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航空工程進展范文1
［關鍵詞］畢業設計;培養質量;選題;團隊畢業設計
［中圖分類號］G642［文獻標志碼］A［文章編號］1008-5823(2016)02-0084-02［收稿日期］2015－10－11
一、畢業設計現狀
畢業設計是大學生在大學期間的最后學習內容，它占用學時最長、綜合性最強，是大學階段學習的深化與升華。它是高等學校本科生培養計劃中最能衡量學生綜合水平的重要教學環節。可以說，畢業設計是對大學生綜合素質的全面深入的檢驗，最能充分反映出高校人才培養的質量。正因為此，各個高校都特別重視大四學生的畢業設計工作，且采取多種措施來盡可能完善該項工作。作者所在的中國民航飛行學院航空工程學院是培養中國民航機務人才的主力院校。通過分析總結近幾年所在教研室指導畢業設計的情況，發現傳統的個體畢業設計存在著一些弊端，主要表現如下:
(一)選題難
航空工程學院每年幾百名畢業生，同時要求畢業設計的題目幾年內不能重復，給我院教師的畢業設計選題帶來了很大難度。選的題目太難，學生在短短的幾個月內很難高質量地完成，到最后反而使指導老師非常被動，為了讓學生順利通過，干脆自己上陣和學生一起做;選題太簡單，學生走過場，達不到應有的鍛煉效果［1］。有些老師手頭有一些科研項目，但是涉及的專業知識分屬于不同的學科領域，只有由各個專業領域的老師合力指導才能完成，這就需要團隊協作，而個體形式的畢業設計在這種情況下滿足不了實際的需要。
(二)學生精力投入不夠
航空工程學院畢業生在大四下學期要下到各個分院的機務部門進行為期一個月的實習。如果已經找到工作，則可以做畢業設計的時間只有3個月，如果工作還沒有著落，則需要參加各種招聘會，甚至到用人單位面試，期間真正忙于畢業設計的時間就會大打折扣。而簽好就業協議的同學，往往覺得既然單位也已經找定，畢業設計質量好壞就和自己的求職沒有關系了，容易變得懈怠，思想上放松要求，追求答辯通過就好，不在乎實際的分數，在畢業設計過程中也是主動性嚴重不足，利用往屆的論文或在網上搜索一些相關資料拼湊了事。
(三)教師能夠花費在指導學生畢業論文的精力非常有限
中國大多數高校青年教師的壓力都很大，不僅要完成一定的教學量，同時還要搞好科研，而科研是探索未知領域，要讀大量的中英文文獻，非常耗時間，而文章、科研項目是教師職稱晉升的主要考核指標。在這種情況下，如果學生畢業設計選題和自己的科研不十分契合，就不愿花更多的時間去指導。同時，隨著高校每年畢業生數量的增多，每個教師往往要同時指導多名學生，工作量很大，這種情況下也很難保證畢業設計的指導質量。
二、團隊畢業設計的概念
團隊畢業設計，或者說團隊合作模式的畢業設計是指由多個參加畢業設計的學生組成一個團隊，針對某一個大的研究項目，合理地利用每一個成員的知識和技能協同工作，解決問題，達到共同的目標［2］。在以往個體畢業設計模式下，每個畢業生的題目和同屆的同學都不相同，且可能差異很大，如果遇到問題，除了自己的指導老師外并學生并沒有太好交流溝通的對象，而如上所述，因為學生自身的主動性缺乏或者教師的精力分配不夠，就容易導致問題一拖再拖，最終影響了畢業設計質量。而在團隊畢業設計模式下，學生在論文研究工作進展過程中遇到的問題可以和同團隊的其他成員充分溝通，這無疑會加快論文寫作進度，提高論文的質量，且在這個過程中可以培養學生的交流溝通的能力。還有一個積極的因素，因為是團隊的研究攻關，無形中會使學生體會到團隊的榮譽感，這種榮譽感會使每個學生都不敢懈怠，努力按時間節點完成團隊分配的子內容，確保不至于因為自己一個人而影響整個團隊的畢業設計進度。
三、關于在民航院校畢業設計中引入團隊畢業設計的思考
以團隊為單位開展大學生畢業設計工作是一種新的形式和方法，是以常規畢業設計工作為基礎而發展創新的成果［3］。南京的一些高校較早對以團隊為單位開展大學生畢業設計工作進行了探索和嘗試，江蘇省在省優秀畢業設計評選中設立優秀團隊獎，對此也起到了良好的導向作用和推動作用。在我校引入團隊畢業設計，需要注意以下幾個方面(以畢業設計的階段為序):
(一)選題階段
畢業設計的研究課題應具有較好的系統性，這是團隊畢業設計選題的基本要求。系統性強的課題，有利于拆分成幾個既有一定的獨立性又相互關聯的子課題，實現團隊畢業設計模式的初衷。比如，對于通過計算流體力學的方法研究不同夾角下的附面層流動情況的課題，需要不同角度，不同湍流模型，甚至不同商業軟件之間的互相對比、校核，如果安排給一個學生，學習軟件就需要耗費畢業設計一半的時間。這種情況下，只有進行團隊畢業設計，通過團隊中每一位成員的分擔、交流與合作，才能深入研究該課題。
(二)團隊組建方面
指導教師要對所帶學生進行合理安排。一般情況下，畢業設計的團隊成員限定在4－5人，且可以從中選取一名研究與組織管理能力兼具的學生當團隊組長，或者說是導師助理，由他來召集學生開會，負責指導老師和團隊成員的信息溝通，收集團隊成員的研究進展情況，并適時反饋給指導老師，必要的情況下可以輔助導師協調整個團隊的研究進度。每個團隊里的成員負責一個具體的子課題，為了保證在預定的時間節點完成預定的畢業設計研究內容，可以根據每位學生研究能力的強弱選擇不同難度的子課題，確保該工作能夠協調推進，不會因為某一個學生而延誤。
(三)開題報告編寫階段
俗話說，好的開端是成功的一半。在這一階段，指導教師應通過定期學術SEMINAR的形式向學生介紹該課題的背景，了解各個學生的專長以進行各個成員之間合理分工;同時要求各成員分頭查找相關資料，并資源共享，在這個過程中逐步促成一個良好的團隊氛圍。對于一些閱讀價值高的文獻資料，可以分發給每個學生并在SEMINAR的學術研討會上集體討論、研讀。通過這一階段的學習，畢業設計團隊要完成一份較高學術水平的團隊開題報告，而不是每個成員各自寫各自的。這個開題報告反映了整個團隊的集體貢獻和集體智慧，它要達到碩士研究生論文開題報告的學術水平，具體則包括:該課題的研究背景、研究目的、國內外在該領域的進展情況、學院前期已經開展的工作以及下一步要解決的具體問題、預期的研究手段，甚至包括詳細的研究計劃。
