飞行器智能蒙皮异质多层电路制造技术进展

智能蒙皮在飞行器承载结构蒙皮表面集成异质多功能电路系统,是实现未来变体飞行器“Fly-by-Feel”的使能技术。飞行器智能蒙皮涉及多功能分布式传感系统、共形天线、频率选择表面、防/除冰等功能模块,这提升了飞行器态势感知能力并促进其结构向轻量化发展,其技术关键在于复杂3D结构表面异质多层电路的成型制造。针对智能蒙皮多功能电路制造难题,本文对不同种类曲面功能单元制造中的难点进行详细分析,并对比阐述适用于不同类型结构的制造技术,包括共形打印、通孔互联、曲面贴装、薄膜制备等。最后总结和展望了智能蒙皮异质多层电路制造技术面临的挑战和潜在解决方案,为下一代飞行器智能蒙皮制造技术的突破提供有益的参考。

求解燃气轮机制造车间调度的混合和声搜索算法

燃气轮机生产属于典型的离散型制造,其多品种小批量的生产特点给车间作业调度带来挑战,导致企业生产效率低下,不能满足产品交货期。因和声搜索算法结构简单易操作,常用于解决此类作业车间调度问题。然而传统和声搜索算法收敛速度较慢,易陷入局部最优。本文构建以最小化最大完工时间为目标的燃气轮机制造车间调度数学模型,提出一种离散型改进多种群混合和声搜索算法进行求解。结合和声搜索算法与变邻域搜索算法的优点,采用基于工序的编码方式进行编码,在种群更新部分引入模拟退火的Metropolis接受准则,提高种群多样性;提出自适应的记忆库保留概率和音调调节率来调节参数,以提高算法的全局寻优能力;加入变邻域搜索以提高算法的收敛速度。通过性能测试及实例验证表明,相较于已有算法,所提算法具有更好的性能。

基板温度对激光增材制造熔池特征影响的数值模拟研究

激光粉末床熔融增材制造技术具备成形自由度高和制造周期短等优势,在航空航天和生物医疗领域复杂结构一体化成形中展现出卓越潜力。激光粉末床熔融工艺涉及极高的升温、冷却速率和极强的温度梯度,不可避免地在构件内产生热应力和残余应力,严重损害构件的力学性能。因此,选取合理的工艺参数,降低熔池区域温度梯度幅值,对提高成型件质量有着重要的意义。本文基于流体动力学方法,使用多相流方法追踪粉末形状变化,考虑了反冲压力和马兰戈尼效应,计算分析了熔池流动行为和基板温度对温度梯度的影响。结果表明,熔池边界的温度梯度显著高于熔池内部,提高基板初始温度可有效降低温度梯度幅值,有望减小热应力和残余应力。

智能制造测量机器人关键技术研究综述

复杂曲面构件是航空航天、海洋舰船等领域高端装备的核心组成部分,其测量精度对保障高端装备制造品质具有不可替代的基础支撑作用。为克服传统手工、专机等制造方式的局限性,三维视觉引导的机器人系统为复杂曲面构件的高端化智能化加工提供新思路,并逐渐成为机器人化智能制造领域的研究热点。综述围绕机器人三维测量方法,首先根据传感器类型和应用场景,对不同制造场景的测量方案特点进行全面归纳,以帮助研究人员快速全面地认识和理解该领域。然后按照测量流程,将关键核心技术归纳为系统标定、测量规划、点云融合、特征识别等,综述各类别近十年的主要研究成果,分析现有研究存在的不足。最后总结机器人测量面临的技术挑战,并从应用场景、测量需求、测量手段等方面对未来的发展趋势进行了展望。

基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计

由于轴向柱塞泵的非对称结构特性,其输出压力和输出流量存在脉动特性,对液压系统的输出稳定性和可靠性造成影响,因此提出了一种基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计方法。首先,通过CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)仿真分析方法,对轴向柱塞泵上/下死点位的压力-流量脉动的产生机理进行了分析;其次,对阻尼槽结构参数对轴向柱塞泵输出压力-流量脉动的影响规律进行了分析,构建了阻尼槽结构的多目标优化模型;最后,求解了低脉动阻尼槽结构。优化后的结构参数:阻尼槽半径为2.21 mm,阻尼槽长度为10.32 mm,阻尼槽错配角为16.54°。优化后压力脉动率为0.59%,相比于优化前的0.75%降低了0.16%,脉动幅值为0.25 MPa;优化后流量脉动率为12.02%,相比于优化前的5.61%降低了43.59%。研究结果为轴向柱塞泵低脉动结构的优化设计提供了有效的理论支持和实践指导。

