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航空工程进展范文1
［关键词］毕业设计;培养质量;选题;团队毕业设计
［中图分类号］G642［文献标志码］A［文章编号］1008-5823(2016)02-0084-02［收稿日期］2015－10－11
一、毕业设计现状
毕业设计是大学生在大学期间的最后学习内容，它占用学时最长、综合性最强，是大学阶段学习的深化与升华。它是高等学校本科生培养计划中最能衡量学生综合水平的重要教学环节。可以说，毕业设计是对大学生综合素质的全面深入的检验，最能充分反映出高校人才培养的质量。正因为此，各个高校都特别重视大四学生的毕业设计工作，且采取多种措施来尽可能完善该项工作。作者所在的中国民航飞行学院航空工程学院是培养中国民航机务人才的主力院校。通过分析总结近几年所在教研室指导毕业设计的情况，发现传统的个体毕业设计存在着一些弊端，主要表现如下:
(一)选题难
航空工程学院每年几百名毕业生，同时要求毕业设计的题目几年内不能重复，给我院教师的毕业设计选题带来了很大难度。选的题目太难，学生在短短的几个月内很难高质量地完成，到最后反而使指导老师非常被动，为了让学生顺利通过，干脆自己上阵和学生一起做;选题太简单，学生走过场，达不到应有的锻炼效果［1］。有些老师手头有一些科研项目，但是涉及的专业知识分属于不同的学科领域，只有由各个专业领域的老师合力指导才能完成，这就需要团队协作，而个体形式的毕业设计在这种情况下满足不了实际的需要。
(二)学生精力投入不够
航空工程学院毕业生在大四下学期要下到各个分院的机务部门进行为期一个月的实习。如果已经找到工作，则可以做毕业设计的时间只有3个月，如果工作还没有着落，则需要参加各种招聘会，甚至到用人单位面试，期间真正忙于毕业设计的时间就会大打折扣。而签好就业协议的同学，往往觉得既然单位也已经找定，毕业设计质量好坏就和自己的求职没有关系了，容易变得懈怠，思想上放松要求，追求答辩通过就好，不在乎实际的分数，在毕业设计过程中也是主动性严重不足，利用往届的论文或在网上搜索一些相关资料拼凑了事。
(三)教师能够花费在指导学生毕业论文的精力非常有限
中国大多数高校青年教师的压力都很大，不仅要完成一定的教学量，同时还要搞好科研，而科研是探索未知领域，要读大量的中英文文献，非常耗时间，而文章、科研项目是教师职称晋升的主要考核指标。在这种情况下，如果学生毕业设计选题和自己的科研不十分契合，就不愿花更多的时间去指导。同时，随着高校每年毕业生数量的增多，每个教师往往要同时指导多名学生，工作量很大，这种情况下也很难保证毕业设计的指导质量。
二、团队毕业设计的概念
团队毕业设计，或者说团队合作模式的毕业设计是指由多个参加毕业设计的学生组成一个团队，针对某一个大的研究项目，合理地利用每一个成员的知识和技能协同工作，解决问题，达到共同的目标［2］。在以往个体毕业设计模式下，每个毕业生的题目和同届的同学都不相同，且可能差异很大，如果遇到问题，除了自己的指导老师外并学生并没有太好交流沟通的对象，而如上所述，因为学生自身的主动性缺乏或者教师的精力分配不够，就容易导致问题一拖再拖，最终影响了毕业设计质量。而在团队毕业设计模式下，学生在论文研究工作进展过程中遇到的问题可以和同团队的其他成员充分沟通，这无疑会加快论文写作进度，提高论文的质量，且在这个过程中可以培养学生的交流沟通的能力。还有一个积极的因素，因为是团队的研究攻关，无形中会使学生体会到团队的荣誉感，这种荣誉感会使每个学生都不敢懈怠，努力按时间节点完成团队分配的子内容，确保不至于因为自己一个人而影响整个团队的毕业设计进度。
三、关于在民航院校毕业设计中引入团队毕业设计的思考
以团队为单位开展大学生毕业设计工作是一种新的形式和方法，是以常规毕业设计工作为基础而发展创新的成果［3］。南京的一些高校较早对以团队为单位开展大学生毕业设计工作进行了探索和尝试，江苏省在省优秀毕业设计评选中设立优秀团队奖，对此也起到了良好的导向作用和推动作用。在我校引入团队毕业设计，需要注意以下几个方面(以毕业设计的阶段为序):
(一)选题阶段
毕业设计的研究课题应具有较好的系统性，这是团队毕业设计选题的基本要求。系统性强的课题，有利于拆分成几个既有一定的独立性又相互关联的子课题，实现团队毕业设计模式的初衷。比如，对于通过计算流体力学的方法研究不同夹角下的附面层流动情况的课题，需要不同角度，不同湍流模型，甚至不同商业软件之间的互相对比、校核，如果安排给一个学生，学习软件就需要耗费毕业设计一半的时间。这种情况下，只有进行团队毕业设计，通过团队中每一位成员的分担、交流与合作，才能深入研究该课题。
(二)团队组建方面
指导教师要对所带学生进行合理安排。一般情况下，毕业设计的团队成员限定在4－5人，且可以从中选取一名研究与组织管理能力兼具的学生当团队组长，或者说是导师助理，由他来召集学生开会，负责指导老师和团队成员的信息沟通，收集团队成员的研究进展情况，并适时反馈给指导老师，必要的情况下可以辅助导师协调整个团队的研究进度。每个团队里的成员负责一个具体的子课题，为了保证在预定的时间节点完成预定的毕业设计研究内容，可以根据每位学生研究能力的强弱选择不同难度的子课题，确保该工作能够协调推进，不会因为某一个学生而延误。
(三)开题报告编写阶段