(四)中期階段
可以采取類似國外學術SEMINAR的形式，每隔1周由導師組織開一次團隊的例會進行工作進展情況的匯報，學生在會上介紹自己負責的子課題遇到的問題，下一步的工作打算。導師在會上要耐心地給予學生指導與建議，在學術民主的氣氛中互相交換意見，共同研究解決問題的方案及進一步工作思路。通過過程管控，確保整個團隊的進度。
(五)畢業設計論文編寫及答辯階段
通過團隊合作的形式，每位組員在編寫自己的畢業設計論文時會加強與小組內其余成員的溝通，這樣避免了畢業設計常見的一些低層次問題，同時也可以把論文研究背景及國內外發展趨勢等內容敘述得更全面深入;每個成員根據分擔的研究子課題完成自己的畢業設計論文，答辯時采取統一PPT模板、以團隊為單位依次答辯的模式。這樣可以使每個組員感受到團隊的力量;自己表現好壞對團隊的答辯成績有重要影響，而團隊答辯成績對個人的成績也有重要影響;從而增強其團隊意識和團隊榮譽感;為其進入社會后團隊協作能力的培養奠定基礎。四、結語團隊畢業設計模式不僅解決了傳統的個體畢業設計與系統性強的課題需要多學科融合之間的矛盾，而且在整個過程中顯著地鍛煉了學生之間協作、溝通的能力。在選題階段選擇一個系統性強的題目，按照各自專長組建團隊，合作編寫總的開題報告，通過定期的學術例會加強過程管控，各自編寫畢設論文，并以團隊為單位組織答辯。我們相信，通過逐步的探索和總結，團隊畢業設計工作將逐步完善，形成民航院校畢業設計工作的特色和亮點。
［參考文獻］
［1］范濤峰，童明波．團隊模式畢業設計(論文)的探索與思考［J］．高教高職研究，2008，(4):175－177．
［2］王樂梅，熊璋．工程師教育中團隊精神的培養［J］．北京航空航天大學學報，2012，(4):110－112．
航空工程進展范文2
正準備開始做實驗的時候，突然一位同事跑進來說隔壁的第四工程樓里發生了槍擊案，初步斷定已經持槍逃離，具體路線未知。我所在的實驗室位于第五工程樓，與第四工程樓由一個天橋連接，而天橋連接處正是發生槍擊案的第4層，氣氛瞬間緊張起來。
這時，我們收到了學校的短信及郵件，讓我們找安全的位置躲起來。于是，我們趕緊把所有出入口的門都鎖住，這時整個學校也處于封鎖狀態，數輛警車開進學校，很多全副武裝的警察進駐各個樓進行搜索，天空中還有幾架直升機在盤旋搜索。我與幾個同事把所有門都鎖好后，躲藏在實驗室的中間位置，盡量避開窗戶，也不忘時刻關注門外的動靜。然后，我們打開各種信息工具（Facebook、微信等），并用最小的音量上網觀看直播新聞，隨時了解事件的最新進展。同時，我們也相互發信息聯系沒在實驗室的同事，互報平安并分享最新情況。
大約過了1個小時，突然有急促且聲音很大的敲門聲，我們瞬間緊張了起來，所有人都沒有說話，而是悄悄地查看門外情況。在得知是警察后，大家才舒了口氣。打開門后，數名持槍警察讓我們所有人站到墻邊，首先查看我們是否攜帶槍支，然后詢問我們的人數及所有人的狀態，得到確認后，我們按照警察的口令排好隊，在他們的護送下按照指定路線進行撤離。大家一邊查看周圍的環境，一邊緊跟著警察，直到我們到達校外的安全地帶。
當時，整個學校還處于封鎖狀態，我們就趕緊回家了。到家后不久，我又收到學校的短信及郵件，得知學校解除了封鎖，告知一名打死一位工程系的教授后自殺了，具體原因還在調查中。想到第二天還有項目報告書要提交，吃過午飯后，我還是回到了學校的實驗室繼續工作，不過學校里的人相對少了一些，部分區域還處于封鎖狀態。
親歷此次槍擊事件，我有幾點感受：
首先，美國是一個允許公民擁有槍支的社會，需要時刻警惕槍擊事件的發生。與人交往要友善，這不是誰胳膊粗誰就稱霸的社會。盡量少去經常發生槍擊案的地方，晚上盡量不要一個人走夜路。
其次，一旦發生了槍擊事件，自己一定要冷靜，觀察周圍動向，如果能安全撤離一定要盡快撤離。不能撤離的話，一定要找到安全的地方躲避起來，有機會就要盡快離開。撤離時盡量不要穿鮮艷的衣服，以防成為槍擊目標。
最后，要以平常心對待槍擊事件。目前來說，短期之內美國不可能實現禁槍，所以除了防范以外，該干什么還是要干什么，生活還要繼續，不能糾結在這件事情上而影響了工作與生活。
航空工程進展范文3
【關鍵詞】射線檢測，復合材料，無損檢測
中圖分類號：TU761.1+4 文獻標識碼：A文章編號：
前言
隨著近代高新技術的發展，對材料性能要求的日益提高，單質材料很難滿足性能的綜合要求和高指標要求。因此復合材料憑借其優良的性能得到了廣泛的開發和利用，成為了很多行業的優選關鍵材料。為了保證工程的質量必須要保證使用的復合材料的質量，這給復合材料的無損檢驗提出了更多更高的要求，如何提高無損檢驗技術也就成為了復合材料能否更多的被廣泛應用的關鍵，從目前的情況來看，復合材料的無損檢測技術有很多種，其中，射線檢測是比較重要的一種，射線檢測在工業產品的結構測量、缺陷監測和損傷評價等方面都得到了比較廣泛的應用，在現代復合材料的無損檢測中發揮著重要的作用，占據著重要的地位。
射線檢測法在復合材料無損檢測中的應用
X射線照相檢測法
這種檢測方法已經廣泛的應用于工業檢測領域，與現在的檢測技術來說，是應用比較早的檢測技術，是最傳統的無損檢測方法之一，其基本原理在于，通過射線來穿過不同的材料，因為材料的性質不同，射線在經過材料時的衰減量也是不一樣的，從而射線的透射強度也是變化的，在膠片上就會呈現出明暗變化不同的影像，通過觀察這些影像得到檢測結果。針對X射線照相檢測法可以檢測到的材料的缺陷問題，傾向性的觀點是可以發現夾雜物、氣孔，而不能發現垂直于射線方向分布的脫粘和裂紋。X射線照相檢測法的優點是成本低，易操作；其局限性為效率低，缺陷(裂紋)的方位是決定性的，要求與射線平行。
