折纸机器人

21世纪以来,随着折纸结构在工程领域日益广泛的应用,折纸工程学这一新兴的交叉学科越来越受到人们的重视.刚性折纸作为折纸的一个重要分支,以其折展过程中面内无应变的特点而被应用于工程结构的设计中.此外,刚性折纸结构凭借良好的折叠特性也被大量用于机器人的设计中,由此产生了折纸机器人.它兼具折纸结构和机器人各自的优点,成为折纸工程学发展的新方向.根据折纸机器人中折纸结构所起的不同作用,可将其分为三类:骨架型折纸机器人、驱动型折纸机器人和外壳型折纸机器人.本文在总结国内外学者在此三大方向研究成果的基础上,概述了其中的科学问题和技术方法,最后得出未来折纸机器人骨架驱动一体化的发展是必然趋势的结论.     

柔性薄板翼流固耦合振动噪声风洞试验研究

柔性结构在风场中会发生流固耦合振动,其噪声特性要比流场中刚性结构气动噪声更为复杂.通过声学风洞试验,对比研究了流固耦合作用下不同柔性薄板翼模型的气动噪声特性.试验表明,随着结构柔性增加,薄翼气动噪声声压级对风速和迎角变化更加敏感.柔性平板翼噪声的频谱特性和声源位置都与刚性翼明显不同.研究发现,在特定迎角和风速下气动噪声强度会突然显著增强.给出了流固耦合作用下的平板翼气动噪声变化初步规律,为相关流固耦合振动噪声理论分析和数值模拟提供了试验支撑.     

掘进机截割部刚柔耦合动力学建模与仿真研究

将大位移运动与小变形刚-柔耦合体动力学的建模理论应用于掘进机截割部的动态特性研究，利用ANSYS把截割部的截割主轴和截割套筒生成模态中性文件，导入ADAMS中建立刚柔耦合虚拟样机并进行运动学和动力学仿真，研究柔性体对截割部的影响。通过与刚性体模型仿真结果对比，揭示了工作装置中柔性体与刚性体耦合时的运动学、动力学特性。仿真结果表明柔性耦合模型更加符合实际情况。     

类胰岛素生长因子-1何以折叠成2种高级结构的分子基础

胰岛素和IGF-1属于同一超家族，具有共同的结构模体和非常类似的三维结构，但两者的折叠行为却迥然不同。胰岛素和单链胰岛素（PIP）折叠成唯一的热力学稳定的三维结构，而IGF-1则折叠成两种热力学稳定的三维结构。即是说：IGF-1的同一序列编码两种折叠信息。是序列中的什么部位决定胰岛素／PIP和IGF-1具有不同的折叠行为？这是一个极为有趣且长期为人们所困惑的问题。本实验室在PIP和mini—IGF-1工作的基础上，用蛋白质工程技术先后设计表达了一系列胰岛素和IGF-1的杂交分子，阐明了胰岛素和IGF-1不同折叠行为的分子基础。此外，还研究了文昌鱼胰岛素类似肽（aILP）的体外再折叠，结果提示胰岛素和IGF-1的不同折叠行为是由它们的祖先分子aILP分支进化而来的。     

肠道内变径胶囊微机器人空间磁力矩特性

提出一种以相邻异向径向磁化瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器，以胶囊机器人内嵌同磁极结构永磁体为内驱动器，在外驱动器旋转磁场的磁机耦合作用下，驱动变径胶囊机器人在肠道内旋进的驱动控制方法．根据等效磁荷法建立了偏心状态下磁驱动力矩普遍性数学模型，对驱动力矩与驱动器磁极结构参数的特性进行了研究，试验表明该驱动方法具有驱动力矩大、安全可靠等优点，变径胶囊机器人由径向间隙自补偿，显著提高了在肠道内的驱动能力，该磁驱动系统在人体肠道内具有良好的医学应用前景．     

一种用于柱面压缩实验并设有两级内翅式换热器冷屏的液氦温区低温靶

通过低温技术实现物质的高密度状态并进行冲击压缩实验是获得物质高能量密度状态方程的重要途径.本文介绍了一种用于柱面压缩实验的设有两级内翅式换热器冷屏的液氦温区低温靶.该低温靶通过设置两级内翅式换热器冷屏和在低温下可脱落的折叠冷屏结构,实现了液氦的高效存储,成功研制了应用于柱面压缩实验的液氦温区低温靶.在停止外界液氦供给和关闭真空泵的条件下,可获得4.77 K的样品室稳定温度,样品室的降温时间和维持稳定时间均满足柱面压缩实验的要求.本文还介绍了低温靶的结构设计、利用ANSYS Steady-Static Thermal模块对低温靶进行的热分析与实验结果.仿真计算结果与实验结果吻合较好.     