俗话说，好的开端是成功的一半。在这一阶段，指导教师应通过定期学术SEMINAR的形式向学生介绍该课题的背景，了解各个学生的专长以进行各个成员之间合理分工;同时要求各成员分头查找相关资料，并资源共享，在这个过程中逐步促成一个良好的团队氛围。对于一些阅读价值高的文献资料，可以分发给每个学生并在SEMINAR的学术研讨会上集体讨论、研读。通过这一阶段的学习，毕业设计团队要完成一份较高学术水平的团队开题报告，而不是每个成员各自写各自的。这个开题报告反映了整个团队的集体贡献和集体智慧，它要达到硕士研究生论文开题报告的学术水平，具体则包括:该课题的研究背景、研究目的、国内外在该领域的进展情况、学院前期已经开展的工作以及下一步要解决的具体问题、预期的研究手段，甚至包括详细的研究计划。
(四)中期阶段
可以采取类似国外学术SEMINAR的形式，每隔1周由导师组织开一次团队的例会进行工作进展情况的汇报，学生在会上介绍自己负责的子课题遇到的问题，下一步的工作打算。导师在会上要耐心地给予学生指导与建议，在学术民主的气氛中互相交换意见，共同研究解决问题的方案及进一步工作思路。通过过程管控，确保整个团队的进度。
(五)毕业设计论文编写及答辩阶段
通过团队合作的形式，每位组员在编写自己的毕业设计论文时会加强与小组内其余成员的沟通，这样避免了毕业设计常见的一些低层次问题，同时也可以把论文研究背景及国内外发展趋势等内容叙述得更全面深入;每个成员根据分担的研究子课题完成自己的毕业设计论文，答辩时采取统一PPT模板、以团队为单位依次答辩的模式。这样可以使每个组员感受到团队的力量;自己表现好坏对团队的答辩成绩有重要影响，而团队答辩成绩对个人的成绩也有重要影响;从而增强其团队意识和团队荣誉感;为其进入社会后团队协作能力的培养奠定基础。四、结语团队毕业设计模式不仅解决了传统的个体毕业设计与系统性强的课题需要多学科融合之间的矛盾，而且在整个过程中显著地锻炼了学生之间协作、沟通的能力。在选题阶段选择一个系统性强的题目，按照各自专长组建团队，合作编写总的开题报告，通过定期的学术例会加强过程管控，各自编写毕设论文，并以团队为单位组织答辩。我们相信，通过逐步的探索和总结，团队毕业设计工作将逐步完善，形成民航院校毕业设计工作的特色和亮点。
［参考文献］
［1］范涛峰，童明波．团队模式毕业设计(论文)的探索与思考［J］．高教高职研究，2008，(4):175－177．
［2］王乐梅，熊璋．工程师教育中团队精神的培养［J］．北京航空航天大学学报，2012，(4):110－112．
航空工程进展范文2
正准备开始做实验的时候，突然一位同事跑进来说隔壁的第四工程楼里发生了枪击案，初步断定已经持枪逃离，具体路线未知。我所在的实验室位于第五工程楼，与第四工程楼由一个天桥连接，而天桥连接处正是发生枪击案的第4层，气氛瞬间紧张起来。
这时，我们收到了学校的短信及邮件，让我们找安全的位置躲起来。于是，我们赶紧把所有出入口的门都锁住，这时整个学校也处于封锁状态，数辆警车开进学校，很多全副武装的警察进驻各个楼进行搜索，天空中还有几架直升机在盘旋搜索。我与几个同事把所有门都锁好后，躲藏在实验室的中间位置，尽量避开窗户，也不忘时刻关注门外的动静。然后，我们打开各种信息工具（Facebook、微信等），并用最小的音量上网观看直播新闻，随时了解事件的最新进展。同时，我们也相互发信息联系没在实验室的同事，互报平安并分享最新情况。
大约过了1个小时，突然有急促且声音很大的敲门声，我们瞬间紧张了起来，所有人都没有说话，而是悄悄地查看门外情况。在得知是警察后，大家才舒了口气。打开门后，数名持枪警察让我们所有人站到墙边，首先查看我们是否携带枪支，然后询问我们的人数及所有人的状态，得到确认后，我们按照警察的口令排好队，在他们的护送下按照指定路线进行撤离。大家一边查看周围的环境，一边紧跟着警察，直到我们到达校外的安全地带。
当时，整个学校还处于封锁状态，我们就赶紧回家了。到家后不久，我又收到学校的短信及邮件，得知学校解除了封锁，告知一名打死一位工程系的教授后自杀了，具体原因还在调查中。想到第二天还有项目报告书要提交，吃过午饭后，我还是回到了学校的实验室继续工作，不过学校里的人相对少了一些，部分区域还处于封锁状态。
亲历此次枪击事件，我有几点感受：
首先，美国是一个允许公民拥有枪支的社会，需要时刻警惕枪击事件的发生。与人交往要友善，这不是谁胳膊粗谁就称霸的社会。尽量少去经常发生枪击案的地方，晚上尽量不要一个人走夜路。
其次，一旦发生了枪击事件，自己一定要冷静，观察周围动向，如果能安全撤离一定要尽快撤离。不能撤离的话，一定要找到安全的地方躲避起来，有机会就要尽快离开。撤离时尽量不要穿鲜艳的衣服，以防成为枪击目标。
最后，要以平常心对待枪击事件。目前来说，短期之内美国不可能实现禁枪，所以除了防范以外，该干什么还是要干什么，生活还要继续，不能纠结在这件事情上而影响了工作与生活。
航空工程进展范文3
【关键词】射线检测，复合材料，无损检测
中图分类号：TU761.1+4 文献标识码：A文章编号：
前言
随着近代高新技术的发展，对材料性能要求的日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。因此复合材料凭借其优良的性能得到了广泛的开发和利用，成为了很多行业的优选关键材料。为了保证工程的质量必须要保证使用的复合材料的质量，这给复合材料的无损检验提出了更多更高的要求，如何提高无损检验技术也就成为了复合材料能否更多的被广泛应用的关键，从目前的情况来看，复合材料的无损检测技术有很多种，其中，射线检测是比较重要的一种，射线检测在工业产品的结构测量、缺陷监测和损伤评价等方面都得到了比较广泛的应用，在现代复合材料的无损检测中发挥着重要的作用，占据着重要的地位。