2、X射線實時成像檢測法
隨著生產規模的擴大和對復合材料質量的更高要求，早期的檢測方法已經不再適用于材料的無損檢測，它的可靠性和效率都已經不再適用新的要求，X射線實時成像檢測法就是比傳統檢測方法更進一步的無損檢測法，它的基本原理是利用X射線的特性，即穿透物體的時候，會因為物體的吸收及散射的原因產生衰減，從而在熒光屏上通過特殊的圖像增強器會形成與物體內部想對應的圖像，然后在通過攝像設備把圖像轉化成視頻信號，然后輸出，通過計算機的數字圖像處理技術，對輸出的視頻信號進行分析，從而得到結果。這種檢測法的優點就在于對材料的缺陷可以進行在線檢測，檢測結果自動生成，檢測效率較高。其缺點在于，
通過這種檢測方法得到的圖像樣品是層疊的影像，不利于觀看和分析，缺陷的影像也是累積的，而不是三維的空間影像信息。現在已經發展的主要成像系統有：數字實時成像系統、熒光屏成像系統、圖像增強器成像系統等。
射線計算機斷層掃描檢測法
此種檢測方法是起源于前面提到的第一種方法，與第一種方法的不同之處在于，它的區別在于采用的是圓錐狀射線，檢測原理在于通過準直設備將圓錐狀射線變成面狀或線狀掃描束，從而對射線穿過的物體的某一個斷面掃射，得到一個斷面的圖像，通過分析每一層斷面的圖像就可以得到詳細的檢測結果，達到檢測目的。
4、X射線斷層形貌成像檢測法
X射線斷層形貌成像檢測法的基本原理是利用樣品散射的空間探測來描述材料的內部特征，從而通過分析，得到檢測結果。這種檢測法是X射線散射和圖像成像的優點進行了結合的檢測法，可以對材料機械性能的關系、晶體的界面面貌組織，尺寸進行研究，并且可以對微觀的細小的損失進行分析。它具體的可以分為大、小角度X射線散射方法，大角度的X射線散射是無能量轉變的彈性散射，對結構比較小的分子和原子結構能夠快速反應。而小角度的X射線散射則是傳統的一種對膠體、生物和聚合物進行研究的工具，也可檢測纖維轉向。
5、X射線康普頓散射成像檢測法
康普頓散射成像檢測技術采用散射線成像，射線源與檢測器位于物體的同一側，其技術上的顯著特點是單側幾何布置。具有層析功能，一次可以得到多個截面的圖像，也可得到三維圖像。在理論上圖像的對比度可達到100％。其局限性為，由于康普頓散射成像檢測技術采用散射線成像，因此它主要適于低原子序數物質且位于近表面區厚度較小范圍內的缺陷檢測，通常它適宜檢驗的物體表層厚度區是：鋼約為3ram，鋁約為25ram，塑料和復合材料約為50ram。在應用時必須考慮基體材料和缺陷對射線的散射差別、檢驗要求的分辨力和成像時間。
6、中子射線照相檢測法
中子照相檢測法的基本原理是，通過準直器將中子源發射出的中子束射到被檢驗的物體上，因為不同的物體對中子的衰減系數是不同的，所以檢測器記錄到的已經投射形成的中子束分布圖像就是不均勻的，通過分析這些圖像，就可以對物體內部的雜質和缺陷有清晰的了解，與以前的R或X射線不同的是，中子射線照相檢測法還可以對放射性的物質進行檢測，并且可以對金屬中的一些低原子序數物質進行檢驗，對同一元素的不相同的同位素也可以進行區分，這種檢測法的缺點在于，中子源的價格昂貴，所以檢測耗費就比較貴，中子的安全防護也是必須要特別注意的問題。
三．結束語
綜上所述，目前已有多種射線檢測技術應用到復合材料無損檢測中，獲得了較好的結果，對復合材料制備過程的質量控制及其產品的質量評價等起到了至關重要的作用。提高了復合材料的使用可靠性，同時也為復合材料結構設計提供了更多的選擇機會。隨著復合材料設計水平的不斷提高和新制備方法的應用，將會有越來越多性能優良的復合材料被開發利用。
參考文獻：
[1]徐麗 張幸紅 韓杰才 航空航天復合材料無損檢測研究現狀(被引用 8 次)[期刊論文] 《材料導報》 2005年8期
[2]蘇新彥 韓焱 微波在無損檢測技術中應用 [會議論文]- 2005年全國射線檢測技術及加速器檢測設備和應用技術交流會
[3]吳斌斌 鄔冠華 鋁基復合材料無損檢測研究進展 [期刊論文] 《無損探傷》 -2012年1期
航空工程進展范文4
關鍵詞：四旋翼飛行器；升力波動；控制器；卡爾曼濾波器
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）34-0207-02
Abstract： A series of high frequency components and frequency characteristics associated with the rotor speed can be obtained by the addition of a series of high frequency components and the frequency characteristics of the four rotor aircraft. In this paper， the dynamic model of four rotor aircraft is established， and the relationship between the high frequency and the disturbance of the angular velocity of the aircraft is established. The Kaman filter of the colored noise is introduced into the angle velocity feedback loop to achieve the purpose of reducing the influence of the disturbance of the speed.
