微机械陀螺的多学科设计优化建模的研究

以梳状音叉式振动微机械陀螺为例,将多学科设计优化（MDO）方法应用到微机械陀螺的优化设计中。将微机械陀螺复杂系统分解为归属不同学科的多个子系统,阐明了在多学科设计优化中各子系统之间的相互关系。建立了微机械陀螺的结构设计、机械性能、电学性能子系统和系统级的多学科设计优化模型。用已研制的MMCDO多学科混合协同设计优化算法计算,得到了满意的优化设计结果。     

基于隐式参数化的车身多学科轻量化设计

为实现整车综合性能的快速方案验证和优化设计,在新车型设计阶段构建车身隐式参数化模型,并对其进行模态、刚度和安全等综合性能计算,验证参数化模型的有效性。基于灵敏度分析、试验设计（design of experiments, DOE）方法和近似模型优化等策略,对某白车身进行多学科轻量化设计。优化设计结果表明,白车身的模态、刚度和安全性能均满足设计要求。     

基于响应面法的三维炮尾结构设计优化

为满足某炮尾结构布置的特殊需要,在输弹槽贯穿托弹板的开放式炮尾结构基础上,重新设计传力结构;采用基于响应面法（Response Surface Method,RSM）的多目标遗传算法NSGA-II寻找齿形传力结构的最优参数,通过编写Python脚本控制Abaqus内核实现自动前处理,对其进行有限元分析,并基于iSight实现多目标三维模型设计优化.该方法摒弃传统的二维优化三维验证的理念,将多目标遗传算法与RSM结合起来,在iSight中直接进行三维模型设计优化,可节省计算时间、提高计算效率、改善设计水平.     

基于响应面法的汽车前防撞梁轻量化分析

将原来的汽车前防撞横梁材料替换成超高强度钢后,在确保低速碰撞性能基础上,利用响应面法进行轻量化分析.建立前防撞梁有限元模型,用LS-DYNA进行低速碰撞仿真.在此基础上以横梁和吸能盒的厚度作为变量进行试验设计.构建各项碰撞性能的2阶多项式响应面模型,并验证模型的有效性.以质量和吸能作为优化目标,建立多目标优化模型.与原设计相比,求出的优化方案在保证低速碰撞性能的基础上实现前防撞梁减重36%.     

赋权控制分配策略的权系数多目标优化设计

针对多操纵面飞机控制权值参数多、虚拟可达集使用率低的问题,基于改进非劣排序遗传算法(INSGA),提出一种离线设计控制分配策略权系数的多目标优化方案。给出了加权伪逆和混合优化两类赋权控制分配模型,推导了统一的控制律。考虑分配效率和分配模态的性能要求,建立了权系数多目标优化模型,并采用INSGA进行了离线计算。仿真验证结果表明,所提出的方案可提供多组折中的Pareto最优解,能够实现赋权控制分配策略的权系数多目标优化设计。     

基于多工况的车门结构多目标优化设计方法研究

车门结构的单一工况优化设计常难以满足车门设计要求。本文基于车门垂直刚度和一阶模态两工况,提出一种车门结构多工况多目标优化设计方法。以车门垂直刚度、一阶频率和车门质量为优化目标,通过均匀拉丁方试验设计和响应面方法得出车门垂直刚度和一阶频率的近似数学模型,并在此基础构建车门结构多目标优化模型。最后采用多目标遗传算法对其进行求解,最终优化结果在车门质量减少的情况下,垂直刚度和一阶频率均达到设计要求,达到预期优化效果。     

基于遗传算法的磁浮列车悬浮控制参数优化

悬浮系统本质上是不稳定的,要通过设计控制器使得闭环系统稳定。对单铁悬浮控制模型,采用基于磁通反馈的间隙PID控制算法,通过合理选取控制参数可以达到良好的控制效果。为使悬浮控制器具有良好的跟踪特性同时保证磁浮列车的乘坐舒适性,需要限定悬浮系统闭环带宽。应用遗传算法进行控制参数优化设计,对基于ITAE的适应度函数进行改进,对不满足闭环系统带宽要求的个体进行惩罚,设计基于遗传算法的悬浮控制控制参数优化算法,并通过实例计算验证了算法的有效性。     

基于DOE方法和循环逼近方法的螺旋桨优化设计

随着对螺旋桨性能要求的不断提高,螺旋桨设计面临着多目标、多学科综合提高的难题.在iSIGHT多学科优化设计平台上,采用试验设计方法和与基于响应面模型的逼近方法相结合的优化方法而建立的设计工程,不但完成设计过程的自动化和智能的设计探索,而且确定最佳设计参数使螺旋桨效率和最小压力系数都有提高,实现了优化设计的目的.     