射线检测法在复合材料无损检测中的应用
X射线照相检测法
这种检测方法已经广泛的应用于工业检测领域，与现在的检测技术来说，是应用比较早的检测技术，是最传统的无损检测方法之一，其基本原理在于，通过射线来穿过不同的材料，因为材料的性质不同，射线在经过材料时的衰减量也是不一样的，从而射线的透射强度也是变化的，在胶片上就会呈现出明暗变化不同的影像，通过观察这些影像得到检测结果。针对X射线照相检测法可以检测到的材料的缺陷问题，倾向性的观点是可以发现夹杂物、气孔，而不能发现垂直于射线方向分布的脱粘和裂纹。X射线照相检测法的优点是成本低，易操作；其局限性为效率低，缺陷(裂纹)的方位是决定性的，要求与射线平行。
2、X射线实时成像检测法
随着生产规模的扩大和对复合材料质量的更高要求，早期的检测方法已经不再适用于材料的无损检测，它的可靠性和效率都已经不再适用新的要求，X射线实时成像检测法就是比传统检测方法更进一步的无损检测法，它的基本原理是利用X射线的特性，即穿透物体的时候，会因为物体的吸收及散射的原因产生衰减，从而在荧光屏上通过特殊的图像增强器会形成与物体内部想对应的图像，然后在通过摄像设备把图像转化成视频信号，然后输出，通过计算机的数字图像处理技术，对输出的视频信号进行分析，从而得到结果。这种检测法的优点就在于对材料的缺陷可以进行在线检测，检测结果自动生成，检测效率较高。其缺点在于，
通过这种检测方法得到的图像样品是层叠的影像，不利于观看和分析，缺陷的影像也是累积的，而不是三维的空间影像信息。现在已经发展的主要成像系统有：数字实时成像系统、荧光屏成像系统、图像增强器成像系统等。
射线计算机断层扫描检测法
此种检测方法是起源于前面提到的第一种方法，与第一种方法的不同之处在于，它的区别在于采用的是圆锥状射线，检测原理在于通过准直设备将圆锥状射线变成面状或线状扫描束，从而对射线穿过的物体的某一个断面扫射，得到一个断面的图像，通过分析每一层断面的图像就可以得到详细的检测结果，达到检测目的。
4、X射线断层形貌成像检测法
X射线断层形貌成像检测法的基本原理是利用样品散射的空间探测来描述材料的内部特征，从而通过分析，得到检测结果。这种检测法是X射线散射和图像成像的优点进行了结合的检测法，可以对材料机械性能的关系、晶体的界面面貌组织，尺寸进行研究，并且可以对微观的细小的损失进行分析。它具体的可以分为大、小角度X射线散射方法，大角度的X射线散射是无能量转变的弹性散射，对结构比较小的分子和原子结构能够快速反应。而小角度的X射线散射则是传统的一种对胶体、生物和聚合物进行研究的工具，也可检测纤维转向。
5、X射线康普顿散射成像检测法
康普顿散射成像检测技术采用散射线成像，射线源与检测器位于物体的同一侧，其技术上的显著特点是单侧几何布置。具有层析功能，一次可以得到多个截面的图像，也可得到三维图像。在理论上图像的对比度可达到100％。其局限性为，由于康普顿散射成像检测技术采用散射线成像，因此它主要适于低原子序数物质且位于近表面区厚度较小范围内的缺陷检测，通常它适宜检验的物体表层厚度区是：钢约为3ram，铝约为25ram，塑料和复合材料约为50ram。在应用时必须考虑基体材料和缺陷对射线的散射差别、检验要求的分辨力和成像时间。
6、中子射线照相检测法
中子照相检测法的基本原理是，通过准直器将中子源发射出的中子束射到被检验的物体上，因为不同的物体对中子的衰减系数是不同的，所以检测器记录到的已经投射形成的中子束分布图像就是不均匀的，通过分析这些图像，就可以对物体内部的杂质和缺陷有清晰的了解，与以前的R或X射线不同的是，中子射线照相检测法还可以对放射性的物质进行检测，并且可以对金属中的一些低原子序数物质进行检验，对同一元素的不相同的同位素也可以进行区分，这种检测法的缺点在于，中子源的价格昂贵，所以检测耗费就比较贵，中子的安全防护也是必须要特别注意的问题。
三．结束语
综上所述，目前已有多种射线检测技术应用到复合材料无损检测中，获得了较好的结果，对复合材料制备过程的质量控制及其产品的质量评价等起到了至关重要的作用。提高了复合材料的使用可靠性，同时也为复合材料结构设计提供了更多的选择机会。随着复合材料设计水平的不断提高和新制备方法的应用，将会有越来越多性能优良的复合材料被开发利用。
参考文献：
[1]徐丽 张幸红 韩杰才 航空航天复合材料无损检测研究现状(被引用 8 次)[期刊论文] 《材料导报》 2005年8期
[2]苏新彦 韩焱 微波在无损检测技术中应用 [会议论文]- 2005年全国射线检测技术及加速器检测设备和应用技术交流会
[3]吴斌斌 邬冠华 铝基复合材料无损检测研究进展 [期刊论文] 《无损探伤》 -2012年1期
航空工程进展范文4
关键词：四旋翼飞行器；升力波动；控制器；卡尔曼滤波器
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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
四旋翼飞行器是通过借助均匀布置在机体周边的四个旋翼代替常规直升机主旋翼的一类飞行器，四个旋翼不仅能为直升机提供升力，而且还能控制直升机的姿态变化，兼具机动灵活与结构简单的特点。然而，在飞行器运行过程中，时常会出现升力波动的干扰情况，从而影响其正常的运作。因此，本文将着重对四旋翼飞行器中升力波动的干扰情况和抑制方法展开研究。