Key words： four rotor aircraft； lift fluctuation； controller； Calman filter
四旋翼飛行器是通過借助均勻布置在機體周邊的四個旋翼代替常規直升機主旋翼的一類飛行器，四個旋翼不僅能為直升機提供升力，而且還能控制直升機的姿態變化，兼具機動靈活與結構簡單的特點。然而，在飛行器運行過程中，時常會出現升力波動的干擾情況，從而影響其正常的運作。因此，本文將著重對四旋翼飛行器中升力波動的干擾情況和抑制方法展開研究。
1 四旋翼飛行器升力分析
四旋翼飛行器在保持較低飛行速度時，通常認為機體產生的升力和旋翼轉速的平方成正比例關系，也就是在某一特定的轉速下，旋翼將會產生恒定的升力。但在實際情況中，旋翼所產生的升力除了受這一基值影響外，還會受某些高頻分量的影響，升力產生過程中的此類高頻分量便為升力波動，此類分量將會擾動四旋翼飛行器的控制，從而降低飛行器的控制品質。雖然四旋翼飛行器獨特的結構配置特性能夠確保其在振動過程中不會失穩，但由于高頻振蕩信號的擾動，使得飛行器的姿態信息與輸出信號發生劇烈變化[1]。此外，由于一般四旋翼飛行器執行器的頻帶有限，很難對高頻控制信號進行跟蹤，導致控制信號所攜帶的高頻變化量失去了實際意義，加之此過程中，執行器的頻繁加速增加了飛行器本身的能耗，使得機械與電氣環節的損耗急劇上升。
2 四旋翼飛行器建模及擾動分析
2.1模型建立
建立四旋翼飛行器的動力學模型時，通常把其視為具有6個自由度的剛體，將地面坐標系與機體坐標系分別設置為E和B，并作為機體動力學模型建立的參考基準，其中[R]（[η]）[∈][R3×3]是對E與B之間轉換關系的方向余弦矩陣，[η]=[[φ]，[θ]，[ψ]]T，表示四旋翼飛行器機體坐標系B向其地面坐標系E轉化的3個獨立角參量2.2升力波動對飛行器的影響
通常，機體升力Fi和轉速fi的平方成正比，但由于旋翼在某一轉速下，所產生的升力并不是常值，而是在基值基礎上附加了頻率特性與高頻分量獲得的，故高頻肥量將會對飛行器產生擾動，具體分析如下：
將旋翼在恒定轉速下所產生的升力等效于：
其中，Fi1=kifi2，[Aki]與[φki]則分別對應飛行器旋翼第k次諧波的幅值和相角，故結合公式2與公式9則可得四旋翼飛行器在運行過程中的總升力F，即公式10，由此可知，升力波動的對飛行器的影響隨著飛行器總升力的增加而愈加明顯[2]。
3 控制器的改進
為了抑制擾動力對控制器的影響，可在反饋環節當中加入濾波器，此濾波器不僅應具有良好的實時性，而且還應具有較小的計算量，因此，結合四旋翼飛行器自身的硬件特點，選取卡爾曼濾波器對升力的干擾進行抑制?？柭鼮V波器的應用前提是系統能夠等價轉化為某一隨機的離線系統，但由于受到有色噪聲序列的影響，并不能對卡爾曼濾波器進行直接應用，通常需要借助測量信息擴增的辦法實現有色噪聲的白噪聲化[3]。在對濾波器的有色噪聲進行白噪聲化后，建立起隨機的線性離散系統，在系統當中，執行器主要由電子調速器以及三相直流無刷電機共同組成。調速器主要通過濾波器的CAN口與主控芯片之間進行數據交換，而在接受調速指令的同時，也將四旋翼飛行器的運行狀態以及轉速等相關信息進行反饋，從而實時獲取電機轉速，并以此為依據計算出當前所產生的升力，并獲取卡爾曼濾波器的角速度，而后，對角速度的協方差矩陣進行描述。通過將狀態轉移矩陣F在單位矩陣I中進行簡化，進而獲得最優的卡爾曼增益以及四旋翼飛行器最終的狀態與協方差估計值。此后，通過組建卡爾曼遞推方程，便可得到消除擾動力矩對升力進行干擾的角速度，將此時所對應的歐拉角變化率帶入到四旋翼飛行器的PID控制器當中，即可實現對升力擾動的抑制工作。
4 實驗結果及分析
四旋翼飛行器原型機的硬件結構如圖2所示。首先，對單一旋翼在某一工作轉速條件下所產生的升力曲線以及懸停狀態下的角速度進行測試，從而驗證飛行器升力波動的特性及其對四旋翼飛行器角速度的影響。而后，啟動原型機并對其原有的PID雙閉環控制器當中的控制量以及改進后PID雙閉環控制器的控制量進行對比分析，從而驗證升力擾動的抑制效果[4]。研究結果表明，通過引入卡爾曼濾波器并對其中的有色噪聲進行消除能夠較好地實現對四旋翼飛行器中升力波動干擾的抑制。
參考文獻：
[1]李秀英，劉彥博.基于PWM的四旋翼飛行器控制方法[J].吉林大學學報（信息科學版），2011，5（13）：464-472.
[2]張廣昱，袁昌盛.基于自抗擾理論的小型四旋翼飛行器姿態控制[J].航空工程進展，2014，3（26）：338-342.
航空工程進展范文5
關鍵詞： 彎管成形優化； 數值實驗； 二次開發； 插件； 用戶圖形界面； Python
中圖分類號： TG386；TP311文獻標志碼： B
0引言
為節省空間，工程中傾向于采用彎曲半徑與管徑之比小于1.5的彎管.小半徑彎管在彎制時易產生外側減薄、內側起皺和截面扁平化等缺陷.在實際生產中，為獲得符合成形標準的彎管，針對每個管徑規格，需進行多次生產實驗調試.目前，針對此成形過程，可采用Abaqus軟件實現數值模擬[1]，以減少材料消耗并降低人工成本.
彎管成形的數值實驗具有以下特點：第一，彎管成形是包含幾何、邊界和材料的三重非線性過程，要得到收斂且可靠的結果，需要對參數進行合理設置，數值結果的可靠性依賴于分析人員的經驗水平；第二，彎制工藝由管件與6個模具的接觸作用實現，成形過程變量繁多，取得較優的模具設置常需要進行系列數值實驗[24]，而每一次數值實驗都包括前后處理及分析過程，耗時很長；第三，Abaqus軟件無法直接提供成形指標結果，需用戶提取變形后的節點位置自行計算，僅根據軟件給出的變形圖很難直觀地判斷缺陷位置.考慮以上特點，本文采用Python及GUI Toolkit語言對Abaqus進行二次開發，形成針對彎管成形數值實驗的專用插件.