航空导向器三维测点处理与喉道面积精确计算

导向器是航空发动机的重要部件,喉道面积作为其关键参数直接影响发动机动力性能。针对导向器喉道面积现有测量方法效率低、喉道面积估计不准的问题,提出了导向器三维测点处理与喉道面积精确计算的新方法,并在多联叶片导向器样件上开展了该方法与三坐标测量计算方法的对比实验。实验结果表明,所提方法得到的喉道面积更精确,且多次测量计算结果具有较高的一致性。

低速大扭矩水液压马达的深海性能迁移特性

为实现深海水液压机械手回转关节的稳定输出,研制了一种新型阀配流低速大扭矩水液压马达。搭建了其数学及物理模型,完成了马达与机械手腕部关节的集成设计,通过马达的AMESim仿真模型分析了深海环境对马达输出性能的影响。研究发现:随着海深的增加,马达的输出扭矩显著降低,输出转速也出现一定变化,环境压力从0 MPa增加至120 MPa的过程中,马达的输出扭矩累计降低了34%,最大稳定转速却较陆上工况增加了13%。此研究为马达的结构优化与深海作业控制提供了理论依据。

软体技术在机器人化制造中的应用与展望

当前,传统的制造方案已无法满足日益严苛的大型工件制造需求,机器人化制造方案成为解决问题的关键,但目前还存在诸多局限,例如:结构复杂、适形性低、容易对工件造成破坏、加工-检测一体化难等问题。针对上述问题,提出了将软体技术与机器人化制造系统融合的思路,在机器人化加工、检测和装配3个场景中引入软体变刚度技术、柔性传感技术和软体夹持器技术,赋予机器人化系统轻量化、顺应化、无损化、无感化、集成化等优点,为机器人化制造提供全新的解决方案。并且,针对机器人化制造未来的发展趋势,分析了软体技术巨大的应用潜力,进一步推动机器人化制造向着共融机器人方向深入发展。

松连接运输模型下的双移动机械臂协同规划研究

针对松连接运输模型下的双移动机械臂协同运输问题,提出了一种基于事件的运动规划方法。首先,针对物体协同运输场景,对任务中系统的运输模型进行了讨论;然后,在基于事件的框架下,设计了一种基于事件的规划方法;最后,针对提出的2种运输模型,在基于事件的规划下得到了相应的运动控制率。实验结果表明:运输过程中机械臂末端之间几乎没有相对运动,并且2个方向的位置跟踪误差以及姿态误差分别控制在0.03 m,0.15 m和0.02 rad以内,因此基于事件的方法能较好地保证多机系统在运输过程中的协同性能。

硬磁软材料输流管的屈曲不稳定性分析

输流管道广泛应用于海洋工程、航空航天、先进制造和生物医学等工程行业和前沿科技领域.在内部流体作用下,软材料输流管易丧失稳定性并出现较大位移.因此,如何预测其稳定性以及调控其力学行为显得至关重要.基于Hamilton原理,建立了磁调控下硬磁软材料输流管道的动力学理论模型,推导了铰支-可滑动铰支边界条件下输流管道的控制方程.在Galerkin方法离散的基础上,对输流管系统进行了稳定性分析.研究发现:当流速小于失稳临界值时,输流管在静态平衡位置保持稳定;当流速大于失稳临界值时,输流管以静态分岔形式发生屈曲失稳.通过求解输流管道的非线性控制方程,得到管道的非线性力学响应.研究结果显示,磁场力幅值P和磁偏角α会共同影响输流管系统的非线性力学响应行为,α的取值决定了系统临界流速和管道屈曲形状随P值增大的演化趋势,实现了对管道屈曲变形行为的磁调控.理论模型还可方便地推广应用于非均匀磁化管道的力学响应分析之中.文章采用的磁场调控方法具有非接触式和快速响应等优势,可望进一步应用于医用器械及极端环境作业等领域.