阳极氧化温度对Al-Ti复合氧化膜结构和电性能的影响

采用水解沉积-阳极氧化方法制备了高介电常数的Al-Ti复合氧化膜. 通过膜溶解试验, 膜成分AES深度分析及电性能测试, 研究了恒电流阳极氧化过程中, 阳极氧化温度对Al-Ti复合氧化膜的生长、结构及电性能的影响. 结果表明, 随着阳极氧化温度升高, Al-Ti复合氧化膜的形成速率增大, 氧化膜的结构由两层转变为三层, I-V特性也发生显著变化, 铝电极箔的比容有一最大值. 50℃所形成氧化膜的局部击穿最明显, 氧化膜的漏电流最小, 而耐电压最高.     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上，基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路，把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量，提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响，所以新模型既能合理预测排水、不排水，也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念，还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单，仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比，全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

基于ADAMS／VIBRATION的采煤机截割部振动特性研究

建立了采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机的振动模型；利用ADAMS／VIBRATION模块对其振动特性开展了研究；确定了对系统整体性能不利的模态振型和频率，发现截割部电机对系统振动的影响较大；并找出了截割部高速端惰轮轴处轴承失效的主要原因；为有效地抑制采煤机截割部的振动和对其进行局部结构优化提供了理论依据，对全面掌握截割部系统的动态性能具有重要价值。     

仿Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的光学特性研究

Morpho 蝴蝶鳞翅上的微纳结构对光产生干涉、衍射等效应, 形成典型的结构色现象. 本文针对仿 Morpho 蝴蝶鳞翅微纳结构进行二维建模, 结合严格耦合波理论进行光学特性仿真分析, 研究了模型结构参数、环境折射率等对光学特性的影响及反射光谱曲线的变化规律. 增大二维模型纵向周期高度, 反射光谱峰值反射率增加, 且峰值波长向较大方向偏移; 减小纵向周期数, 峰值显著下降, 波峰变宽, 峰值波长也向较大一侧偏移; 增大横向周期宽度, 峰值略有下降, 峰值波长也向波长较大一侧偏移, 但整体变化不大; 改变环境氛围, 即增大环境折射率, 峰值亦大幅下降, 峰值波长向波长较大一侧明显偏移. 上述结论揭示了Morpho 蝴蝶所特有的结构色本质, 对于具有环境气氛检测功能的仿生微纳结构的设计优化和制造、应用具有重要意义.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

CDMA2000系统用高温超导线性相位滤波器的研制

针对第3代移动通信CDMA2000标准对高温超导滤波器提出的技术要求,设计了一种自均衡特性的高温超导线性相位滤波器,给出了线性相位滤波器的设计原理、拓扑结构、理论计算结果、耦合矩阵、等效电路、滤波器模拟仿真结果以及实际制作的高温超导滤波器测试曲线.设计的线性相位滤波器中心频率为830MHz,滤波器阶数为12阶,引入2个交叉耦合,滤波器实际测试曲线、模拟仿真结果、理论计算三者有很好的吻合,滤波器的带边陡度达37dB/MHz,60%带宽内的群时延波动小于±10ns.     

基于色散渐减光纤环镜的光脉冲压缩方法

提出了一种基于色散渐减光纤环镜的光脉冲压缩方法. 理论计算表明, 该方法不仅能避免常规孤子效应脉冲压缩过程中由于非线性效应引起的脉座和频率啁啾, 而且可克服绝热孤子压缩技术光纤长度随输入脉宽增大而指数规律增大的困难. 对于峰值功率达到一定程度的输入脉冲, 压缩后的输出脉冲均接近基阶孤子, 且输出性能对环镜长度的选取误差不敏感, 同时还具有比绝热孤子压缩技术更强的抗高阶效应能力和抗初始频率啁啾能力, 表明了该方法的有效性和实用性.     

基于天然气动态模型的电-气耦合网络稳定控制策略研究

随着终端能源系统的快速变革,天然气网络与电力网络的耦合程度日益增加,燃气机组可快速响应可再生能源出力的不确定性,同时也将引起天然气网络状况的巨大波动.因此,本文针对电-气耦合网络的相互作用,提出了有效的模型和方法对其进行动态分析.首先,对偏微分方程模型进行改进,使其能够有效反映天然气管道的端口特性.该线性模型显著地减小了传统模型的复杂度与计算量,更适用于电-气耦合网络的在线分析计算.在此基础上,计及压缩机的动态特性,提出了基于可变压缩比的电-气耦合网络稳定控制方法,保证电-气耦合网络的安全稳定运行.最后通过仿真算例,验证了所提模型的准确性和控制方法的有效性.     