目前，針對彎管模擬已有一些二次開發工作.[56]這些工作側重于對軟件已有功能的整合，而且只是針對某一部分進行單獨開發.本文開發的插件覆蓋前處理、工作提交和后處理整個過程，并且基于優化經驗添加實用功能，如系列工作連續提交及指標結果寫入云圖，為彎管成形數值實驗提供一整套高效的解決方案，尤其適合系列優化.插件還定制符合工程習慣的界面以簡化分析過程，即使沒有Abaqus軟件基礎的用戶也可以快速掌握使用.
1Abaqus自定義插件
以Abaqus腳本接口二次開發為主，結合圖形界面的定制，形成彎管成形模擬的專用插件.插件程序包括腳本接口文件、圖形界面文件和插件注冊文件3類.腳本接口文件基于Python語言，直接向內核發送命令，針對建模、分析和后處理全過程實現功能定義.圖形界面文件和插件注冊文件基于Abaqus GUI Toolkit語言，前者負責對話框（Dialog）的建立，后者負責機制（Mode）的定義和GUI插件注冊.機制是連接圖形界面與腳本程序的紐帶，其對用戶輸入的數據進行收集檢驗，形成命令字符串提交至內核.注冊命令引用定義的機制，當插件被選中時，相應的GUI機制被激活，同時導入腳本接口程序，為GUI命令的調用做準備.①為描述插件形成思路及各類文件間配合，以前處理模塊為例，文件的關鍵語句見圖1.
①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus GUI Toolkit User’s Manual， 2012
圖 1程序文件關鍵語句及插件形成思路
Fig.1Key statements of program file and plugin development idea
2彎管成形優化專用插件
本文開發的彎管成形優化專用插件包含3個模塊：彎管成形定義模塊、分析任務提交模塊和成形結果查看模塊，分別實現前處理、工作分析及后處理功能.插件分析流程見圖2.
圖 2插件分析流程
Fig.2Analysis flow using plugin2.1彎管成形定義模塊
在采用Abaqus對彎管成形過程進行模擬時，通常設置接觸、彎曲和卸載3個分析步.除管件本身與模具的結構建模外，還需定義管件與6個模具間的多個接觸、芯棒與芯球的連接以及各模具在不同分析步中的力和位移邊界.此外，還需合理定義分析類型、接觸屬性、邊界條件、網格大小和加速手段并設置輸出.在滿足功能完整性的前提下，本插件的彎管成形定義模塊采用與軟件自身不同的思路，對建模流程進行極大簡化，同時將具有一定技術難度的分析設置和重復性操作內置在腳本中，無須用戶進行定義.手動建模流程見圖3，插件建模流程見圖4.圖 3手動建模流程
Fig.3Flow of manual modeling process
圖 4插件建模流程
Fig.4Flow of modeling process using plugin
由圖中數字代表的基本操作步數可見，使用插件的操作步數減少近2/3.此外，插件建?；静僮鞑骄鶠閱蝹€數據的輸入，較手動建模時需要進行點選、繪圖等操作更加簡便.一般情況，使用插件建立1個分析文件的用時不超過5 min，尤其是在進行系列優化時，僅需改變個別參數取值即可快速生成一系列優化工作文件，極大地提高數值優化前處理的效率.
界面的定制符合實際實驗時的思路，分為基本參數、過程參數和分析設置3個選項卡，見圖5.基本參數包含實驗時無法或不經常調整的參數，主要是管件與模具自身的尺寸和材料參數；過程參數選擇工程中為提高成形質量經常調整的參數.基于優化經驗，本插件在模具設置中選擇彎曲半徑、彎曲角速度、芯棒與管件間隙、芯棒伸出量、壓模側推力及其相對側推速度作為調整參數.分析設置中對網格、分析步、工作名和儲存路徑進行定義.用戶只需填寫以上參數即可自動生成用于提交分析的inp文件.因此，即使沒有Abaqus軟件操作基礎的用戶，也可以使用此插件進行高效的模擬工作.
for…in…：
if （icoordValues. nodeLabel == istraightLabel）：
…
Hw_in.append（Hw_t）
Hwfield = lastFrame.FieldOutput（name=′Hw′， description=′起皺高度′，…）
Hwfield.addData（position=NODAL， …， labels = nodein， data = Hw_in）
odb.update（）
# 提取某時間點節點坐標場輸出
# 管件內外側節點列表循環
# 判斷條件
# 寫入直線段節點序列
# 直線段/曲線段節點序列循環
# 寫入內側節點元數組
# 內側節點位移場輸出循環
# 位移與節點號對應
# 計算皺高
# 寫入皺高列表
# 新建場輸出變量
# 添加數據
# 更新結果文件
①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus Scripting User’s Manual， 2012
②Python Software Foundation， Python 2.7.8 documentation3.1前處理
前處理腳本完成自動建模工作，依次進行部件、組裝、網格、邊界條件、接觸和分析步等對象的定義，另將管件內外側節點分別建立數組并設置輸出，供后處理提取數據.腳本接口文件編寫可以參考Abaqus軟件在GUI建模時生成的rpy文件.[7]需要注意的是，為保證腳本在重復運行時的正確性，需對此參考文件進行修正.例如，在屏幕上進行點選時，Abaqus默認采用內部的編號系統為對象進行標記①，但是模型編輯會改變特征ID，故編寫腳本時需使用findAt命令對其進行替換，改用坐標值標記對象.
3.2分析任務提交
分析任務提交腳本接口實現2個功能：任務的連續分析和過程文件的自動刪除.其中，連續分析通過循環完成，實現的關鍵是waitForCompletion方法的使用.②為實現過程文件的自動清理，定義進行文件判斷和刪除的專用函數，利用系統路徑的訪問方法對目錄中的每個文件依次調用此函數進行判斷和刪除.
3.3后處理
以起皺率為例說明后處理腳本中進行指標自動計算并將結果寫入文件和云圖的過程.