基于ANSYS Workbench的停车顶检测车底架优化设计

运用三维设计软件SolidWorks建立了停车顶检测车底架的参数化模型,利用ANSYS Workbench软件对原有底架进行了静力学分析和形状优化设计,然后建立尺寸优化设计数学模型,对底架进行了响应面分析和灵敏度分析,运用多目标遗传算法(MOGA)对形状优化后的模型进行了尺寸优化设计,两次优化设计后的底架,质量降低了34％,实现了检测车底架结构的轻量化设计,节约了搬运过程中的人力物力,降低了工程造价,同时为以后类似结构的设计提供了参考依据.     

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。     

基于IAP15F2K61S2的 门禁控制系统的设计与实现

基于IAP15F2K61S2设计了一种低成本门禁控制系统,以IAP15F2K61S2为核心控制器,分别利用了传感器FM70和MFRC522门禁卡模块以及4x4的矩阵键盘来接收外界信息,利用AT24C02芯片来存储信息,使用液晶显示器12864来进行显示。当输入正确密码或者指纹信息以及1C卡感应时就会启动开门程序,多次输入错误的密码时会报警。实验表明,设计的门禁系统可以较快准确地识别密码等信息,从而进行相应的开门动作或报警。系统成本低,适用于民间普及。     

基于压电阻抗技术的结构初始裂纹监测研究

针对工程结构早期裂纹损伤,提出了利用压电阻抗法检测损伤区域高频局部动力学特性,通过监测局部动力学特性变化实现对早期损伤监测的方法。建立了压电阻抗有限元仿真模型并进行数值分析,结果显示压电导纳信号峰值频率即为结构某阶谐振频率,压电阻抗法能有效检测结构的动力学特性。针对不同大小裂纹的铝梁结构进行压电导纳仿真和试验研究,仿真和试验结果表明:压电材料的导纳峰值频率随着裂纹损伤增大而减小;同样的损伤程度下,高频谐振频率对损伤更为敏感。利用高频谐振频率变化来监测早期裂纹损伤的产生及发展,具有较好的重复性和信噪比,具有重要的应用前景。     

压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器是原子力显微镜(AFM)的关键组件。AFM在生物、材料及半导体等领域应用广泛,而利用AFM获得高精确的测试结果依然面临诸多挑战。其中,压电陶瓷驱动器具有迟滞、非线性等特点,在大范围高频工作状态下,对定位精度的影响更显著,这严重限制了AFM的进一步应用。本文围绕大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性展开研究,设计一种基于改进型多项式拟合算法的迟滞建模方法,使得拟合模型可随输入信号频率的变化而变化,充分提高压电陶瓷迟滞模型的准确性。实验表明,该方法可为压电陶瓷驱动器建立准确的迟滞模型,建模过程简单,通过设计基于该迟滞逆模型的前馈控制算法,可使驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器的线性度提高至1.5%。     

具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分传感系统

土壤水分是现代精准农业中的重要检测对象,目前常用的土壤水分传感器大多使用高频测量方法,电路制作成本较高无法满足大范围布设的要求。基于土壤水分含量变化影响土壤介电常数的原理,设计了利用电导率特性进行校正的低频电容土壤水分传感器,详细介绍了传感器的原理、组成以及含水量计算混合模型,并将传感器应用于低盐度、低有机物含量的黄土土样中进行了重复测试。测试结果表明,传感器的最大误差小于3.30%,平均绝对误差小于2.0%,能够满足农业生产对土壤水分检测的精度要求。     

近红外光谱定量分析的模型转移新方法

由于近红外光谱不同仪器间存在差异性,在一台仪器上耗费大量人力物力建立的定量分析模型往往无法直接应用于另一台仪器。为了提高已有模型的通用性,需要对所建模型进行模型转移使其能够适用于更多仪器。本文针对近红外光谱定量分析中的模型转移方法展开研究,利用基于变量投影重要性系数（VIP）的改进叠加偏最小二乘（SPLS）算法（VIP-SPLS）与常用的模型转移方法直接标准化（DS）相结合,提出一种新的近红外光谱分析模型转移方法（VIP-SPLS-DS）,使得主仪器上建立的模型经模型转移后能更精确地预测从仪器上的测试样本。将本文提出的模型转移新方法（VIP-SPLS-DS）应用于真实的近红外光谱标准数据集,对两台从仪器的预测精度相对于已有的PLS-DS模型分别提高了29.3%和30.8%,显著改善了模型转移效果,具有良好的实际应用前景。     

