4D打印:智能材料与结构增材制造技术的研究进展

4D打印技术是基于智能材料与结构的增材制造技术提出来的,4D打印制造的实体结构形状可以随外界环境发生变化。通过对形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料、电致活性聚合物、光驱动型聚合物、水驱动结构等智能材料与结构的增材制造方法与驱动效果进行综合比较发现:直写打印成型具有适用性广的特点,单一智能材料的驱动性能有限;混合增材制造技术可以兼具多种智能材料的性能,拥有多种原位驱动模式,能够克服单一智能材料与结构的不足。文献综述表明:4D打印技术研究整体还处于实验室探索阶段;4D打印还需要在拓宽智能材料范围、开发打印软件、探索打印工艺、研究软材料打印方法、解决不同智能材料的兼容问题等方面展开深入研究,才能够在医疗、军事、航天等领域得到广泛应用。     

摩托车半主动悬架分层预测控制及仿真

行驶平稳性和乘坐舒适性是衡量车辆悬架性能优劣的重要指标，而基于磁流变技术的半主动预测控制与其它控制方法的结合则是改善悬架性能的一种先进控制方法。为提高控制效果，提出了一种悬架振动分层建模预测控制的新思路，即将前后轮系均看作是相互独立的底层二自由度系统，推导出协调底层关系的上层关联动力学方程，结合轴距预测和LQR优化控制方法，以前轮检测到的路面激励作为后轮下一步输入的激励，然后以簧载质量质心处的垂直加速度和俯仰加速度为上层控制目标进行协调，继而得到所需的半主动控制力。通过对一个四自由度摩托车模型的仿真计算表明，该方法在线计算量少，前后轮系易于采用不同的控制策略以提高控制效果。该方法对于多轮系车辆的振动控制提供了一个崭新的思路。     

响应面模型与多目标遗传算法相结合的机床立柱参数优化

针对传统方法在复杂机械结构优化设计中的低效性和局限性,提出了一种将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化设计方法.采用拉丁超立方试验的设计方法,在设计空间抽取样本点并进行数值模拟,建立了由7个设计参数所决定的立柱最大变形、首阶固有频率及质量的初始二阶响应面模型.利用多目标遗传算法对响应面模型进行循环逼近优化,得到了Pareto最优解集.仿真结果表明,在质量不变的条件下,优化解可使立柱首阶固有频率增加15.9%,导轨处最大变形减小7.7%,可通过有限次数的数值模拟计算获得设计空间内的近似最优解,因此较适用于机床及类似复杂结构的多目标多参数的优化设计.     

金型与钯型离子聚合物金属复合材料的含水量与变形规律

以具有典型工艺特征的金型和钯型离子聚合物金属复合材料(Au-IPMC和Pd-IPMC)为研究对象,旨在阐释不同工艺过程和电极制备的IPMC材料随含水量变化其机电性能存在差异的现象。测量了两种IPMC材料静态含水量和环境湿度之间的关系,探讨了材料在湿态和干态下与室温湿度交换平衡过程中含水量的动态变化规律,测试了不同含水量下IPMC材料的力电响应关系,并将其转换为不同的湿度环境下的响应关系。实验结果表明:两种电极的IPMC材料在不同的湿度条件下含水量及变形规律具有相似性,即高含水量下呈现松弛变形,低含水量下无松弛变形;与Pd-IPMC材料相比,不同湿度条件下对应的Au-IPMC含水量相对偏低,且在95%稳态湿度下,Au-IPMC材料具有更好的驱动性能,变形达到17.4mm。     

垂直冲击减振系统的仿真研究

冲击减振系统的研究已有许多理论成果和应用实例,但大多是基于活动质量作水平运动的力学模型而进行的．文中对活动质量垂直运动的冲击减振系统进行了理论上的分析和数值仿真,并与活动质量水平运动系统的减振效果进行了比较,得到了活动质量垂直运动系统比水平运动系统的最大减振幅值增大４％的结论;分析了系统各参数值对减振的影响规律．研究结果对实际工程具有一定的指导意义．     