使用Abaqus命令訪問結果數據庫定時間步的節點坐標輸出項.由于變形后直線段與曲線段的起皺率計算方法不同，使用循環語句將直線段和彎曲段的節點分開配對.采用循環判斷分別生成內側節點元數組和皺高列表.為實現起皺高度的云圖顯示，新建場輸出對象，添加對象節點元數組和相應皺高列表，保存在odb文件中.
4實例
為驗證插件的有效性，使用插件對某次現場實驗進行模擬分析.目標管件外徑為114 mm，厚度為4.5 mm.進行2次現場實驗以對比不同的壓模側推力對成形結果的影響：第1次側推螺栓緊，第2次側推螺栓松.對應2次模擬時壓模側推力的設置為100和50 kN，其余參數一致.使用插件的“彎管成形定義”模塊，生成第1次實驗的待提交inp文件，耗時3 min，模型見圖8.
圖 8插件生成模型
Fig.8Model for plugin generation
以第1次實驗為基礎，改變過程參數中側推力的取值，即可生成第2次實驗的分析任務文件.之后在“工作連續提交定義”模塊選擇這2個inp文件，勾選完成后刪除過程文件選項后提交.分析完畢后，信息欄中列出被刪除的過程文件和工作的接連提交情況，見圖9.最后，使用“成形結果查看”模塊，選擇結果文件、時間點和云圖項，插件自動計算指標并寫入相應文件，結果同樣顯示在CAE信息欄，見圖9.同時，插件將起皺高度寫入結果云圖，界面自動轉到所選的云圖項顯示.計算得到的第1次成形后彎管厚度云圖見圖10，最小厚度的位置和減薄率與現場實驗吻合良好，見表1.同時，由起皺高度云圖可見，當螺栓緊時，管件后部出現皺高3.7 mm的褶皺，與現場實驗結果吻合，見圖11.無論是現場實驗還是采用插件數值模擬得到的結果均顯示，側推螺栓過緊對彎管成形有負面影響.圖 9信息欄
Fig.9Message area
圖 10厚度云圖
Fig.10Thickness contour
圖 11起皺云圖和實驗對比
Fig.10Comparison of wrinkling contour and experiment
5結論
利用Abaqus腳本接口程序及圖形界面工具包，形成針對彎管成形數值優化的專用插件.利用插件可實現以下功能.
1）輸入必要的參數值即可自動生成模型，建模時間為5 min以內.在過程參數一欄修改個別參數即可快速生成系列任務文件.
2）支持無人值守時多個分析任務連續提交及過程文件自動刪除，可有效利用時間.表 1插件模擬與現場實驗結果對比
Tab.1Comparison of results of simulation using plugin and field experiment描述原厚度/mm成形后最小厚度/mm減薄率/%現場實驗值插件模擬值現場實驗值插件模擬值現場實驗值插件模擬值螺栓緊4.400～4.5004.5003.3003.35025.00～26.6725.56螺栓松4.400～4.5004.5003.4003.40922.73～24.4423.44
3）自動計算成形指標，顯示在信息欄，寫入文件并實現指標云圖顯示，方便用戶觀察缺陷產生位置，指導下一步調整.
通過前后處理的自動化和系列工作分析時間利用率的提高，彎管成形數值優化效率得以大幅度提升.采用開發的插件對現場實驗進行模擬，所得結果與實際吻合良好.本文給出的插件形成思路和功能開發要點可供其他系列優化數值實驗的二次開發參考.參考文獻：
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航空工程進展范文6
關鍵詞:微電池;全固態薄膜鋰電池;陰極薄膜;濺射法;脈沖激光沉積法;電子束蒸發法
中圖分類號:TM911文獻標識碼:A文章編號:1009-2374 (2010)12-0043-03
電子產品小型化、微型化、集成化成為當今技術發展的大趨勢,從而需要電池的微型化。微電池在未來便攜式電子設備、國防裝備及微電子機械系統 (MEMS) 等方面有著廣泛的應用前景, 受到人們的重視。目前,國內外積極開展研究的微電池系列有:鋰電池、鋅鎳電池、太陽能電池、燃料電池等。其中全固態薄膜鋰電池由于具有重量輕、體積小、循環壽命長、能量密度高、使用溫度范圍寬和安全性能好等優點已成為目前研究的熱點。
全固態薄膜鋰電池主要由陰極膜、陽極膜和電解質膜構成,其電池性能的主要決定于陰極材料的性能,所以薄膜鋰電池的性能也取決于陰極薄膜的性能。近年來,如何成功獲得性能優良的陰極材料成為熱門前沿課題之一,美國、日本、韓國、英國、歐共體等一些大公司和研究機構紛紛致力于陰極膜研究和開發。本文旨在介紹全固態薄膜鋰電池結構和原理,并總結陰極薄膜的制備技術,以期為全固態薄膜鋰電池的研究提供參考。
一、全固態薄膜鋰電池的結構和原理
電池的結構也極大地影響著電池的性能,它密切關系到電池的容量和Li+ 離子的傳輸速率。最優化的構件方式是組成高性能薄膜鋰電池的重要條件。圖1給出了典型的薄膜鋰電池的結構型,主要部分是陰極模、固體電解質膜和陽極膜?？梢酝ㄟ^某種基底(如單晶硅片)上依次沉積陰極電流收集極、陰極膜、固體電解質膜、陽極膜、陽極電流收集極構成簡單的薄膜鋰電池。除了電流收集端(通常用導電金屬附著在基片表面制備)以外,全固態薄膜鋰電池的陰極、陽極、電解質都是以固態薄膜的形式依次參差附著,并且外部以絕緣的保護層包裹。
鋰電池原理上是一種鋰離子濃差電池,固態薄膜鋰電池的正、負兩極通常由兩種鋰離子嵌入化合物或聚合物組成。充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰態,正極處于貧鋰態,同時電子的補償電荷從外電路供給到負極,放電時則相反。如圖2所示:
