摘要：点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

摘要：拓扑优化的迭代过程涉及大量有限元分析与灵敏度更新步骤,且随着划分网格数目的增加,其优化过程将耗费大量的计算成本。利用深度学习方法,通过建立低分辨率中间构型与高分辨率拓扑结构之间的映射关系,可实现结构的跨分辨率拓扑优化设计,从而大幅提高其计算效率。该文基于两种不同的生成对抗网络,构建了可实现跨分辨率预测的拓扑优化方法,并将其扩展至三维结构的优化预测。首先,以柔顺度最小化为目标函数,利用各向同性材料惩罚法生成不同载荷条件、初始位移和体积分数下的优化结构数据集;然后,分别利用Pix2pix和Esrgan网络解决其跨分辨率预测问题,其中对于Pix2pix网络,使用了残差模块代替其生成器内部的卷积模块,以增强网络对低层信息的复用;最后,通过二维和三维算例验证了所提方法的有效性,并与现有基于CGAN(conditional generative adversarial network)网络的方法进行了比较研究。结果表明,综合考虑计算精度和计算效率,基于Esrgan网络的方法表现更优,最适合应用于跨分辨率拓扑优化设计。

摘要：双叶片液压被动柔顺回转关节在受到外界环境的碰撞时,关节的被动柔顺性会使关节阀体输出转角产生回调,碰撞结束后,输出转角又会迅速恢复。为了有效吸收剩余的冲击能量,本文将自适应阻抗控制作为回转关节的主动柔顺控制,与关节的被动柔顺控制相结合,实现对关节的主被动联合柔顺控制,增大了回转关节在受到碰撞时的回调角度,能够更好地化解环境碰撞力。同时在关节的控制系统中设计并添加了一个模糊自适应PID(比例-积分-微分)控制器,作为自适应阻抗控制中的位置控制器,能够减小回转关节输出转角恢复后的稳态误差,提高了关节与外界接触时的安全性。

摘要：针对一类安装基座存在不确定随机振动的机械臂系统,提出了一种基于变幂次对数趋近律的快速鲁棒控制策略。基于Euler‐Lagrange方程建立了系统的不确定动力学模型,并将模型中的基座振动项提取出来看作机械臂所受的不确定外部扰动力。提出了一种全新的变幂次对数函数趋近律,既能实现系统状态在远离滑模面时的快速趋近,又能保证在接近滑模面后的抖振能够被有效抑制。在此基础之上,结合一种快速终端滑模面设计了系统的快速鲁棒控制器,进一步提高了系统状态的收敛速度。基于Lyapunov稳定性理论证明了所设计控制器的有限时间收敛特性。搭建了实验平台,通过实验进一步验证所设计控制器的有效性。

摘要：传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。

摘要：针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生的多机器人智能协同加工方法.构建了不同功能机器人协同加工系统虚拟空间、物理空间和信息数据层的数字孪生框架,详细阐述了孪生数据源及类型、数据融合和数据存储等孪生数据模型的设计;建立了多机器人协同加工优化控制与决策模型,研制了多机器人智能加工软硬件平台,实现了虚实映射与交互以及加工系统在线监控.以某型号飞行器舱段精密铣削和测量工艺为案例进行验证与分析,优化加工路线,提高加工效率,验证了该方法的可行性与高效性.

摘要：针对上一代建筑墙面砂浆抹灰机的喷涂模块结构复杂、运行不稳定及施工效率低等问题,创新设计了一种结构简单、性能稳定的摆动喷涂机构。通过直线导轨滑块与丝杆、滑台的联动作用,实现砂浆喷涂摆臂的摆动。利用SolidWorks软件创建了摆动喷涂机构的三维模型,并对喷涂机构进行运动学分析;采用机械系统的动力学自动分析(automated dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)软件对喷涂机构进行运动仿真,得到了砂浆喷涂摆臂的运动学特性以及砂浆轨迹;制作出摆动喷涂机构样机并安装在抹灰机上,进行砂浆喷涂现场实验。实验结果表明:摆动喷涂机构设计合理,其结构简单、运行稳定、施工效率高;喷涂出的砂浆连续且均匀,其轨迹基本趋近于一条直线,砂浆喷涂施工质量较高。采用摆动喷涂机构喷涂的建筑墙面砂浆抹灰机具有较好的应用前景。

摘要：多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。

摘要：针对目前手爪夹持式爬管机器人存在的稳定性和适应能力不足的问题,基于欠驱动和变胞原理,设计了一种刚柔耦合变胞手爪。首先对该手爪进行了结构设计及工作原理分析;其次基于弹性力学接触理论和摩擦学原理,提出了手爪夹持稳定性的判断方法;然后提出了基于刚柔耦合迭代分析的静摩擦力计算方法,计算了真实的夹持静摩擦力,通过对比刚性和刚柔耦合状态下手爪夹持的静摩擦力大小,验证了刚柔耦合结构具有更高的夹持稳定性;最后利用Adams进行了各类管道的夹持仿真,验证了该手爪具有较好的适应性。

摘要：为研究辊子间距对带材拉矫工艺的影响,理论分析了辊子间距和带钢曲率、弯曲辊载荷之间的解析关系。针对“两弯两矫”下的SPCC带钢拉矫工艺,结合有限元计算建立了弯曲辊载荷、带钢伸长率和辊子间距、辊子插入量之间的数学模型,研究了辊子间距对弯曲辊载荷、带钢伸长率的影响规律。结果表明:弯曲辊载荷、带钢伸长率均随辊子间距的增大而减小,且随着辊子插入量的增大,辊子间距对弯曲辊载荷、带钢伸长率的影响逐渐增大;在给定工艺参数空间内,变辊子间距可扩大带钢伸长率控制范围。基于“大张力小插入量”的工艺设计原则,研究了目标伸长率控制下的辊子间距设计方法,对比分析了设计辊子间距31.1 mm与产线辊子间距28.6 mm下的工艺参数,研究表明入口侧张力增大18.6%,弯曲辊载荷减小28.8%,通过辊子间距与工艺参数的组合设计,有效降低了弯曲辊载荷,有利于延长弯曲辊系的使用寿命。