液滴撞击柔性基底研究进展

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

数字孪生驱动的机床能效监测方法研究

能效提升作为数控机床绿色化、智能化发展的重要内容,如何在多源影响因素下实现准确监测与状态评估,成为激发能效提升潜力的关键问题。为此,提出了一种基于数字孪生的机床能效监测方法。首先,通过分析机床能量多源特性,建立各阶段能耗与能效模型。利用有限元仿真完成机床加工全过程的数字孪生体,并输出多源能耗仿真数据。根据多传感器的数据采集装备与集成学习算法,完成实时加工能耗的处理与分析,并实现对机床能效的准确监测以及运行状态的精准评估。结合孪生数据的三维映射关系,辅助生产过程中的决策优化,从而实现节能增效的目的。以多工况数控铣削加工为应用案例,结果表明能效监测误差总体小于7%,对机床运行状态预测准确率大于95%,验证了上述方法的可行性与有效性。

基于集合变换Kalman滤波的流场高效重构

湍流场的准确估计在航空航天领域具有重要意义,现有的获取手段在分辨率或者准确性方面是不足的。实验测量准确却往往测点数量有限,数值计算能获得全场数据,但精度却难以保障。数据同化方法融合了实验观测和数值模拟,是进行流场重构的有效工具。探索了基于集合变换Kalman滤波(ensemble transform Kalman filter,ETKF)的数据同化方法在空间流场重构方面的有效性,并讨论了不同迭代更新模式的重构精度和计算效率,即状态变量基于湍流模型更新的ETKF-M和基于流场数据更新的ETKF-D。以ONERA M6机翼作为数值算例,结合风洞实验翼型表面271测压孔的压力测量数据进行算法实验,结果表明ETKF方法的不同迭代模式均有效修正了湍流模型的预测,并且ETKF-D相对于ETKF-M提升了83%的计算效率。此外,选取两组不同位置的1/4实验测点进行同化实验,得到不同精度的结果,这表明重构的精度与同化测点的位置和数量密切相关。

基于自适应切换迭代学习的绳驱踝外骨骼力控制器设计

人-外骨骼构成强耦合系统,步态的偶然变异对控制器产生较大干扰,导致系统震荡。针对这一问题,提出了一种自适应切换的迭代学习控制策略。在峰值误差较大时,采用峰值迭代学习控制,仅对力控信号峰值点进行迭代更新;当峰值误差较小时,切换为传统的PD型迭代学习控制,对力控信号所有点进行迭代更新。为进一步改善控制效果,设计了前馈控制器来补偿鲍登绳传动的非线性摩擦。仿真和外骨骼实验结果表明,与传统PD型迭代学习算法相比,自适应切换的迭代学习控制策略保证了助力曲线的平稳升降,同时该策略具有更快的收敛速度以及受干扰后更快的恢复速度,实现了行走过程中辅助力的准确跟踪控制。

基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法

针对宏观曲面结构上多孔结构单胞构型与设计域外形不匹配,导致曲面结构优化困难的问题,提出一种基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法。基于三周期极小曲面隐式水平集函数,实现多孔结构的参数化建模。采用等参单元法理论,建立自然坐标系到笛卡儿坐标系的映射关系,实现曲面多孔结构的共形建模。构造线性插值函数,保证多孔结构单胞之间的C0连续。引入可变切割水平集函数,建立MATLAB与ANSYS联合仿真的多孔结构拓扑优化框架。数值算例表明:所提方法可有效实现曲面多孔结构的拓扑优化设计,确保多孔结构单胞与设计域外形的匹配,提升多孔结构的力学性能。

熔融合金电流体直写制备高分辨率可回收电路

可回收电路具有材料利用率高、成本低、工艺简单等优点,能够带来良好的经济效益,同时减少了对环境的污染,在绿色制造中具有重要意义,但传统印刷工艺难以满足其高分辨率、高附着力的制备要求。提出了一种熔融合金电流体直写制备高分辨率可回收电路的方法。通过实验验证了该方法的可行性,发现高温的熔融合金能使基板软化,并部分嵌入其中,具有较好的附着力。此外,探究了喷嘴工作距离、脉冲峰值电压以及基板运动速度这三个关键工艺参数对熔融合金电流体直写成型质量的影响规律。结果表明:当喷嘴工作距离为0.25 mm,脉冲峰值电压为2.5 kV,以及基板移动速度为4.0 mm/s时,熔融合金电流体直写成型质量最好,平均线宽约为70μm。最后,在聚酰亚胺(PI)基底上直写制备了高分辨率的可回收电路,并成功点亮了发光二极管,完成了电路的后续回收处理及循环利用工作,为熔融合金材料在可回收电子和绿色制造中的应用提供了新的途径。