在鋰電池的充、放電過程中,鋰離子處于從正極負極正極的運動狀態。鋰電池中的就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,兩極的鋰濃度隨著一極的升高而另一極降低,而鋰離子就像運動員一樣在搖椅間來回奔跑,類似一種搖椅式機制。所以鋰電池又叫搖椅式電池,其原理又被稱為搖椅式原理。
二、陰極薄膜材料的制備技術
制備陰極薄膜材料主要有兩種沉積工藝,即物理方法和化學方法。其中物理氣相沉積法又包括:磁控濺射 (Magnetron sputtermg)、電子束蒸發沉積、脈沖激光沉積 (PLD)等?；瘜W方法主要是溶膠凝膠方法。本文就目前制備陰極薄膜材料常用的4種方法做簡單介紹:
(一)濺射法
1.濺射技術是利用高能離子轟擊靶材形成濺射物流,在襯底表面沉積形成薄膜的一種鍍膜技術。濺射技術包括射頻磁控濺射、反應濺射、多元靶濺射及離子束濺射。其中,磁控濺射由于沉積速率可以比其他濺射方法大很多,是目前應用最為廣泛的一種薄膜沉積方法。由于優良的結構穩定性和循環性能,氧化鈷鋰被廣泛應用在商品化的鋰離子電池中。在薄膜鋰離子電池研究中也經常使用其薄膜作為陰極材料。Jang 等采用射頻磁控濺射法得到LiCoO2薄膜,研究得出薄膜中顆粒變小可以提高電壓循環穩定性從而提高容量和能量密度。
2.H. Y. Park等在不同偏壓下采用射頻磁控濺射法沉積LiCoO2了陰極薄膜,循環伏安和充放電測試表明沉積過程中采取不同基體偏壓對其結構和電化學性能有著明顯影響。采用這種方法可不需要后續退火過程,而直接用于薄膜電池的陰極材料。
3.劉文元等采用射頻磁控濺射技術制備了非晶態和不同取向的多晶LiCoO2薄膜,利用XRD和SEM研究了不同溫度退火后LiCoO2薄膜的結構和形貌。以具有不同結構的LiCoO2薄膜為陰極、含氮磷酸鋰薄膜為電解質以及金屬鋰薄膜為陽極,成功地制備了電化學性能不同的全固態薄膜鋰電池。由電化學研究結果表明, LiCoO2薄膜的結構和多晶取向決定了薄膜電池的電化學性能。采用具有一定取向的多晶LiCoO2薄膜制備的全固態薄膜鋰電池具有最佳的性能,穩定放電容量達到55.4μAh/cm2?μm,充放電循環次數超過450次。
4.LiNiO2理論容量較高,比LiCoO2價格便宜,對環境污染也較小,所以有希望成為取代LiCoO2的電極材料。H.K.Kim等以LiNiO2為靶材,O2/(Ar+O2)比為0.1氣氛下,采用射頻磁控濺射法沉積得到非晶態LiNiO2薄膜,在700℃氧氣氣氛下快速熱退火10分鐘后得到結晶的LiNiO2薄膜。采用經快速熱退火處理的LiNiO2薄膜陰極(厚1.13μm)組裝的全固態薄膜電池顯示出穩定的循環性能。作者指出,經快速熱退火處理的LiNiO2薄膜陰極是制備高性能全固態薄膜電池很有希望的陰極材料。
5.A.Urbano等人用射頻磁控濺射的方法制備了LixNiOy薄膜,為LixNiOy陰極膜的濺射提供了部分依據。Duksu Kim等人首先用射頻磁控濺射的方法制備了有良好電化學活性的LiNixCo12xO2陰極膜,實驗對兩種不同摩爾比合成靶材濺射的LiNixCo12xO2陰極膜作了對比研究,指出在氬氣和氧氣(摩爾比為2∶1)混合壓為1.33Pa、濺射功率密度1.23W/cm2條件下,LiNO3、NiCO3和Co(NO3 )2?6H2O按摩爾比1.05∶0.5∶0.5合成粉末靶,在Pt(50nm)/SiO2/Si(100)襯底上濺射的LiNixCo12xO2膜,經過快速退火處理,有良好的容量保持性能。隨著循環次數的增加,容量只有很少的降低。Cheng L L等討論了在不同條件下制備的LiCoO2薄膜的性能,結果表明在250℃條件下以Si基板為襯底,氧氣分壓在0.665～1.33Pa范圍內,可以制得納米晶型的LiCoO2薄膜,當氧氣分壓高于1.33Pa或低于0.665 Pa時,會有Co3O4雜相產生,這說明氧氣分壓在制備過程中起很重要的作用。同時還討論了退火溫度對LiCoO2的電化學性能的影響,當退火溫度分別為500℃、600℃、700℃時,電池的放電容量分別為41.77、50.62和61.16Ah/(cm2?μm) 。
6.Dudney研究發現由于在濺射過程中難以控制和優化鋰錳氧計量比,LiMn2O4晶態薄膜電極的循環性能和內阻表現出的再生能力比LiCoO2差。
(二)脈沖激光沉積法
1.PLD最早出現于20世紀60年代,一開始由于氣相鍍膜方式占據了制膜方法的統治地位和PLD方法本身的發展不夠,并沒有受到重視。1987年PLD因成功制備YBCO高溫超導薄膜而發展起來,近些年來,更是在制備鐵電薄膜中得到廣泛應用。它的基本過程是將一束高功率脈沖激光聚焦到符合化學計量比的陶瓷燒結靶表面上,靶表面瞬時局部溫度可達103℃～104℃,蒸發出含有靶材成分的等離子體羽輝,羽輝中包含處于基態和激發態的原子、分子、團簇和高能電子,這些粒子以較高的能量到達加熱的基片表面而成膜。使用該方法制得的膜的主要優點是:污染小;薄膜與靶材的成份保持一致;逸出粒子具有較大的能量,沿襯底表面的擴散較為激烈,沉積速率高;另外,在制膜的過程中,脈沖重復頻率低,原子在兩次脈沖蒸發間有足夠的時間擴散到吉布斯自由能最低位置,這樣有利于薄膜生長,提高薄膜質量。Sriehe等用248nm激光制備了LiCoO2和LiMn2O4薄膜。復旦大學化學系激光化學研究所薛明吹炔捎寐齔寮す獬粱結合高溫退火的方法在不銹鋼基片上制備了LiFePO4薄膜電極,充放電測試表明,LiFePO4薄膜具有3.45～3.40V的充放電平臺,與LiFePO4粉體材料相當,首次放電容量為27mAh/g。
