摘要：调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。

摘要：基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voigt粘弹性理论和考虑压电材料的表面压电效应,建立三维波纹结构的理论分析模型;其次,基于能量原理和扩展拉格朗日运动原理,推导出该结构的动力学控制方程;然后采用二级四阶辛Runge-Kutta求解该动力学方程。通过数值仿真实验验证了辛算法的优越性,同时,还发现随着三维波纹型可延展结构外界激励及其结构参数的变化,该结构的振动特性会从倍周期向分岔和混沌转化;本文结果为三维波纹型可延展结构的优化设计及应用提供理论基础。

摘要：机器人协作系统是提高机械制造加工自动化与灵活性的有效方式,提出了一种基于协作工作空间与公共工作空间乘积(PTCWA)性能指标的机器人系统布局优化模型与方法。该方法采用解析法对多机械臂系统的公共工作空间和协同工作空间进行分析,研究系统布局与两种操作空间之间的耦合关系。基于机械臂D-H参数与机器人数量,对系统布局的极限位置进行分析。基于PTCWA性能指标与布局极限位置参数构建多臂系统布局优化模型,以系统性能指标最优为目标对优化模型进行优化求解。最后以由三个工业机器人组成的典型协作系统为实例进行仿真验证,结果表明以该优化模型进行优化求解可以得到机器人系统的最优系统布局参数。

摘要：针对传感信号畸变、丢失等故障状态严重影响空间机械臂控制系统性能的问题,提出基于空间机械臂运动传感器故障观测的无模型自适应容错控制方法。采用动态线性化和递推参数估计思想设计传感故障监测器,实现对传感畸变及数据丢失等故障的判定,并进行运动状态预测估计;建立包含跟踪误差变化率项的无模型自适应控制准则函数,有效惩罚由传感故障引起的参数估计突变问题;设计面向柔性关节空间机械臂的新型传感容错无模型自适应控制(SFT-MFAC)算法。仿真结果表明,在不同传感故障情况下,所提控制策略均能快速准确识别传感故障信息,避免系统瞬时发散,有效延长系统响应时间,增加控制系统的鲁棒性。

摘要：针对飞行性能要求,采用NACA4412翼型设计了一种串联驱动变弯度机翼方案。将机翼沿弦向分为5个翼段,前缘部分为主承力结构固定段,后缘4段翼面由4个舵机实现串联驱动。偏转翼段内部采用空间五面体桁架结构,表面敷设复合材料弹性蒙皮。翼段间采用连杆止动以限制相对转角。建立了机翼的运动学分析模型,计算了变弯度机翼的作动速度。建立了机翼的气动分析模型,对4个典型飞行工况的气动性能进行了分析,并与传统舵面机翼性能进行对比。研究表明,在相同飞行工况下,弦向四级串联驱动变弯度机翼的作动时长仅为传统机翼的25%。起飞阶段升阻比增大71.94%,滚转机动时力矩增大12.46%,进近阶段升力增大11.19%,接地后减速阶段阻力增大104.83%。串联驱动变弯度机翼相对传统舵面机翼具有更优的操纵特性和气动性能。

摘要：为提高嵌入式传感器与结构集成工艺的效率,课题组提出了一种从传感器嵌入式设计到混合3D打印的方案,用于快速制造传感集成结构。课题组利用熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)和直书写(direct ink writing, DIW)相结合的混合3D打印技术打印嵌入式应变传感器;将试验中传感器测得的应变与有限元计算得到的应变进行对比。结果表明:打印的嵌入式应变传感器测得的应变与有限元计算得到的应变吻合良好,从而证明了课题组提出的混合3D打印技术的有效性和高效性。混合3D打印技术为传感器与结构集成工艺提供了一种效率更高、成本较低的方法。

摘要：空间机械臂在执行操作任务时会面临碰撞问题,例如主动捕获或被动碰撞均会引起机械臂瞬时动量急剧变化,机械臂杆弹性振动加剧,轨迹跟踪精度降低,甚至会导致空间机械臂系统失稳。空间机械臂是一种非线性、强耦合的复杂系统,尤其是对于碰撞过程,很难实现系统精确建模。为实现对空间机械臂碰撞过程的振动抑制,提出了模糊策略与无模型自适应控制相结合的模糊-无模型自适应控制(fuzzy model-free adaptive control,Fuzzy-MFAC)方法。基于臂杆振动位移响应和关节角速度误差设计模糊策略,对无模型自适应控制中步长因子与权重因子进行在线自整定,解决传统无模型自适应控制对于参数初值敏感的局限性,实现了对空间机械臂碰撞过程中的振动自适应控制。仿真试验结果表明,Fuzzy-MFAC方法相较于传统无模型自适应控制算法振动响应衰减速度提高了34%,振动幅值降低了42%,验证了该方法的有效性。

摘要：针对当前超声电机电参量的测试方法无法表征其启动瞬态电参量变化规律的问题,提出一种用于超声电机启动瞬态电参量测试的方法。基于加窗的短时傅里叶变换,对超声电机的驱动电压和驱动电流信号进行时频分析处理,得到超声电机启动瞬态下电流电压信号对应的频谱。利用单峰谱线插值法对信号的频谱进行插值修正,得到信号精确的幅值、频率和相位信息,并进一步计算得到阻抗、阻抗角等电参量信息。通过对仿真信号进行处理分析,验证该方法在启动瞬时电参量计算方面的准确性。搭建超声电机瞬态测试平台并对PMR-60/E型超声电机进行测试。结果表明,该方法能够揭示超声电机启动瞬态电参量在电机启动过程中的变化规律,可用于评估超声电机的振动响应特性,同时为超声电机等效电路模型的建立及驱动电路的设计提供重要信息。

摘要：功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务.本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计.(1)结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化,获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区.(2)进行空间梯度变化点阵结构参数优化,进一步扩大设计空间,获得变体分比的结构设计.相较于单一点阵微结构设计,两步优化策略可以更为有效地实现材料利用,显著提高结构刚度,且该方法适用于不同微结构构型,数值算例验证了该方法的有效性.

摘要：基于岛一桥结构的柔性电子器件因其优越的延展性,在可穿戴皮肤电子和航空航天等领域展现出巨大的应用潜力.压电材料因其良好的电学和力学性能成为制造岛一桥结构蛇形互联导线的理想材料.然而,岛一桥结构的电子器件在工作过程中极易受温度激励等复杂物理场影响,产生非线性振动,会严重影响电子器件的稳定性和灵敏度.故而本文研究压电岛一桥结构的非线性动力学响应.首先,基于Timoshenko梁理论,建立两端固支的压电岛一桥结构偏微分振动控制方程;其次,利用Galerkin截断法,得到形式较为简单的常微分控制方程,并利用几何积分方法数值求解该常微分方程;最后,通过数值实验验证几何积分方法的有效性和优越性,讨论温度变化量和电压等参数对岛一桥结构动力学响应的影响规律.本文研究结果将为基于压电岛-桥结构的柔性电子器件的设计提供理论参考.