1 四旋翼飞行器升力分析
四旋翼飞行器在保持较低飞行速度时，通常认为机体产生的升力和旋翼转速的平方成正比例关系，也就是在某一特定的转速下，旋翼将会产生恒定的升力。但在实际情况中，旋翼所产生的升力除了受这一基值影响外，还会受某些高频分量的影响，升力产生过程中的此类高频分量便为升力波动，此类分量将会扰动四旋翼飞行器的控制，从而降低飞行器的控制品质。虽然四旋翼飞行器独特的结构配置特性能够确保其在振动过程中不会失稳，但由于高频振荡信号的扰动，使得飞行器的姿态信息与输出信号发生剧烈变化[1]。此外，由于一般四旋翼飞行器执行器的频带有限，很难对高频控制信号进行跟踪，导致控制信号所携带的高频变化量失去了实际意义，加之此过程中，执行器的频繁加速增加了飞行器本身的能耗，使得机械与电气环节的损耗急剧上升。
2 四旋翼飞行器建模及扰动分析
2.1模型建立
建立四旋翼飞行器的动力学模型时，通常把其视为具有6个自由度的刚体，将地面坐标系与机体坐标系分别设置为E和B，并作为机体动力学模型建立的参考基准，其中[R]（[η]）[∈][R3×3]是对E与B之间转换关系的方向余弦矩阵，[η]=[[φ]，[θ]，[ψ]]T，表示四旋翼飞行器机体坐标系B向其地面坐标系E转化的3个独立角参量2.2升力波动对飞行器的影响
通常，机体升力Fi和转速fi的平方成正比，但由于旋翼在某一转速下，所产生的升力并不是常值，而是在基值基础上附加了频率特性与高频分量获得的，故高频肥量将会对飞行器产生扰动，具体分析如下：
将旋翼在恒定转速下所产生的升力等效于：
其中，Fi1=kifi2，[Aki]与[φki]则分别对应飞行器旋翼第k次谐波的幅值和相角，故结合公式2与公式9则可得四旋翼飞行器在运行过程中的总升力F，即公式10，由此可知，升力波动的对飞行器的影响随着飞行器总升力的增加而愈加明显[2]。
3 控制器的改进
为了抑制扰动力对控制器的影响，可在反馈环节当中加入滤波器，此滤波器不仅应具有良好的实时性，而且还应具有较小的计算量，因此，结合四旋翼飞行器自身的硬件特点，选取卡尔曼滤波器对升力的干扰进行抑制。卡尔曼滤波器的应用前提是系统能够等价转化为某一随机的离线系统，但由于受到有色噪声序列的影响，并不能对卡尔曼滤波器进行直接应用，通常需要借助测量信息扩增的办法实现有色噪声的白噪声化[3]。在对滤波器的有色噪声进行白噪声化后，建立起随机的线性离散系统，在系统当中，执行器主要由电子调速器以及三相直流无刷电机共同组成。调速器主要通过滤波器的CAN口与主控芯片之间进行数据交换，而在接受调速指令的同时，也将四旋翼飞行器的运行状态以及转速等相关信息进行反馈，从而实时获取电机转速，并以此为依据计算出当前所产生的升力，并获取卡尔曼滤波器的角速度，而后，对角速度的协方差矩阵进行描述。通过将状态转移矩阵F在单位矩阵I中进行简化，进而获得最优的卡尔曼增益以及四旋翼飞行器最终的状态与协方差估计值。此后，通过组建卡尔曼递推方程，便可得到消除扰动力矩对升力进行干扰的角速度，将此时所对应的欧拉角变化率带入到四旋翼飞行器的PID控制器当中，即可实现对升力扰动的抑制工作。
4 实验结果及分析
四旋翼飞行器原型机的硬件结构如图2所示。首先，对单一旋翼在某一工作转速条件下所产生的升力曲线以及悬停状态下的角速度进行测试，从而验证飞行器升力波动的特性及其对四旋翼飞行器角速度的影响。而后，启动原型机并对其原有的PID双闭环控制器当中的控制量以及改进后PID双闭环控制器的控制量进行对比分析，从而验证升力扰动的抑制效果[4]。研究结果表明，通过引入卡尔曼滤波器并对其中的有色噪声进行消除能够较好地实现对四旋翼飞行器中升力波动干扰的抑制。
参考文献：
[1]李秀英，刘彦博.基于PWM的四旋翼飞行器控制方法[J].吉林大学学报（信息科学版），2011，5（13）：464-472.
[2]张广昱，袁昌盛.基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制[J].航空工程进展，2014，3（26）：338-342.
航空工程进展范文5
关键词： 弯管成形优化； 数值实验； 二次开发； 插件； 用户图形界面； Python
中图分类号： TG386；TP311文献标志码： B
0引言
为节省空间，工程中倾向于采用弯曲半径与管径之比小于1.5的弯管.小半径弯管在弯制时易产生外侧减薄、内侧起皱和截面扁平化等缺陷.在实际生产中，为获得符合成形标准的弯管，针对每个管径规格，需进行多次生产实验调试.目前，针对此成形过程，可采用Abaqus软件实现数值模拟[1]，以减少材料消耗并降低人工成本.
弯管成形的数值实验具有以下特点：第一，弯管成形是包含几何、边界和材料的三重非线性过程，要得到收敛且可靠的结果，需要对参数进行合理设置，数值结果的可靠性依赖于分析人员的经验水平；第二，弯制工艺由管件与6个模具的接触作用实现，成形过程变量繁多，取得较优的模具设置常需要进行系列数值实验[24]，而每一次数值实验都包括前后处理及分析过程，耗时很长；第三，Abaqus软件无法直接提供成形指标结果，需用户提取变形后的节点位置自行计算，仅根据软件给出的变形图很难直观地判断缺陷位置.考虑以上特点，本文采用Python及GUI Toolkit语言对Abaqus进行二次开发，形成针对弯管成形数值实验的专用插件.
