1 大连理工大学 汽车工程学院 工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室， 辽宁大连6024
2 大连理工大学 宁波研究院，浙江宁波315000
3 比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118
为了进一步提高自动驾驶感应模块中激光雷达点云地面分割算法的分割精度，提出一种基于种子点距离阈值和路面波动加权幅值自适应的地面点云分割算法。该算法在极坐标栅格地图划分的基础上，将种子点的选取判断阈值与二维平面的水平距离特征相关联，通过点云间的水平距离变化控制种子点集的更新；在道路模型拟合过程中，为解决斜坡路面模型更新停滞问题引入坡度连续性判断准则，根据路面波动加权幅值的变化建立点云的分割阈值方程，最终实现关于点云距离特征的自适应阈值分割。对开源数据集Semantic KITTI进行点云二分类数据处理，并在此基础上测试算法性能。实验结果表明：与现有算法相比，本文所述地面分割算法的精确率和召回率均提升了2%~4%，具有较高的准确性。
点云 地面分割 种子点距离 自适应阈值分割 point cloud ground segmentation seed points distance adaptive threshold segmentation 光学 精密工程
2023, 31(17): 2564
大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连 116024
基于轴向挤压后屈曲模态的双稳态结构, 其跳转力、保持力和跳转行程等双稳态特征与预应力分布和后屈曲模态密切相关, 使得难以通过仅调整预压缩量来实现特定双稳态指标的设计。本文提出引入局部加强体调控预压双稳态梁临界屈曲载荷、应力分布及跳转特征的方法, 建立了具有对称局部加强体的预压双稳态梁跳转分析模型, 分析了预应力、加强体尺寸参数和位置对屈曲临界载荷、跳转力和行程的影响规律。结果表明: 局部加强体不影响原结构跳转力和保持力相等的特征; 与尺寸参数相比加强体位置参数对跳转力有较大影响, 随着位置的变化, 跳转力存在由大变小再变大的变化过程, 且调控同行程双稳态梁跳转力的幅度可达17.04%; 跳转行程主要依赖于局部加强体的刚度和所承受的预应力。
双稳态结构 跳转力 局部加强体 预应力 调控
1 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024
2 悉尼大学 航空与机械电子工程系，澳大利亚 悉尼 2006
三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势，进而改变材料整体电势分布，本文考虑此变形和电势耦合效应，基于欧拉-伯努利梁变形理论，推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响，建立了三层压电梁结构的控制方程；建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式，以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比，验证了所推导的解析表达式的准确性。
压电梁 驱动器 传感器 解析解 piezoelectric beam actuator sensor analytical solution
大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室 汽车工程学院, 辽宁 大连 116024
高灵敏度是微质量传感器准确探测细菌、病毒和气体等物质的关键指标。虽然借助微型化的高阶模态梁振动可以有效提升探测灵敏度, 但微尺度效应也降低了传感器的抗环境干扰能力。因此, 如何在特定尺度约束下提升高阶模态传感器的灵敏度已成为谐振式微传感器设计的前沿问题。本文在研究弹性梁几何构型、压电层尺寸与有效质量分布对振动模态影响关系的基础上, 建立了压电驱动多阶梯梁式微质量传感器的灵敏度分析模型, 以传感器灵敏度提升最大为目标, 建立了高阶振动模态下悬臂梁几何构型优化设计模型, 得到了在不同振动模态下具有最高灵敏度的悬臂梁构型, 使同尺寸传感器的灵敏度提升了10.0~15.0倍。考虑驱动位置与制造成本约束, 设计并研制了具有六阶梯梁结构的高阶模态微质量传感器。实验结果表明, 总长度为17.6 mm的六阶梯梁微质量传感器的灵敏度为18.8×104 Hz/g, 考虑制造误差的影响, 其二阶模态灵敏度为同尺寸等截面梁传感器的10.0倍, 较一阶模态同尺寸传感器灵敏度提升了19.8倍, 从而验证了所提出的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法的有效性和可行性。
微质量传感器 高阶模态 灵敏度 谐振 构型优化 micro mass sensor higher-order mode sensitivity resonance structural optimization
大连理工大学 运载工程与力学学部 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116023
基于微波网络理论，提出了一种基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器的设计方法。给出了同轴光子带隙晶体传感器的结构形式，推导了传感器带隙极值频率与晶体电长度之间的关系。根据给定监测频点设计了传感器的几何尺寸及材料参数，计算了传感器的S参数，计算结果与仿真结果相吻合。分析了提高该传感器灵敏度和品质因数的方法，并搭建了实验测试平台。实验结果表明: 当应变量由0 με提高至10 000 με时，极值频率由2.450 GHz移至2.432 GHz，频移量为18 MHz，灵敏度为1.8 kHz/με。得到的实验结果与仿真结果相吻合，验证了本文所提出的基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器设计方法的可行性和有效性。该传感器可满足不同灵敏度需求下对应变的实时监测。
同轴光子带隙晶体 应变传感器 变绝缘层 特性阻抗 coaxial photonic band gap crystal strain sensor variable insulating layer characteristic impedance
大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜(Microfiber Composite,MFC)为驱动器, 研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量, 以控制偏差最小为优化目标, 以驱动器的击穿电压为约束, 建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型; 通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响, 给出了最优的驱动器结构参数; 针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面, 给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明: 对于扭转变形, 多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%, 分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。
压电纤维复合薄膜 飞机翼面 协同优化 控制参数 piezoelectric Microfiber Composite (MFC) film plane wing surface integrated optimization control parameter
1 大连理工大学 汽车工程学院, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 电气工程学院, 辽宁 大连 116024
压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构, 提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法, 并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型, 并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比, 结果表明, 相同几何尺寸参数下, 槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz, 矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz, 相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g, 前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。
质量传感器 槽型悬臂梁 压电薄膜 灵敏度 mass sensor I-shaped cross-section cantilever piezoelectric film sensitivity
1 大连理工大学,电子工程系,微系统研究中心,辽宁,大连,116024
2 大连理工大学,电子工程系,微系统研究中心,辽??大连,116024
给出了采用牺牲层技术制作的微热板式气压传感器的加工工艺和工作原理.分析了微热板各层薄膜厚度、微热板下气隙高度、支撑桥尺寸、微热板面积大小对传感器加工、工作性能的影响,并结合实际工艺条件设计了一种采用不同支撑桥尺寸的传感器结构.理论分析了恒温加热方式下微热板各种传热途径随气压的变化关系;用有限元方法模拟了恒流加热方式下气压对传感器温度分布和温度大小的影响.分析结果显示,气压较高时微热板传热以气体导热为主,而气压较低时以支撑桥导热为主;微热板区域温度分布较均匀,温度大小受气压影响较大;设计的传感器测量范围为10～10 5Pa,功耗在毫瓦级,且具有尺寸小、热响应快、易与电路集成等优点.
微热板 气压传感器 热分析 有限元