2.在全固態薄膜鋰電池中,LiCoO2薄膜是最常用的陰極材料。在充放電過程中,LiCoO2發生從三方晶系到單斜晶系的可逆相變,但這種變化只伴隨很少的晶胞參數變化,LiCoO2有良好的可逆性和循環充放性能。晶形LiCoO2是一種各向異性的層裝結構,因此Li + 的嵌入和脫出必然與薄膜材料的取向密切相關。Iriyama 等發現用PLD方法制備LiCoO2薄膜在沉淀初期(薄膜厚度d < 0.24μm)是c軸定向的,當薄膜厚度再增加時變為無定向的。由于c軸定向薄膜的電荷轉移電阻大和垂直基片方向的擴散系數小,電化學性能并不理想?？梢?采用PLD技術制備LiCoO2薄膜的不宜太薄。Iriyama 等還嘗試將PLD制備的LiCoO2薄膜由MgO修飾,修飾后薄膜的電極/電解質界面上Li+擴散活化能明顯降低,循環性能得到較大改善。
3.Strielel等采用PLD技術在加熱的不銹鋼基片上沉積了厚度為0.2～1.5μm的LiMn2O4 薄膜,該過程中沉積與晶化同時進行,無需高溫退火處理。但該LiMn2O4電極在充放電循環中會發生溶解,致使循環容量下降。如何克服循環容量下降成為目前LiMn2O4研究的焦點。他們進一步沉積了摻Ni和Co的LiMn2O4薄膜。摻Co和摻Ni的薄膜電極反應完全不同,在2.0～5.0V 的范圍內充放電時只發生Ni2+～Ni4+的氧化反應,而沒有Co3+的氧化還原反應。另外,LiNi0.1Mn0.9O4薄膜在電位5.5V時仍十分穩定,而當電位高于5.5V時由于大量的電解質氧化分解使薄膜電極的容量減小。
4.V2O5因其很高的理論嵌鋰容量成為很有發展前景薄膜鋰電池的陰極材料。晶態和非晶態V2O5 的離子擴散系數有較大不同。Mcgraw等采用單階躍電位法測定了由脈沖激光沉積制備V2O5薄膜的DLi,晶態V2O5薄膜DLi的最大值和最小值分別為1.7×10-12cm2/s和5.8×10-15cm2/s ,而非晶態V2O5的DLi變化較小,最初為5×10-13cm2/s ,鋰化到Li0.4V2O5 時下降到1.2×10-13cm2/s。
(三)電子束蒸發法
電子束蒸發法的特點是能量高度集中,膜材料的局部表面可獲得很高的溫度;能準確而方便地通過調節電子束的加速電壓和電流控制蒸發溫度,并且有較大的溫度調節范圍。與射頻磁控濺射法和脈沖激光沉積法相比具有成本低廉,成膜較快,便于大面積制備等優點。
Shokoohi F K等采用電子束蒸發法制備LiMn2O4薄膜,在獲得新沉淀的非晶膜以后, 既可以取出進行高溫 (800℃)退火處理,又可以在較低的溫度 (400℃)進行原位退火處理,兩種處理方法都可得到LiMn2O4晶體膜。其中后者具有特別重要的意義,它使薄膜電池可能與半導體材料整合在一起。該法得到的LixMn2O4薄膜中,x接近1。400℃原位退火處理得到的晶體顆粒小于0.05μm,比容量在130mAh /g以上。Seung J L等報道其用電子束蒸發法制備Li2Co0.5Ni0.5O2的薄膜,性能與LiCo0.5Ni0.5O2粉末相當。
(四)溶膠-凝膠(Sol-Gel)
1.Sol-Gel工藝的基本過程是在有機溶劑中加入含有所需元素的化合物形成均勻溶液。溶液通過水解和縮聚反應形成凝膠,用勻膠機將其均勻甩在基片上,經過干燥和退火處理,除去凝膠中的剩余有機成分,就形成了所需的薄膜。這種方法具有化學計量比準確、易于摻雜改性、工藝簡單、成本低和成膜面積大等優點,適合批量生產。
2.基于豐富的資源和對環境友好等優點,氧化錳鋰也被作為薄膜鋰電池的陰極材料。Park等用溶膠-凝膠旋轉涂膜法和退火相結合的方法,制備了具有良好容量和循環性能的LiMn2O4薄膜,并對不同條件下制備的LiMn2O4陰極薄膜進行了對比研究。根據分析,并結合前人研究指出構成良好充放電性能的LiMn2O4陰極薄膜的可能因素:較低的結構完美性、有缺陷存在、微粒之間沒有接觸阻抗。這為以后對LiMn2O4陰極薄膜的研究提供了有力參考。
3.Young Ho Rho等用PVP溶膠-凝膠法在金底片上制備了1μm厚的LiMn2O4薄膜,并在1mol/dm-3 的LiClO4電解質溶液中測試了該薄膜電極的電化學性質。他們發現用該法制備的LiMn2O4薄膜具有良好的充放電性能,其化學擴散系數為10-8至10-10 cm2/s,并且在200次充放電循環后容量損耗僅為20%。
4.L. Hernán等用溶膠-凝膠法制備的Li-V-Mn-O尖晶體,并使用丙酸使其成為樹脂結構,然后對凝膠進行600℃的退火處理。然后在電壓范圍為5.2～2.0V的鋰電池中測試該材料,出乎意料地發現該電極與近期報道的LiMn2O4薄膜具有相似的充放電曲線。雖然在整個電壓變化的充放電實驗中,尖晶體保持了很好的內部結構穩定性,但在5.0～2.0V之間的范圍內卻出現了明顯的容量損失。實驗結果表明,這種材料在4.6～2.5V的電勢窗中具有最好的電化學性能。在此電壓范圍之上,電池更在大量充放電循環后保持了可接受的容量(105Ah/K)。
三、結論
全固態薄膜鋰電池以其優越的性能倍受人們青睞,是具有高附加值的新能源產品,近年來掀起了研究薄膜鋰電池的熱潮,但仍需要進一步探索。目前,國內由于技術落后、投資規模小等原因,薄膜鋰電池材料和產品的技術水平和產業規模與發達國家差距較大。相信隨著大規模制作工藝問題得到解決及其性能的進一步提高,薄膜鋰電池將有廣闊的應用前景。
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