目前，针对弯管模拟已有一些二次开发工作.[56]这些工作侧重于对软件已有功能的整合，而且只是针对某一部分进行单独开发.本文开发的插件覆盖前处理、工作提交和后处理整个过程，并且基于优化经验添加实用功能，如系列工作连续提交及指标结果写入云图，为弯管成形数值实验提供一整套高效的解决方案，尤其适合系列优化.插件还定制符合工程习惯的界面以简化分析过程，即使没有Abaqus软件基础的用户也可以快速掌握使用.
1Abaqus自定义插件
以Abaqus脚本接口二次开发为主，结合图形界面的定制，形成弯管成形模拟的专用插件.插件程序包括脚本接口文件、图形界面文件和插件注册文件3类.脚本接口文件基于Python语言，直接向内核发送命令，针对建模、分析和后处理全过程实现功能定义.图形界面文件和插件注册文件基于Abaqus GUI Toolkit语言，前者负责对话框（Dialog）的建立，后者负责机制（Mode）的定义和GUI插件注册.机制是连接图形界面与脚本程序的纽带，其对用户输入的数据进行收集检验，形成命令字符串提交至内核.注册命令引用定义的机制，当插件被选中时，相应的GUI机制被激活，同时导入脚本接口程序，为GUI命令的调用做准备.①为描述插件形成思路及各类文件间配合，以前处理模块为例，文件的关键语句见图1.
①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus GUI Toolkit User’s Manual， 2012
图 1程序文件关键语句及插件形成思路
Fig.1Key statements of program file and plugin development idea
2弯管成形优化专用插件
本文开发的弯管成形优化专用插件包含3个模块：弯管成形定义模块、分析任务提交模块和成形结果查看模块，分别实现前处理、工作分析及后处理功能.插件分析流程见图2.
图 2插件分析流程
Fig.2Analysis flow using plugin2.1弯管成形定义模块
在采用Abaqus对弯管成形过程进行模拟时，通常设置接触、弯曲和卸载3个分析步.除管件本身与模具的结构建模外，还需定义管件与6个模具间的多个接触、芯棒与芯球的连接以及各模具在不同分析步中的力和位移边界.此外，还需合理定义分析类型、接触属性、边界条件、网格大小和加速手段并设置输出.在满足功能完整性的前提下，本插件的弯管成形定义模块采用与软件自身不同的思路，对建模流程进行极大简化，同时将具有一定技术难度的分析设置和重复性操作内置在脚本中，无须用户进行定义.手动建模流程见图3，插件建模流程见图4.图 3手动建模流程
Fig.3Flow of manual modeling process
图 4插件建模流程
Fig.4Flow of modeling process using plugin
由图中数字代表的基本操作步数可见，使用插件的操作步数减少近2/3.此外，插件建模基本操作步均为单个数据的输入，较手动建模时需要进行点选、绘图等操作更加简便.一般情况，使用插件建立1个分析文件的用时不超过5 min，尤其是在进行系列优化时，仅需改变个别参数取值即可快速生成一系列优化工作文件，极大地提高数值优化前处理的效率.
界面的定制符合实际实验时的思路，分为基本参数、过程参数和分析设置3个选项卡，见图5.基本参数包含实验时无法或不经常调整的参数，主要是管件与模具自身的尺寸和材料参数；过程参数选择工程中为提高成形质量经常调整的参数.基于优化经验，本插件在模具设置中选择弯曲半径、弯曲角速度、芯棒与管件间隙、芯棒伸出量、压模侧推力及其相对侧推速度作为调整参数.分析设置中对网格、分析步、工作名和储存路径进行定义.用户只需填写以上参数即可自动生成用于提交分析的inp文件.因此，即使没有Abaqus软件操作基础的用户，也可以使用此插件进行高效的模拟工作.
for…in…：
if （icoordValues. nodeLabel == istraightLabel）：
…
Hw_in.append（Hw_t）
Hwfield = lastFrame.FieldOutput（name=′Hw′， description=′起皱高度′，…）
Hwfield.addData（position=NODAL， …， labels = nodein， data = Hw_in）
odb.update（）
# 提取某时间点节点坐标场输出
# 管件内外侧节点列表循环
# 判断条件
# 写入直线段节点序列
# 直线段/曲线段节点序列循环
# 写入内侧节点元数组
# 内侧节点位移场输出循环
# 位移与节点号对应
# 计算皱高
# 写入皱高列表
# 新建场输出变量
# 添加数据
# 更新结果文件
①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus Scripting User’s Manual， 2012
②Python Software Foundation， Python 2.7.8 documentation3.1前处理
前处理脚本完成自动建模工作，依次进行部件、组装、网格、边界条件、接触和分析步等对象的定义，另将管件内外侧节点分别建立数组并设置输出，供后处理提取数据.脚本接口文件编写可以参考Abaqus软件在GUI建模时生成的rpy文件.[7]需要注意的是，为保证脚本在重复运行时的正确性，需对此参考文件进行修正.例如，在屏幕上进行点选时，Abaqus默认采用内部的编号系统为对象进行标记①，但是模型编辑会改变特征ID，故编写脚本时需使用findAt命令对其进行替换，改用坐标值标记对象.
3.2分析任务提交
分析任务提交脚本接口实现2个功能：任务的连续分析和过程文件的自动删除.其中，连续分析通过循环完成，实现的关键是waitForCompletion方法的使用.②为实现过程文件的自动清理，定义进行文件判断和删除的专用函数，利用系统路径的访问方法对目录中的每个文件依次调用此函数进行判断和删除.
3.3后处理
以起皱率为例说明后处理脚本中进行指标自动计算并将结果写入文件和云图的过程.
