为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa,220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2,351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。

为揭示超声红外热成像检测中缺陷区域的生热机理，考虑预紧力对缺陷生热的影响，采用裂纹试件开展了预紧力分别为100、150、200 N的检测试验，发现裂纹区域温度与预紧力正相关，裂纹两端的生热量明显高于裂纹中段，尖端热斑最明显，且不同预紧力下圆形热斑最明亮。基于单自由度有阻尼位移激励系统和热源温度场叠加法建立了超声激励下裂纹生热的简易数学模型，通过计算参考点P■和裂纹尖端点P■的温度变化，发现P■点温度变化与试验结果一致，随着预紧力增大，P■点的计算结果与试验温升曲线拟合误差减小，且温升速率变化逐渐趋于一致。该模型能够较好地描述裂纹的生热过程，为超声红外热成像检测的加载参数优化提供了模型基础，具有一定的理论意义与工程价值。

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素, 开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面; 借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果, 提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则, 确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明, 伴随着预压力的增长, 接触区与驱动区同步扩展, 同时驱动区占比逐步减小, 在一定程度上能减小速度波动, 电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动, 且机械效率在某个预压力下存在最高值, 而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N, 在该预压力范围内, 超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求, 又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。

通过改变预紧力将产品化轴承适应性地应用于不同类型载荷伺服机构, 对降低产品研发成本、提高产品继承性有着极大助益。本文根据启动摩擦力矩和预紧力的关系, 识别出轴端压紧力和过盈摩擦力是轴承装配过程预紧力控制的两项主要影响因素, 并给出了具体数学关系。将轴承过盈配合简化为组合厚壁圆筒模型, 得到了过盈摩擦力计算方程。进一步地, 依据虎克定律和杨氏模量定义, 推导了轴承压装过程中轴端压紧力与轴承预紧力的数学关系, 并在上述基础上, 提出了空间伺服机构装配过程轴承预紧力控制方法。最后, 依托某工程型号伺服机构, 进行了预紧力控制和轴承寿命实验研究。预紧力控制实验结果显示, 所述方法能够有效实现轴承预紧力的控制, 间隙配合、过盈配合理论与实验误差分别为2.6%, 20.3%; 轴承寿命实验结果显示, 采用所述方法装配后的轴承寿命末期回转倾角误差为3.04″, 摩擦力矩为25.8 mN·m, 满足该工程型号空间伺服机构的使用需求。

针对精密反射镜的重力变形，提出了一种基于径向预紧力的变形补偿方法。以高数值孔径(NA)投影光刻物镜中的反射镜为研究对象，建立了反射镜的受力模型，定性分析了径向预紧力对反射镜重力变形的影响规律。利用有限元分析方法得到了在不同径向预紧力作用下反射镜的面形变化，通过数据拟合分析了径向预紧力与面形误差及其泽尼克系数之间的关系。分析结果表明：径向预紧力主要影响反射镜面形的球差项和三叶像差项；随着径向预紧力的增大，补偿后的面形误差呈现先减小后增大的趋势，当径向预紧力约为25 N 时，由于重力导致的面形误差由2.009 nm 减小为0.462 nm，补偿结果最优。通过实验测量了重力和预紧力作用下反射镜的面形误差，当径向预紧力为25 N 时重力导致的反射镜面形误差减小了0.988 nm，从而验证了分析过程和补偿方法的正确性。

静电悬浮加速度计轴间耦合误差角与悬浮质量块的平行度误差有关, 而常规方法很难测量其大小和方向, 故本文提出了一种变预载轴间耦合误差角在线测量方法。通过分析悬浮质量块平行度误差、耦合误差角、姿态角与静电力耦合的关系, 推导了变预载法进行在线耦合误差角精确测量的原理和公式。设计了静电悬浮加速度计原理样机, 并利用该样机对提出的测量方法进行了实验验证。实验测得X向对Y/Z向耦合误差角分别为-5.10×10-4 rad和2.36×10-5 rad, 与理论分析相符。该方法同样适用于Y向对X/Z及Z向对X/Y的耦合误差角的在线测量。上述结果表明该方法可以有效、精确地完成静电悬浮加速度计不同轴之间耦合误差角的在线测量。

结合惯性导航测试设备精密轴系的技术要求, 研发了滚动轴承综合参数测试仪。该测试仪能检测轴承回转过程中的摩擦力矩、轴承刚度及几何精度, 并能以图表或曲线的形式给出摩擦力矩与轴系预紧载荷、预紧载荷与轴承轴向位移等的关系。该系统集成了压力、位移、力矩等类型的传感器, 在虚拟仪器平台上设计硬件控制、测量系统和软件, 具有可扩展性好, 成本低等特点。该系统将装配中难以控制的最佳预紧力转换为对轴承隔套高度差的控制问题, 较好地解决了轴系装配过程中的最佳预紧问题并保证了轴系具有平稳的摩擦力矩。测量轴系的摩擦力矩特性显示, 在8 r/min转速下, 运行平稳后的转动摩擦力矩为(0.62±0.16) Nm。该实验数据为控制转台的低速率运动和建立准确的补偿干扰力矩模型提供了理论依据。

为了补偿空间光学望远镜在轨跟踪目标过程中受空间各种因素影响而导致的光学系统视轴和目标之间产生的相对移动和旋转（即指向偏差和指向振荡）, 设计由臂式补偿机构控制望远镜补偿与目标的相对运动。但由于臂式补偿机构的尺寸和质量严格限制在一定范围内, 且望远镜尺寸很大, 质量达3 000 kg, 这种结构形式导致系统刚度很低。为了满足控制系统提出的结构高刚度要求, 在系统结构形式确定的情况下, 分析施加轴承预紧力提高系统刚度的可行性。分析了轴承预紧力、轴承刚度和系统刚度之间的关系, 获得了轴承预紧力与系统固有频率的关系。分析证明在系统结构形式确定的情况下, 施加合适的轴承预紧力, 可以提高系统的刚度, 同时为轴承最佳预紧力的确定提供了一个有效的方法。

为了在低储能条件下研究电磁发射过程中的刨削现象，要对电枢进行优化设计，使其在小口径发射试验装置中实现高初速发射。通过计算、仿真，对电枢尺寸、初始预紧力等参数进行优化，并进行预紧力、塑性性能和接触面积等相关参数的测试和实验，最终确定电枢型号，在保持良好电接触的条件下实现了高初速发射。