基于子系统的非线性时变系统辨识方法

针对非线性时变系统提出一种基于子系统的辨识方法，用于时变多自由度（multiple degree-of-freedom，简称MDOF）系统中非线性的定位和估计，并且无需关于系统的先验知识。所提出的新方法提供一个连续时间模型，MDOF系统按照自由度被分解为不同的子系统。设计正交化算法和误差减小率（error reduction ratio, 简称ERR），可以确定子系统中质量和自由度之间的线性及非线性连接的所有信息。在辨识过程中，时变参数的时间表达式可以由新方法准确给出。用一个3自由度（degree-of-freedom, 简称DOF）集中质量系统和一个机械臂结构的辨识过程为例，对所提出的方法进行验证。由于简单性及高效性，此方法将在实际工程中取得广泛的应用。     

翼面热颤振的分区协调耦合推进时域研究

提出了基于分区协调耦合推进的翼面热颤振时域研究方法，其中气动力和气动热采用有限体积法求解，且流场空间离散采用AUSM+格式，而结构温度场采用有限元法求解。采用模态叠加法进行结构瞬态响应的求解，在耦合面上采用基于虚拟空间的插值方法进行耦合变量的传递。研究了高超声速翼面的热颤振问题，获得了不同马赫数下的翼面温度场分布。根据“频率重合理论”获得了热环境下翼面一阶弯曲和一阶扭转频率的相互靠近导致了翼面临界颤振速度下降的结论。     

形状记忆合金丝驱动的可弯曲孔探仪机构设计

针对孔探仪探头自动弯曲避障的工作需求,设计并实现了一种由双程形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)丝驱动的自主弯曲机构。搭建了SMA丝作动特性测试平台,对SMA丝的驱动行为特性进行系统的分析,发现直径为0.5 mm的SMA丝收缩率达到4%,可带载83.23 N,满足孔探仪弯曲的驱动要求。此外,建立了可弯曲孔探仪机构的运动学模型,得到了末端搭载光学镜头的可达空间。同时对机构进行了控制试验,结果表明,机构的最大弯曲角度为22.3°,所设计的孔探仪可弯曲机构具有实用性。     

基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机

针对现有旋转超声电机不易与其他装置连接,以及因弹簧预紧造成轴向尺寸过长等问题,笔者提出了一种基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机。电机由定子和锥形转子组成,定子采用一圆环加双腿式结构,在定子双腿外侧贴有纵振和弯振压电陶瓷片,双腿内侧有4个连接耳。电机定转子之间采用硅胶环和E型卡环进行预压力施加和端部紧固。电机利用圆环内侧周向行进的面内行波驱动转子旋转。利用ANSYS有限元软件对定子进行仿真分析,研究结构对模态的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的粘贴位置;并对定子模态频率进行灵敏度分析,指导定子结构尺寸(设计变量)的修改,以提高优化效率。制作多组样机并开展实验研究,机械输出特性的实验结果表明:该电机体积小,最大宽度仅为12 mm;结构紧凑,总质量为6.9 g,易于与其他驱动装置连接;最大空载转速为338 r/min,最大输出扭矩为1.44 mN·m。     

矩形舵面应变模态测试中的传感器优化布置

针对矩形舵面结构应变模态测试中信噪比低、模态阶次遗漏等问题,研究了应变传感器的优化布置方法。首先,建立应变传感器布置的动力学模型;其次,基于应变振型,研究了有效独立法（effective independence, 简称EI）、MinMAC法（minimize modal assurance criteria,简称MinMAC）和奇异值分解法（singular value decomposition,简称SVD）的应用;最后,利用振动台对矩形舵面模型进行了实验验证。结果表明：测点优化前,应变响应信号缺少第2阶模态信息,应变振型向量正交性差;测点优化后,根据应变响应信号能够准确识别第2阶固有频率和阻尼比,振型向量的正交性得到改善。该优化后结果验证了传感器优化布置的必要性和有效性。     

基于自适应技术的结构参数与输入同步反演

发展一种基于遗传优化算法的自适应追踪技术,结合输入未知条件下的二次误差平方和方法,利用事件中的加速度响应数据实现结构参数与输入的同步反演,判断并追踪结构损伤,包括损伤发生的时间、位置和程度。三自由度迟滞非线性系统数值仿真结果表明,该方法能够精确有效地追踪结构参数的变化,并同步反演结构的未知输入。此外,对三自由度基础隔振结构模型进行了多工况实验研究。结果表明,所发展方法能够实时有效地追踪结构时变物理参数、反演结构未知基底激励,进而精准地获取结构的损伤信息。     

两级复合放大箝位步进压电直线电机

针对尺蠖式电机运行过程中导轨与动子对加工与装配要求过高的问题,提出了一种尺蠖式原理的两级复合放大箝位步进压电直线电机,分析了电机的工作原理,设计了电机箝位机构和总体结构。利用有限元软件对箝位机构进行仿真分析,得到柔性结构的最佳尺寸。制作样机并设计实验,得到了电机的速度特性曲线并进行分析。样机的实验结果证明了该方案的可行性,并且在电压峰峰值为100V、频率为150Hz的方波信号激励下,电机的空载速度可达1.23mm/s,最大推力可达1.6N。该电机有效降低了驱动器的加工与装配要求,增强了电机运行的稳定性。     

卫星典型复合材料蜂窝结构板的冲击定位方法

针对一种典型复合材料蜂窝夹芯结构,构建了光纤Bragg光栅传感系统,实时监测材料冲击响应信号,对信号进行了小波包分解获得其能量谱。结果表明,第16阶小波包能量对冲击敏感。利用能量幅值比进行冲击定位,平均误差为1.87cm。该方法能够有效判定冲击位置,为卫星结构健康监测提供了一定的依据。     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

多工作模式压电直线电机的设计与研究

提出了拥有多种工作模式的新型非共振式压电直线电机。对电机的核心部件定子结构进行了设计与建模,分析了其在3种工作模式(连续作动模式、交替步进模式以及单步作动模式)下的作动机理。对电机的布置形式、夹持机构以及预压力机构进行了设计与研究,利用有限元软件辅助分析了结构的机械强度。制作样机并分别在3种工作模式下进行了一系列实验。实验结果证明了多工作模式的可行性:在连续作动模式下施加电压为100V、频率为100Hz的正弦信号,电机输出速度为446.4μm/s;在交替步进作动模式下施加电压为100V、频率为100Hz的方波-三角波信号,电机输出速度为6 031μm/s;在单步作动模式下,电机作动单步步距小于同等条件下交替步进模式步距,当施加电压为30V、频率为1Hz脉冲信号时,其平均步距约为333.33nm。新型直线电机可以适应多种不同场合的工作需求。