使用Abaqus命令访问结果数据库定时间步的节点坐标输出项.由于变形后直线段与曲线段的起皱率计算方法不同，使用循环语句将直线段和弯曲段的节点分开配对.采用循环判断分别生成内侧节点元数组和皱高列表.为实现起皱高度的云图显示，新建场输出对象，添加对象节点元数组和相应皱高列表，保存在odb文件中.
4实例
为验证插件的有效性，使用插件对某次现场实验进行模拟分析.目标管件外径为114 mm，厚度为4.5 mm.进行2次现场实验以对比不同的压模侧推力对成形结果的影响：第1次侧推螺栓紧，第2次侧推螺栓松.对应2次模拟时压模侧推力的设置为100和50 kN，其余参数一致.使用插件的“弯管成形定义”模块，生成第1次实验的待提交inp文件，耗时3 min，模型见图8.
图 8插件生成模型
Fig.8Model for plugin generation
以第1次实验为基础，改变过程参数中侧推力的取值，即可生成第2次实验的分析任务文件.之后在“工作连续提交定义”模块选择这2个inp文件，勾选完成后删除过程文件选项后提交.分析完毕后，信息栏中列出被删除的过程文件和工作的接连提交情况，见图9.最后，使用“成形结果查看”模块，选择结果文件、时间点和云图项，插件自动计算指标并写入相应文件，结果同样显示在CAE信息栏，见图9.同时，插件将起皱高度写入结果云图，界面自动转到所选的云图项显示.计算得到的第1次成形后弯管厚度云图见图10，最小厚度的位置和减薄率与现场实验吻合良好，见表1.同时，由起皱高度云图可见，当螺栓紧时，管件后部出现皱高3.7 mm的褶皱，与现场实验结果吻合，见图11.无论是现场实验还是采用插件数值模拟得到的结果均显示，侧推螺栓过紧对弯管成形有负面影响.图 9信息栏
Fig.9Message area
图 10厚度云图
Fig.10Thickness contour
图 11起皱云图和实验对比
Fig.10Comparison of wrinkling contour and experiment
5结论
利用Abaqus脚本接口程序及图形界面工具包，形成针对弯管成形数值优化的专用插件.利用插件可实现以下功能.
1）输入必要的参数值即可自动生成模型，建模时间为5 min以内.在过程参数一栏修改个别参数即可快速生成系列任务文件.
2）支持无人值守时多个分析任务连续提交及过程文件自动删除，可有效利用时间.表 1插件模拟与现场实验结果对比
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减薄率/%现场实验值插件模拟值现场实验值插件模拟值现场实验值插件模拟值螺栓紧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）自动计算成形指标，显示在信息栏，写入文件并实现指标云图显示，方便用户观察缺陷产生位置，指导下一步调整.
通过前后处理的自动化和系列工作分析时间利用率的提高，弯管成形数值优化效率得以大幅度提升.采用开发的插件对现场实验进行模拟，所得结果与实际吻合良好.本文给出的插件形成思路和功能开发要点可供其他系列优化数值实验的二次开发参考.参考文献：
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航空工程进展范文6
关键词:微电池;全固态薄膜锂电池;阴极薄膜;溅射法;脉冲激光沉积法;电子束蒸发法
中图分类号:TM911文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0043-03
电子产品小型化、微型化、集成化成为当今技术发展的大趋势,从而需要电池的微型化。微电池在未来便携式电子设备、国防装备及微电子机械系统 (MEMS) 等方面有着广泛的应用前景, 受到人们的重视。目前,国内外积极开展研究的微电池系列有:锂电池、锌镍电池、太阳能电池、燃料电池等。其中全固态薄膜锂电池由于具有重量轻、体积小、循环寿命长、能量密度高、使用温度范围宽和安全性能好等优点已成为目前研究的热点。
全固态薄膜锂电池主要由阴极膜、阳极膜和电解质膜构成,其电池性能的主要决定于阴极材料的性能,所以薄膜锂电池的性能也取决于阴极薄膜的性能。近年来,如何成功获得性能优良的阴极材料成为热门前沿课题之一,美国、日本、韩国、英国、欧共体等一些大公司和研究机构纷纷致力于阴极膜研究和开发。本文旨在介绍全固态薄膜锂电池结构和原理,并总结阴极薄膜的制备技术,以期为全固态薄膜锂电池的研究提供参考。
一、全固态薄膜锂电池的结构和原理
电池的结构也极大地影响着电池的性能,它密切关系到电池的容量和Li+ 离子的传输速率。最优化的构件方式是组成高性能薄膜锂电池的重要条件。图1给出了典型的薄膜锂电池的结构型,主要部分是阴极模、固体电解质膜和阳极膜。可以通过某种基底(如单晶硅片)上依次沉积阴极电流收集极、阴极膜、固体电解质膜、阳极膜、阳极电流收集极构成简单的薄膜锂电池。除了电流收集端(通常用导电金属附着在基片表面制备)以外,全固态薄膜锂电池的阴极、阳极、电解质都是以固态薄膜的形式依次参差附着,并且外部以绝缘的保护层包裹。
锂电池原理上是一种锂离子浓差电池,固态薄膜锂电池的正、负两极通常由两种锂离子嵌入化合物或聚合物组成。充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极,放电时则相反。如图2所示:
