,满足使用需求。     

软顶篷折叠机构优化设计

根据某型软顶敞篷车顶篷的运动功能要求,设计出一种三截式八杆折叠机构,对该机构进行了尺寸综合,推导了满足展开和收折位置的折叠机构数学模型,从而实现机构的参数化设计与分析。在此基础上,以折叠机构占用行李箱空间最小化为目标,建立了顶篷折叠机构的优化模型,采用模拟退火法进行优化求解,得到了机构的最佳尺寸。最后建立了顶篷折叠机构的三维模型,并进行运动仿真分析,验证了机构的合理性。     

类椭圆截面吊臂的约束扭转特性研究

综合分析常见椭圆截面和大圆角矩形截面大吨位起重机吊臂结构力学性能,提出了一种类椭圆截面起重机吊臂结构。根据吊臂旋转平面受力状态,可将基本臂简化为闭口曲边截面悬臂薄壁梁力学模型。然后基于乌曼斯基理论,推导了该力学模型的约束扭转特性计算公式。并基于MSC.PATRAN/NASTRAN有限元数值分析验证了理论计算公式的正确性。通过算例分析,获取了一类椭圆截面吊臂的约束扭转翘曲正应力和翘曲位移等重要分析参数。研究表明,推导的理论公式可为类椭圆起重机吊臂的约束扭转分析提供一种简便可行的计算方法。     

R-C系统消杂散光设计与效果评估

研究R-C系统的消杂散光以提高其成像质量。从杂散光的能量传输方程出发,分析总结了杂散光消除的基本途径。按照R-C系统杂散光消除的具体要求,结合作图法,推导出初始中心遮光比确定时的内遮光罩顶点坐标公式;为了减小初始中心遮光比,将次镜锥状遮光罩改进为百叶窗式结构。设计了杂散光源抑制角已知时的外遮光罩。最后,给出在Tracepro中利用仿真模拟测定杂光系数的方法及R-C系统遮光罩的应用实例。     

平面二次包络环面蜗杆数控磨床加工建模及仿真研究

分析了平面二次包络环面蜗杆数控磨床的加工原理,根据该原理及磨床结构建立了坐标系,创建了理论状态下的平面二次包络环面蜗杆数控磨床数控加工的数学模型,并依照该数学模型,选取了平面二次包络环面蜗杆副的参数,运用Matlab软件进行了仿真,得到蜗杆齿面图形,与采用传统加工方法获得的蜗杆齿面图形一致,验证了该加工方法的正确性。     

钣金式两级折叠车架结构设计及优化

针对目前折叠自行车采用管件焊接、折叠后体积大、质量重的现状,设计了一种采用两级折叠和钣金弯曲后相互嵌套的连接车架,建立了其结构模型,并对结构进行了有限元分析和结构优化。结果表明车架折叠后长度为原长的1/4,车体重量相应减小15%,达到了体积小、重量轻和加工方便的目的。     

尺寸树在图形尺寸自动修改中的应用

根据工程图中轴向尺寸链和非封闭式平面尺寸链构成主要几何约束这一事实，通过引入尺寸树的概念，从而将几何约束系统用树的结构来描述，并用数据文件保存起来。在调用该图形进行参数化设计时，实现图形的快速生成。     

基于截面复合曲线约束重构的反求工程参数化建模

提出了基于截面复合曲线约束重构的反求工程参数化建模方法,并对其中的截面数据获取、平面离散曲线分段及整体约束逼近等关键技术进行了系统研究。给出了截面数据获取的点云切片法;设计了拟合误差控制下直线段与圆弧段数据分离的区域生长法;建立了截面复合曲线整体约束逼近的最优化数学模型,并用Lagrange乘子法进行了优化模型求解。最后给出了一基于约束重构的截面复合曲线进行反求工程参数化建模的实例。     