火炮自动装填系统协调器定位精度可靠性分析

火炮自动装填系统的主要功能是将弹丸和发射药高效、精确、可靠地输送入炮膛,其中火炮协调器是自动装填系统中典型的转运执行机构,需要较高的定位精度来确保弹药以给定的射角准确入膛,准确高效地评估协调器定位精度的可靠性具有重要意义.本文旨在发展一种可有效评估火炮协调器定位精度可靠性的实用分析方法,首先建立含间隙的火炮协调器刚柔耦合动力学模型,并基于前馈神经网络构建其响应的近似模型;在此基础上,利用协调器到位极限状态函数的最大可能失效点处的二阶信息,构造极限状态函数的二次逼近函数;最后,运用二阶鞍点逼近方法评估了火炮协调器定位精度可靠性.工程算例表明,本文提出的方法能够很好地平衡协调器可靠性分析中的精度和效率.同时,协调器定位精度可靠性分析结果表明,间隙以及结构柔性因素对于火炮协调器定位精度具有重要影响,需要在协调器设计时加以考虑和优化.     

石墨烯气凝胶全柔性触觉传感器的设计、组装及性能

针对柔性触觉传感器存在的设计难度大、抗干扰性差、不易封装以及线路布置困难等问题,基于Storakers材料模型的应变能密度函数发展了一种基于石墨烯气凝胶(graphene aerogel, GA)的具有“气泡膜”结构的全柔性触觉传感器的设计方法.通过模拟分析发现,相对于“三明治”结构,“气泡膜”结构的GA柔性触觉传感器具有更好的抗干扰性.在此基础上,设计并组装了“气泡膜”结构的GA全柔性触觉传感器,通过实验证实该GA全柔性触觉传感器具有优异的传感特性、力学特性和抗干扰特性.同时,设计开发了压阻式传感阵列的信号采集系统,并成功实现了其对力的大小、物体位置和形状等信息的实时采集和传感监测.     

倾转旋翼机前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统气弹稳定性分析

倾转旋翼机是一种具有普通直升机垂直起降与空中悬停能力,又兼备螺旋桨式固定翼飞机高速远程巡航能力的新型飞行器.由于旋翼与机翼之间复杂的动力学耦合关系,在前飞状态下系统的动力学稳定性随着前飞速度的提高而降低,从而限制了倾转旋翼机飞行速度的提高.针对机翼具有弹性弯扭耦合特性的倾转旋翼机系统,建立了其前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统的气弹稳定性分析模型.利用Boeing试验模型的参数对倾转旋翼机前飞状态下的气弹稳定性进行计算,分析了机翼弹性弯扭耦合特性对气弹稳定性的影响.结果表明,机翼向上弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性可以显著提高机翼垂向模态的失稳速度,而机翼向前弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性则对提升机翼弦向模态的失稳速度非常有利.     

大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.     

具有小世界特性的低能耗无线传感器网络簇级拓扑研究

本文提出了一种具有小世界特性的无线传感器网络簇级拓扑算法,引入Temple University吴杰教授提出的UCR(unequal cluster-based routing)机制,靠近基站簇尺寸变小,解决基站附近网络耗能过多的热点问题.通过OPNET对构造的簇级拓扑结构进行仿真,当超级节点数目增加到6～18时,平均路径长度降低,路径长度变化率降低,节能曲线变化率升高,能耗降低效果显著.仿真实验还表明,本文提出的具有小世界特性的无线传感器网络簇级拓扑结构对随机攻击具有很强的鲁棒性,具有很好的生存性能.复杂网络理论中的小世界网络具有较大的聚集系数和较小的平均路径长度,通过在原有网络中添加超级节点,形成能与sink节点直接通信的捷径,可以降低网络平均路径长度和能量消耗.目前小世界特性用于WSN的研究中,尚未考虑到sink节点附近的热点问题.     

嗜热蛋白热稳定机理研究进展

嗜热蛋白是一类主要来源于嗜热微生物的热稳定蛋白,能够在高温下长时间保持活性而不变性,通过对嗜热蛋白耐热机理的深入研究,对于人们深入理解蛋白质的折叠、结构与功能、进化以及在蛋白质加工中对蛋白质分子的定向设计和改造有着重要的意义.本文主要介绍了目前对嗜热蛋白的研究概况和主要进展.