在锂电池的充、放电过程中,锂离子处于从正极负极正极的运动状态。锂电池中的就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,两极的锂浓度随着一极的升高而另一极降低,而锂离子就像运动员一样在摇椅间来回奔跑,类似一种摇椅式机制。所以锂电池又叫摇椅式电池,其原理又被称为摇椅式原理。
二、阴极薄膜材料的制备技术
制备阴极薄膜材料主要有两种沉积工艺,即物理方法和化学方法。其中物理气相沉积法又包括:磁控溅射 (Magnetron sputtermg)、电子束蒸发沉积、脉冲激光沉积 (PLD)等。化学方法主要是溶胶凝胶方法。本文就目前制备阴极薄膜材料常用的4种方法做简单介绍:
(一)溅射法
1.溅射技术是利用高能离子轰击靶材形成溅射物流,在衬底表面沉积形成薄膜的一种镀膜技术。溅射技术包括射频磁控溅射、反应溅射、多元靶溅射及离子束溅射。其中,磁控溅射由于沉积速率可以比其他溅射方法大很多,是目前应用最为广泛的一种薄膜沉积方法。由于优良的结构稳定性和循环性能,氧化钴锂被广泛应用在商品化的锂离子电池中。在薄膜锂离子电池研究中也经常使用其薄膜作为阴极材料。Jang 等采用射频磁控溅射法得到LiCoO2薄膜,研究得出薄膜中颗粒变小可以提高电压循环稳定性从而提高容量和能量密度。
2.H. Y. Park等在不同偏压下采用射频磁控溅射法沉积LiCoO2了阴极薄膜,循环伏安和充放电测试表明沉积过程中采取不同基体偏压对其结构和电化学性能有着明显影响。采用这种方法可不需要后续退火过程,而直接用于薄膜电池的阴极材料。
3.刘文元等采用射频磁控溅射技术制备了非晶态和不同取向的多晶LiCoO2薄膜,利用XRD和SEM研究了不同温度退火后LiCoO2薄膜的结构和形貌。以具有不同结构的LiCoO2薄膜为阴极、含氮磷酸锂薄膜为电解质以及金属锂薄膜为阳极,成功地制备了电化学性能不同的全固态薄膜锂电池。由电化学研究结果表明, LiCoO2薄膜的结构和多晶取向决定了薄膜电池的电化学性能。采用具有一定取向的多晶LiCoO2薄膜制备的全固态薄膜锂电池具有最佳的性能,稳定放电容量达到55.4μAh/cm2・μm,充放电循环次数超过450次。
4.LiNiO2理论容量较高,比LiCoO2价格便宜,对环境污染也较小,所以有希望成为取代LiCoO2的电极材料。H.K.Kim等以LiNiO2为靶材,O2/(Ar+O2)比为0.1气氛下,采用射频磁控溅射法沉积得到非晶态LiNiO2薄膜,在700℃氧气气氛下快速热退火10分钟后得到结晶的LiNiO2薄膜。采用经快速热退火处理的LiNiO2薄膜阴极(厚1.13μm)组装的全固态薄膜电池显示出稳定的循环性能。作者指出,经快速热退火处理的LiNiO2薄膜阴极是制备高性能全固态薄膜电池很有希望的阴极材料。
5.A.Urbano等人用射频磁控溅射的方法制备了LixNiOy薄膜,为LixNiOy阴极膜的溅射提供了部分依据。Duksu Kim等人首先用射频磁控溅射的方法制备了有良好电化学活性的LiNixCo12xO2阴极膜,实验对两种不同摩尔比合成靶材溅射的LiNixCo12xO2阴极膜作了对比研究,指出在氩气和氧气(摩尔比为2∶1)混合压为1.33Pa、溅射功率密度1.23W/cm2条件下,LiNO3、NiCO3和Co(NO3 )2・6H2O按摩尔比1.05∶0.5∶0.5合成粉末靶,在Pt(50nm)/SiO2/Si(100)衬底上溅射的LiNixCo12xO2膜,经过快速退火处理,有良好的容量保持性能。随着循环次数的增加,容量只有很少的降低。Cheng L L等讨论了在不同条件下制备的LiCoO2薄膜的性能,结果表明在250℃条件下以Si基板为衬底,氧气分压在0.665～1.33Pa范围内,可以制得纳米晶型的LiCoO2薄膜,当氧气分压高于1.33Pa或低于0.665 Pa时,会有Co3O4杂相产生,这说明氧气分压在制备过程中起很重要的作用。同时还讨论了退火温度对LiCoO2的电化学性能的影响,当退火温度分别为500℃、600℃、700℃时,电池的放电容量分别为41.77、50.62和61.16Ah/(cm2・μm) 。
6.Dudney研究发现由于在溅射过程中难以控制和优化锂锰氧计量比,LiMn2O4晶态薄膜电极的循环性能和内阻表现出的再生能力比LiCoO2差。
(二)脉冲激光沉积法
1.PLD最早出现于20世纪60年代,一开始由于气相镀膜方式占据了制膜方法的统治地位和PLD方法本身的发展不够,并没有受到重视。1987年PLD因成功制备YBCO高温超导薄膜而发展起来,近些年来,更是在制备铁电薄膜中得到广泛应用。它的基本过程是将一束高功率脉冲激光聚焦到符合化学计量比的陶瓷烧结靶表面上,靶表面瞬时局部温度可达103℃～104℃,蒸发出含有靶材成分的等离子体羽辉,羽辉中包含处于基态和激发态的原子、分子、团簇和高能电子,这些粒子以较高的能量到达加热的基片表面而成膜。使用该方法制得的膜的主要优点是:污染小;薄膜与靶材的成份保持一致;逸出粒子具有较大的能量,沿衬底表面的扩散较为激烈,沉积速率高;另外,在制膜的过程中,脉冲重复频率低,原子在两次脉冲蒸发间有足够的时间扩散到吉布斯自由能最低位置,这样有利于薄膜生长,提高薄膜质量。Sriehe等用248nm激光制备了LiCoO2和LiMn2O4薄膜。复旦大学化学系激光化学研究所薛明吹炔捎寐龀寮す獬粱结合高温退火的方法在不锈钢基片上制备了LiFePO4薄膜电极,充放电测试表明,LiFePO4薄膜具有3.45～3.40V的充放电平台,与LiFePO4粉体材料相当,首次放电容量为27mAh/g。
