摘要：The metallic antenna design problem can be treated as a problem to find the optimal distribution of conductive material in a certain domain. Although this problem is well suited for topology optimization method, the volumetric distribution of conductive material based on 3D finite element method (FEM) has been known to cause numerical bottlenecks such as the skin depth issue, meshed 'air regions' and other numerical problems. In this paper a topology optimization method based on the method of moments (MoM) for configuration design of planar metallic antenna was proposed. The candidate structure of the planar metallic antenna was approximately considered as a resistance sheet with position-dependent impedance. In this way, the electromagnetic property of the antenna can be analyzed easily by using the MoM to solve the radiation problem of the resistance sheet in a finite domain. The topology of the antenna was depicted with the distribution of the impedance related to the design parameters or relative densities. The conductive material (metal) was assumed to have zero impedance, whereas the non-conductive material was simulated as a material with a finite but large enough impedance. The interpolation function of the impedance between conductive material and non-conductive material was taken as a tangential function. The design of planar metallic antenna was optimized for maximizing the efficiency at the target frequency. The results illustrated the effectiveness of the method.

摘要：双稳态结构的构型和驱动位置设计是改善其跳转特性的关键技术。提出通过协同调控预压缩量、局部加强结构参数和驱动位置设计具有特定跳转性能的预压双稳态结构。首先,给出了局部加强预压双稳态结构的成型过程,并在理论分析的基础上得到特定性能预压双稳态结构的设计方程。然后,基于有限元方法验证了设计方程中设计参数(预压缩量,驱动位置,局部加强结构尺寸、位置)对双稳态结构跳转特性(偏置跳转力、拱高)的影响,并绘制了双稳态结构跳转特性的等值线图。最后,根据跳转特性等值线图设计并制备了拱高为3.57 mm,偏置跳转力为1.20 N的预压双稳态结构。实验结果表明:预压双稳态结构的拱高和偏置跳转力的设计值和实验值的误差分别为1.68%和11.67%,验证了预压双稳态结构设计结果的有效性。

摘要：双稳态结构正反行程跳跃阈值不相等引起的驱动困难是制约其工程应用的瓶颈问题。基于大变形有限元理论分析了影响双稳态结构跳跃过程的关键因素,引入跳跃阈值力、稳态保持力以及双稳态特征系数(二者的比值)作为描述双稳态特征的指标,提出了基于局部单元截面构型优化的双稳态跳跃阈值控制方法,建立了具有特定跳跃力学特征的双稳态结构优化设计模型,以局部单元的截面尺寸、个数及位置为设计变量,采用分步优化的方法,得到了几类具有不同双稳态特征系数的余弦梁新构型,分析了变截面单元厚度及布置方式对跳跃阈值及路径的影响关系。数值仿真结果表明,局部截面构型改变前后双稳态结构的跳跃时间及振动频率变化不大。考虑试验加载位置与夹持条件对双稳态特征系数的影响,仿真与试验结果基本一致,验证了所提出的双稳态结构跳跃力控制方法的有效性。

摘要：基于轴向挤压后屈曲模态的双稳态结构,其跳转力、保持力和跳转行程等双稳态特征与预应力分布和后屈曲模态密切相关,使得难以通过仅调整预压缩量来实现特定双稳态指标的设计。本文提出引入局部加强体调控预压双稳态梁临界屈曲载荷、应力分布及跳转特征的方法,建立了具有对称局部加强体的预压双稳态梁跳转分析模型,分析了预应力、加强体尺寸参数和位置对屈曲临界载荷、跳转力和行程的影响规律。结果表明:局部加强体不影响原结构跳转力和保持力相等的特征;与尺寸参数相比加强体位置参数对跳转力有较大影响,随着位置的变化,跳转力存在由大变小再变大的变化过程,且调控同行程双稳态梁跳转力的幅度可达17.04%;跳转行程主要依赖于局部加强体的刚度和所承受的预应力。