顾及任务适宜度的时空谱多星协同观测方法研究

基于多源遥感卫星的时间、空间、光谱协同优化观测是国土资源与生态环境安全监测技术研究的重要内容。针对已有多星协同观测任务规划方法在地物光谱特性方面考虑不足的问题,分析了典型观测目标分类、地物波谱特性、传感器波段、卫星载荷之间的逻辑递推关系,提出了面向优化目标函数的适宜度指标,构建了时空谱一体化的多星对点目标协同观测的约束优化模型;进而,采用基于启发式规则的贪婪算法对模型进行求解,实现任务优先级和任务适宜度的同步优化。最后,以新疆尾矿库污染、耕地荒漠化、水资源污染和城镇发展应用问题为例对本文提出的方法进行实际仿真实验,验证了研究内容的先进性和实际应用价值。     

综合灵敏度和品质因数的电涡流谐振测量电路参数优化

为提高电涡流传感器的性能,综合考虑了测量灵敏度和回路品质因数两个重要影响因素,研究了其谐振测量电路的参数选择优化方法。在不影响问题性质的前提下,建立了调幅谐振电路的等效简化模型。首先推导了电路阻抗和幅频响应函数的解析式,通过MATLAB数值仿真,分析耦合电阻R0,谐振电容C0对灵敏度影响。其次推导了测量回路的品质因数Q公式,并分析了R0和C0对Q的关系。最后通过实验验证参数取值对测量电路的影响,为电涡流传感器测量电路参数优化选择提供了有效的指导和参考。     

青藏高原冻土温度64通道监测系统设计

为了服务青藏高原铁路建设需要,本文在分析青藏高原冻土水热物理特性基础上,研究了冻土测试专用热敏电阻的非线性特性,通过实验逐点测试传感器温度值并进行分段拟合,得到热敏电阻的阻温关系曲线。结合青藏高原恶劣自然环境,设计了一种适应于青藏高原不同深度冻土温度监测系统。引入四线制方法,巧妙地设计了64通道温度监测电路,实现了不同深度冻土温度监测功能。根据测试精度要求,提出一种温度校正方法,解决了热敏电阻测量不稳定,信号畸变等问题。经过系统性能分析与实验室测试,结果表明系统能够满足不同深度冻土温度监测精度要求,功耗较低,具有良好的工作性能。     

基于卡尔曼滤波的四轴飞行器成像、惯性和高度组合导航

为了提高四轴飞行器在非结构化、室内和GPS失效环境下的导航精度,本文提出一种用于四轴飞行器的成像、惯性和高度组合导航。首先对四轴飞行器搭载的摄像机进行了标定,获取了摄像机的内外参数。其次设计了着陆标志为标准参照物,以及着陆标志识别方案。再利用卡尔曼滤波器融合视觉、惯性测量系统和超声波测距仪的数据,通过相似三角形定理估计飞行器的相对高度,利用视觉测程法估计飞行器位置和位移速度。最后验证组合导航的有效性,用成像、惯性与高度组合导航实验平台依次进行了相对高度估计实验、平移速度和相对位置估计实验,实验测试表明:在高度估计实验中,组合导航能够很好的描述四轴飞行器的飞行高度估计;在平移速度估计实验中,卡尔曼滤波器估计的速度估计值很平滑;相对位置估计实验中,四轴飞行器的x方向位置保持在原点附近,y方向位置保持在-1.0 m附近,高度位置的最大误差在0.3 m之内。     

电感变化率对涡流传感器性能影响的仿真研究

为了提高涡流传感器的电感灵敏度和热稳定性,研究了探头线圈的结构、激励频率和温度对线圈电感变化率的影响。首先通过COMSOL Multiphysics仿真软件构建稳态物理模型并加入瞬态温度模块,通过参数化扫描仿真,验证该模型的合理性。其次在稳态恒温实验条件下对线圈内外半径、厚度、匝数进行仿真,得到导线直径不超过40μm、内半径0.1mm^0.5mm、外半径2.5mm的60匝单层平面线圈的电感灵敏度和测量分辨率最佳。最后在瞬态变温实验条件下得到激励频率900kHz时可以最大程度的提高传感器热稳定性和电感灵敏度,减小温度引起的误差。