2.在全固态薄膜锂电池中,LiCoO2薄膜是最常用的阴极材料。在充放电过程中,LiCoO2发生从三方晶系到单斜晶系的可逆相变,但这种变化只伴随很少的晶胞参数变化,LiCoO2有良好的可逆性和循环充放性能。晶形LiCoO2是一种各向异性的层装结构,因此Li + 的嵌入和脱出必然与薄膜材料的取向密切相关。Iriyama 等发现用PLD方法制备LiCoO2薄膜在沉淀初期(薄膜厚度d < 0.24μm)是c轴定向的,当薄膜厚度再增加时变为无定向的。由于c轴定向薄膜的电荷转移电阻大和垂直基片方向的扩散系数小,电化学性能并不理想。可见,采用PLD技术制备LiCoO2薄膜的不宜太薄。Iriyama 等还尝试将PLD制备的LiCoO2薄膜由MgO修饰,修饰后薄膜的电极/电解质界面上Li+扩散活化能明显降低,循环性能得到较大改善。
3.Strielel等采用PLD技术在加热的不锈钢基片上沉积了厚度为0.2～1.5μm的LiMn2O4 薄膜,该过程中沉积与晶化同时进行,无需高温退火处理。但该LiMn2O4电极在充放电循环中会发生溶解,致使循环容量下降。如何克服循环容量下降成为目前LiMn2O4研究的焦点。他们进一步沉积了掺Ni和Co的LiMn2O4薄膜。掺Co和掺Ni的薄膜电极反应完全不同,在2.0～5.0V 的范围内充放电时只发生Ni2+～Ni4+的氧化反应,而没有Co3+的氧化还原反应。另外,LiNi0.1Mn0.9O4薄膜在电位5.5V时仍十分稳定,而当电位高于5.5V时由于大量的电解质氧化分解使薄膜电极的容量减小。
4.V2O5因其很高的理论嵌锂容量成为很有发展前景薄膜锂电池的阴极材料。晶态和非晶态V2O5 的离子扩散系数有较大不同。Mcgraw等采用单阶跃电位法测定了由脉冲激光沉积制备V2O5薄膜的DLi,晶态V2O5薄膜DLi的最大值和最小值分别为1.7×10-12cm2/s和5.8×10-15cm2/s ,而非晶态V2O5的DLi变化较小,最初为5×10-13cm2/s ,锂化到Li0.4V2O5 时下降到1.2×10-13cm2/s。
(三)电子束蒸发法
电子束蒸发法的特点是能量高度集中,膜材料的局部表面可获得很高的温度;能准确而方便地通过调节电子束的加速电压和电流控制蒸发温度,并且有较大的温度调节范围。与射频磁控溅射法和脉冲激光沉积法相比具有成本低廉,成膜较快,便于大面积制备等优点。
Shokoohi F K等采用电子束蒸发法制备LiMn2O4薄膜,在获得新沉淀的非晶膜以后, 既可以取出进行高温 (800℃)退火处理,又可以在较低的温度 (400℃)进行原位退火处理,两种处理方法都可得到LiMn2O4晶体膜。其中后者具有特别重要的意义,它使薄膜电池可能与半导体材料整合在一起。该法得到的LixMn2O4薄膜中,x接近1。400℃原位退火处理得到的晶体颗粒小于0.05μm,比容量在130mAh /g以上。Seung J L等报道其用电子束蒸发法制备Li2Co0.5Ni0.5O2的薄膜,性能与LiCo0.5Ni0.5O2粉末相当。
(四)溶胶-凝胶(Sol-Gel)
1.Sol-Gel工艺的基本过程是在有机溶剂中加入含有所需元素的化合物形成均匀溶液。溶液通过水解和缩聚反应形成凝胶,用匀胶机将其均匀甩在基片上,经过干燥和退火处理,除去凝胶中的剩余有机成分,就形成了所需的薄膜。这种方法具有化学计量比准确、易于掺杂改性、工艺简单、成本低和成膜面积大等优点,适合批量生产。
2.基于丰富的资源和对环境友好等优点,氧化锰锂也被作为薄膜锂电池的阴极材料。Park等用溶胶-凝胶旋转涂膜法和退火相结合的方法,制备了具有良好容量和循环性能的LiMn2O4薄膜,并对不同条件下制备的LiMn2O4阴极薄膜进行了对比研究。根据分析,并结合前人研究指出构成良好充放电性能的LiMn2O4阴极薄膜的可能因素:较低的结构完美性、有缺陷存在、微粒之间没有接触阻抗。这为以后对LiMn2O4阴极薄膜的研究提供了有力参考。
3.Young Ho Rho等用PVP溶胶-凝胶法在金底片上制备了1μm厚的LiMn2O4薄膜,并在1mol/dm-3 的LiClO4电解质溶液中测试了该薄膜电极的电化学性质。他们发现用该法制备的LiMn2O4薄膜具有良好的充放电性能,其化学扩散系数为10-8至10-10 cm2/s,并且在200次充放电循环后容量损耗仅为20%。
4.L. Hernán等用溶胶-凝胶法制备的Li-V-Mn-O尖晶体,并使用丙酸使其成为树脂结构,然后对凝胶进行600℃的退火处理。然后在电压范围为5.2～2.0V的锂电池中测试该材料,出乎意料地发现该电极与近期报道的LiMn2O4薄膜具有相似的充放电曲线。虽然在整个电压变化的充放电实验中,尖晶体保持了很好的内部结构稳定性,但在5.0～2.0V之间的范围内却出现了明显的容量损失。实验结果表明,这种材料在4.6～2.5V的电势窗中具有最好的电化学性能。在此电压范围之上,电池更在大量充放电循环后保持了可接受的容量(105Ah/K)。
三、结论
全固态薄膜锂电池以其优越的性能倍受人们青睐,是具有高附加值的新能源产品,近年来掀起了研究薄膜锂电池的热潮,但仍需要进一步探索。目前,国内由于技术落后、投资规模小等原因,薄膜锂电池材料和产品的技术水平和产业规模与发达国家差距较大。相信随着大规模制作工艺问题得到解决及其性能的进一步提高,薄膜锂电池将有广阔的应用前景。
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