摘要：能够根据工作环境改变翼面形状的自适应变形能力是未来航空、航天飞行器结构设计追求的重要目标。研究驱动器布局方式以及控制参数的设计技术是实现该目标的关键。以压电纤维复合薄膜(Macro fiber composites,MFC)作为驱动器,研究在一定数量的MFC驱动器条件下,通过驱动器布局与控制参数的协同设计,以实现类翼面平板结构具有理想形状的最优控制设计方法。以驱动器的铺设位置、铺设角度、层数、对称性以及控制电压为设计变量,以驱动器的击穿电压、铺设位置限制等为约束,建立多参数下的协同优化设计模型。数值算例以类机翼平板的弯曲、扭转、弯扭型面作为理想型面,以实际型面与理想型面在81个参考点位置的均方差为评价指标,设计获得弯曲、扭转和弯扭组合型面的均方差分别为9.977×10–5、4.394×10–4和5.308×10–4,实现了较高的变形控制精度。研究了驱动器数量对变形精度的影响,制作了具有6个驱动器的类翼面平板结构测试平台,仿真与试验结果高度吻合,从而验证了所提出的驱动器布局与控制电压协同优化设计模型的有效性和可行性。

摘要：谐振式微质量传感器的灵敏度取决于弹性元件的几何尺寸和结构形式。单纯依靠结构尺寸微型化方法已难以满足传感器工程实用性的要求,因而需要探索新的改善传感器性能的方法。在保证传感器外形尺寸不变的基础上,提出通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,建立了基于槽型变截面弹性梁的传感器灵敏度分析模型,分析了影响传感器灵敏度的关键设计因素,得到了结构设计参数、自振频率及灵敏度之间的关系表达式。仿真结果表明,在相同外形尺寸参数下,矩形截面悬臂梁传感器的自振频率和质量检测灵敏度为1 254.2 Hz和9.8×103Hz/g,槽型变截面悬臂梁传感器的自振频率和灵敏度为1 776.1 Hz和38.0×103Hz/g。相对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8%,从而验证了提出的灵敏度提升方法的有效性和可行性。

摘要：高灵敏度是微质量传感器准确探测细菌、病毒和气体等物质的关键指标。虽然借助微型化的高阶模态梁振动可以有效提升探测灵敏度,但微尺度效应也降低了传感器的抗环境干扰能力。因此,如何在特定尺度约束下提升高阶模态传感器的灵敏度已成为谐振式微传感器设计的前沿问题。本文在研究弹性梁几何构型、压电层尺寸与有效质量分布对振动模态影响关系的基础上,建立了压电驱动多阶梯梁式微质量传感器的灵敏度分析模型,以传感器灵敏度提升最大为目标,建立了高阶振动模态下悬臂梁几何构型优化设计模型,得到了在不同振动模态下具有最高灵敏度的悬臂梁构型,使同尺寸传感器的灵敏度提升了10.0~15.0倍。考虑驱动位置与制造成本约束,设计并研制了具有六阶梯梁结构的高阶模态微质量传感器。实验结果表明,总长度为17.6mm的六阶梯梁微质量传感器的灵敏度为18.8×10~4 Hz/g,考虑制造误差的影响,其二阶模态灵敏度为同尺寸等截面梁传感器的10.0倍,较一阶模态同尺寸传感器灵敏度提升了19.8倍,从而验证了所提出的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法的有效性和可行性。

摘要：研究了基于模糊数学的贴片式左手超材料结构的选择机制,其核心思想是基于现有左手超材料结构构建左手材料微结构集合,将集合中结构的特性参数以某种隶属函数映射到[0,1]区间,用隶属度表示各元素对设计需求的符合度;根据模糊目标及约束的隶属度确定元素的模糊优越集,最终找到最适合于相应设计的结构方案。给出了材料库中每种结构方案相对于模糊目标及约束的隶属度的确定方法。为了验证所提出选择方法的可行性,建立了不同拓扑形式的左手超材料构型集合和不同尺寸的巾型构型集合,针对具体的设计目标和约束要求,计算了相应集合的模糊优越集,给出了最适合的个体元素排序,计算结果表明本文提出的结构选择方法可选出满足设计要求的结构构型。

摘要：飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜(Microfiber Composite,MFC)为驱动器,研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量,以控制偏差最小为优化目标,以驱动器的击穿电压为约束,建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型;通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响,给出了最优的驱动器结构参数;针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面,给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明:对于扭转变形,多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%,分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。

摘要：据永磁同步电机的数学模型及滑模变结构控制理论,设计了新的滑模观测器用于估算电机的转子位置和速度,实现永磁同步电机无传感器控制。在传统滑模观测器基础上进行了三次改进,采用饱和函数代替开关函数,将饱和函数进行反正切函数优化,并引入截止频率可变的低通滤波器。设计了一种应用滑模变结构理论与常规PID控制的混合控制方法,削弱了抖振问题,提高了转子位置和速度估算精度,实现了永磁同步电机的精确控制。仿真结果验证了其可行性和有效性。