空间增阻薄膜结构研究进展及关键技术

概述空间碎片的严峻形势和碎片减缓领域未来趋势,梳理国内外小卫星星座计划,介绍卫星离轨规范问题最新进展;提出空间增阻薄膜结构技术因成本低、技术成熟度高,对不同规格低轨道类航天器具有很好适用性,最易于推广应用于空间碎片减缓;对空间增阻薄膜结构技术国内外发展现状进行梳理,并提出空间增阻薄膜结构主要关键技术,对增阻薄膜结构构型设计技术、长寿命材料技术、折叠展开技术和低成本设计技术等进行分析。分析表明,未来星座计划迅速发展将进一步加剧空间碎片严峻形势;现有的碎片减缓规则不能满足要求,新的规则将很快推出,对增阻离轨薄膜结构技术提出了迫切需求;目前空间增阻薄膜结构的主要关键技术都取得了突破,并已完成搭载验证,具备用于卫星离轨的条件。     

基于ADAMS的快装塔式起重机起重臂折叠机构设计及仿真分析

为了解决运输时快装塔式起重机折叠高度过高的问题,设计了一种起重臂间的折叠机构,并根据起重臂截面尺寸,对机构的销轴位置作初步计算和定位。为验证该机构的可行性,利用三维建模软件Pro/E建立起重臂折叠机构的三维模型,导入多体动力学软件ADAMS中,根据折叠机构的工作原理添加约束副和驱动函数,建立折叠机构虚拟样机模型,对其进行运动学仿真分析。仿真结果证明,设计的机构能够满足起重臂从折叠到展开过程中的位移、速度和加速度等运动要求,故该机构是正确可行的,通过对运动特性的研究为折叠机构的结构优化提供依据。     

基于MATLAB的行星轮系优化设计

针对行星轮系的常规设计流程常规设计的不足,以行星轮系体积最小为设计目标,确定目标函数与约束函数,建立最优设计的数学模型。根据所建立的数学模型,采用MATLAB优化工具箱中的fmincon优化函数编制相应的M文件并运行得到优化的设计参数,减小了行星轮系的体积,提升了设计的质量。     

基于复杂工程约束的车身梁截面优化设计

通过对车身梁截面设计约束问题的研究,将车身薄壁梁截面形状优化设计问题和截面的材料、厚度等离散参数优化问题耦合起来。以工程设计中的可装配性和可制造性为设计约束,建立车身梁截面多目标优化方法。该方法以车身梁结构性能、成本、质量为目标,通过对梁截面形状进行独特的编码,实现以梁截面的形状、厚度、材料为设计变量的多目标优化模型,该模型采用NSGA-II遗传算法实现了多目标优化问题计算。基于该方法实现相应的软件模块并建立材料参数与厚度数据库。实例证明,该方法既可用于车身概念设计阶段确定满足设计目标且符合工程要求的梁截面形状参数,也适用于详细工程设计阶段对现有车身截面进行局部优化以增加车身刚度和减小部件质量。     

抛物面式固体反射面天线结构的展开设计

针对固体反射面可展天线结构的分块数量和包络尺寸等实际需求,对抛物面刚性可展天线结构进行分块优化和连接设计。依据可动性分析,分块优化选用双自由度的单顶点五折痕模式,但是通过约束折痕转动实现反射面运动路径可控。采用平面单位圆模型定性分析分块节点的几何参数对机构收纳比的影响。以收纳比为优化目标函数,以刚性约束、碰撞约束和可动性约束为优化约束条件,建立抛物面刚性可展天线结构的优化框架,并采用1st Opt结合简面体爬山法结合通用全局优化算法计算分块参数。针对面板转动过程碰撞问题,进行了面板连接节点和转动轴设计。仿真分析和3D打印分块模型结果说明该方法的可行性和合理性。     

刚度约束条件的周期性拓扑优化研究

板条状结构的设计域具有较大的长宽比,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、易于加工的拓扑形式或求解困难。提出了一种刚度约束条件下基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型(SIMP)的周期性拓扑优化的方法。建立了以结构的体积作为目标函数,单元相对密度为设计变量的周期性拓扑优化问题的数学模型。为了保证优化结构可以获得周期性的拓扑形式,在数学模型中设置额外的约束条件。通过优化准则法推导出虚拟子域设计变量的迭代公式,利用刚度约束计算出拉格朗日乘子。引入过滤函数解决拓扑优化容易出现数值计算不稳定,导致棋盘格、网格依赖性等问题。利用所提出的方法,对平面矩形悬臂梁结构进行拓扑优化研究,获得清晰的、易于加工的周期性拓扑形式。结果表明:当子域数目取值不同时,均可获得清晰的、易于加工的周期性拓扑形式,且具有良好的一致性。通过该典型算例验证了利用变密度理论SIMP插值模型实现周期性拓扑优化的可行性和有效性。     