面向高深宽比微细嵌入式金属网格结构的选择性镀铜工艺

高深宽比微细嵌入式金属网格结构具有出色的光电性能和机械稳定性,可广泛应用于柔性触摸/显示器、太阳能电池、智能窗户等领域,但是传统的制备方法存在难以形成高深宽比结构、分辨率不足或材料利用率低等问题。借助电流体喷墨打印高分辨率按需喷印的优势结合选择性镀铜的特点实现高深宽比微细嵌入式金属网格的制备。通过实验研究,揭示了镀液温度、铜离子质量浓度、电流密度、电镀时间等参数对铜生长的速率和截面质量的影响规律,并对比了电镀和化学镀的优劣。结果表明,在电流密度约为1.5 A/dm^(2)时,电镀铜15 min能够实现线宽为10μm、深宽比为1的微细凹槽结构内金属铜的完全填充。最后,通过优化后的镀铜工艺参数结合电流体喷印,制备了线宽为10μm、深宽比为1、周期为800μm的28 mm×60 mm的嵌入式金属网格,其透过率(可见光波段550 nm处)为87.3%,方阻约为0.26Ω/□,品质因数(FOM)达到10 318,达到行业较高水准,可为高性能柔性光电子器件的制备提供新途径。

梯度磁场下变截面硬磁软梁的大变形力学行为

文章研究变截面参数和梯度磁场作用对硬磁软梁的大变形的影响,为研制先进的硬磁软材料器件和系统提供理论指导.基于最小势能原理,建立了梯度磁场作用下变截面硬磁软梁静变形的力学理论模型.基于线性稳定性理论,分析了变截面对硬磁软梁屈曲失稳行为的影响.基于非线性力学理论,研究了变截面参数对硬磁软梁的后屈曲构型和弯曲变形的影响.在此基础上,深入研究了磁场梯度对变截面硬磁软梁大变形力学行为的影响.研究结果表明,变截面参数对硬磁软梁的临界屈曲载荷有较大影响,通过改变变截面参数值可调节梁的屈曲稳定性.当弯曲变形较小时,变截面参数对硬磁软梁后屈曲构型和横向变形的影响不可忽略,而这种影响在弯曲变形趋于饱和时,则变得很弱.磁场梯度参数的增大可引起变截面硬磁软梁出现更大幅值的静变形.当磁场梯度参数增大而使磁场力大于屈曲临界载荷时,变截面硬磁软梁不会出现前屈曲变形,而直接导致梁发生非线性的后屈曲变形.研究结果还显示,增大磁场梯度参数可以提高变截面硬磁软梁自由端的磁偏转精度,从而可有效地控制变截面硬磁软梁的磁转向.研究结果可为基于硬磁软材料的可展开柔性结构、柔性电子器件和软体机器人等结构设计提供指导.

机器人轮带磨削的重力补偿设计及加工工艺(特邀)

机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法,具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点,因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理,装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题,分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响,建立了末端执行器的重力分量模型,并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法,能够实现0~63 N范围内的恒力控制,并且最大压力波动小于1.82%,重力补偿系统的响应时间小于300 ms,实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后,根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析,建立了轮带磨削工具的去除函数模型,并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验,验证了装置加工的稳定性。

面向多尺度拓扑优化的渐进均匀化GPU并行算法研究

针对多尺度结构拓扑设计计算效率低等问题,提出了一种基于水平集渐进均匀化的多尺度拓扑优化并行算法。基于通用图形处理器(graphics processing unit,GPU),通过水平集初始化、大型稀疏刚度矩阵方程求解以及本构矩阵并行计算,可大幅提升渐进均匀化算法的效率。实验结果表明,当三维晶胞单元网格细化至分辨率为10万时,多尺度结构拓扑优化GPU并行算法较CPU串行算法快数十倍。