光驱动软体结构增材制造工艺研究

针对光驱动软体机器人结构简单、成型工序复杂、且性能稳定性差的缺点,将增材制造技术应用于光驱动材料与结构的制造,开发了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳纳米管(CNT)双层复合材料的增材制造工艺。工艺探索表明:注射泵流量为0.05mL/min、喷头移动速度为为30mm/s、打印喷头直径为0.3mm时,打印的PDMS平面有较好的平整度;当注射泵流量为0.4mL/min、喷头移动速度为33mm/s、打印喷头直径为0.4mm时,打印出的CNT单道成型轨迹较为连续和均匀,且打印出的平面较为平整;并且随着打印的PDMS、CNT层厚度的增加,双层结构的光驱动响应速度都会逐渐减小。增材制造软体机器手在光照下能够实现模仿人手的捏、抓、握等基本动作,表明了研究的光驱动材料增材制造工艺的可行性,为该类光驱动材料在软体机器人中的进一步应用奠定了基础。     

基于遗传算法的静电反馈式微传感器多目标优化

讨论了一种新型梳齿式静电反馈微加速度计的多目标参数优化问题，从耦合静电场能量关系出发，建立了系统的动态模型．在此基础上，以灵敏度、分辨率和动态响应为优化目标，通过目标规划法，构建了系统的多目标优化模型．利用遗传算法进行优化求解，并与序列二次规划法的优化解进行了对比分析，研究结果表明，这2种算法均能成功地求解优化问题，但遗传算法可得到设计者更为满意的多目标有效解．研究工作为进一步利用遗传算法的随机性和潜在并行性进行系统的Pareto多目标优化提供了基础．     

开式数控回转头压力机机身动态响应的研究

针对开式数控回转头压力机机身传统设计方法的不足，建立了打击载荷的理论模型，用有限元法完成了J92K—25型机身的动态分析，并进行了实验验证，得到了在静态分析中没有出现的重要结论：机身动应力的峰值交替出现在曲轴孔的顶点、机身喉口下过波圆角处及前后地脚螺钉孔附近，在振动过程中，前后地脚螺钉孔处的应力有时会更高。由于该机不会发生共振，所以连续行程次数还可以进一步提高。打击中心沿x，z方向均有一定的错移，其中在x方向的错移最大。最后，提出了控制最大动应力、打击中心在x和z方向错移及机身动态垂直变形的动态设计新方法，这对高速度、高精度、受冲击载荷机床的动态设计有重要意义。     

偏最小二乘回归在刀具磨损试验建模中的应用

应用灰色关联度筛选变量，将样本变量筛选为部分样本变量和全部样本变量组合用于建模的自变量，以刀具后刀面磨损量作为因变量，对不同切削条件下铣削加工过程刀具后刀面磨损的多组实验数据，采用偏最小二乘回归分析方法，建立对所选自变量的偏最小二乘回归模型。结果表明，该方法提取的成分具有线性无关的特点，对刀具磨损有较好的解释能力，且利于建模和预测，同时可以消除输入因素的多重共线性。刀具磨损的回归模型计算出不同切削条件下刀具后刀面的磨损量，以全部样本变量所建立的模型预测效果更为理想。     

基于CA的可降解药物控释系统建模与仿真

建立了基于元胞自动机（CA）的生物可降解材料药物控释系统的释药模型，并对基于表面降解材料的基质型以及多控体微型生物可隆解材料药物控释系统分别进行了释药过程的计算机仿真，解决了目前存在的药物释放数学模型只能处理边界条件相对简单的几何结构的问题。结果表明，该模型实现了对上述两种类型药物控释系统的瞬时释药特性的描述，为药物控释系统的优化设计提供了一种新的途径。