SIASAIL-Ⅰ太阳帆展开机构

结合太阳帆构型及其性能要求,设计三轴稳定、整体张拉式正方形太阳帆的展开机构。对展开机构进行伸展杆同步性设计,并计算验证同步性设计的合理性。采用有限元方法分析了薄壁管状帆桁构型对其抵抗拉伸/弯曲变形的影响,结果表明豆荚形帆桁的综合性能最优。对2根C形杆点焊形成的人字形帆桁和正常人字形帆桁进行了静力学分析对比。分析了人字形帆桁伸展过程出现"鼓包"现象的原因,并提出防"鼓包"设计。对比了3种不同的帆膜折叠方式,给出折叠次数与最大卷绕高度的关系,定义折痕指数Z以比较不同折叠方式在折叠次数、收拢体积等方面优劣,发现折叠方式C特性最优。最后完成了SIASAIL-Ⅰ太阳帆的研制工作,并分别开展了帆桁带膜地面展开试验测试。试验过程平稳,未出现"鼓包"现象,各伸展杆实现了较好的同步性,验证了展开机构的可行性。     

武器射击仿真装置减速器优化设计

根据武器射击仿真装置的俯仰平台工作要求,通过选取合理的设计变量和确定约束函数,建立了蜗轮传动中心距为研究对象的优化设计数学模型,采用MATLAB算法进行了求解减小蜗轮传动中心距、达到减小减速器体积的目的。     

渐开线谐波齿轮空间齿廓设计及优化分析

为了提高渐开线齿廓谐波齿轮的啮合性能,利用柔轮装配变形的包络精确算法获得了设计截面内共轭齿廓离散点,基于渐开线特征对共轭齿廓离散点拟合,得出刚轮渐开线齿廓.考虑柔轮锥度变形的影响,建立了侧隙优化控制模型,对不同径向位移下柔轮截面的变位系数进行了优化.部分柔轮截面在减小齿廓工作段高的基础上再选择合理变位系数,设计出满足空间啮合要求的渐开线齿廓谐波齿轮,并通过运动仿真分析对设计结果进行了验证.结果表明,相对于设计截面,最大径向位移增大的截面通过减小变位系数可避免干涉,最大径向位移减小的截面通过增大变位系数可获得良好啮合性能;变位系数调整量与该截面至设计截面间的距离成近似线性关系.对最大径向位移减小幅度较大而引起干涉的柔轮后端截面,需减小柔轮齿高并合理改变变位系数,才可获得良好的啮合性能.相比平面齿廓,所设计的空间齿廓能增大啮合区间和齿廓接触面积,较大幅度提升传动性能.     

基于可制造性约束的车身变截面梁关联优化设计

在车身主断面设计过程中,变截面梁的设计一直存在较多问题,其形状设计受到结构性能和可制造性因素的多重约束。文中对车身变截面梁的设计问题进行了研究,通过构造基于工程约束的形状优化关联设计变量,建立了车身薄壁结构的多截面关联优化设计算法,实现了考虑可制造性约束的变截面梁优化设计方法,还可支持多种材料设计。同时提出了适合工程优化的最优解选择评分公式,实现了最优解的自动选取。该方法既可以应用于正向设计过程中车身主断面的变截面梁轮廓线的确定,也可对现有梁的结构性能的改进优化,实现制造成本降低和车身轻量化设计。文中给出具体的变截面梁关联优化算法,并通过某车型B柱截面优化实例验证了该算法的有效性。     

基于遗传算法的摆线针轮行星减速器优化设计

为了解决摆线针轮行星减速器的传动效率低,结构不够紧凑的问题,通过推导其传动效率的公式,并对设计变量和约束条件进行研究,建立了以体积最小、效率最高为目标函数的优化设计数学模型。采用遗传算法,运用MATLAB软件编制遗传优化程序,调用遗传工具箱进行优化。优化设计结果与传统的设计相比,体积减小16.6%,效率增加2.06%,优化效果显著,从而为摆线针轮行星减速器优化设计提供一定的理论和方法。