ISSN 1009-0134
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2025年, 第47卷, 第10期
刊出日期：2025-10-25
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近年来，我国自主研发的航空专用三维结构设计系统正在蓬勃发展，在核心组件的研发中取得了显著成效。然而，随着大语言模型（LLMs）的广泛使用，如何实现三维结构设计与智能手段的交联接口仍是一项核心挑战。此外，现有LLM因缺乏对三维几何与物理场（如空气动力学）的精确推理能力，难以直接应用于航空器结构的智能化设计。在航空结构件中，飞行器机翼作为产生升力的核心部件，其设计过程高度复杂、依赖专家经验，且与气动性能紧密耦合，传统设计范式迭代周期长、成本高昂。为应对这一挑战，以飞行器机翼为典型案例，提出了面向飞行器三维机翼建模的智能设计接口——Airfoil-LLM。该接口基于Transformer架构，通过集成自然语言编码与CAD建模序列解码，将复杂自然语言描述的设计需求作为输入生成结构化的CAD建模指令，实现机翼结构件的智能化、自动化生成。为支撑模型训练与验证，构建了包含参数化的三维CAD模型、覆盖亚音速至超音速的宽域飞行工况、关键气动性能指标以及多层次文本的大规模三维机翼设计数据集。实验结果表明，Airfoil-LLM能够深刻理解从简单几何到复杂“几何-性能”耦合的文本描述，并生成在几何形态（IoU最高达0.831）与气动性能上均与目标高度一致的三维模型。
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难切削材料广泛应用于航天航空行业，该类材料具有切削难度大、材料成本高、标定实验难等特点。在难切削材料有限元仿真建模过程中，材料的力学性能以及刀具-切屑摩擦性能的设置，会显著影响仿真模型的预测精度。如何实现难切削材料力学性能等参数的高效获取，研究仿真模型的快速精准不确定校准策略具有重要意义。以难切削Ti2AlNb金属间化合物铣削过程为例，提出了一种贝叶斯框架下的难切削材料有限元仿真模型不确定校准方法。首先开展了模型不确定分析，提出了基于贝叶斯理论的模型不确定量化方法，并基于马尔科夫链蒙特卡洛法实现了不确定系数求解；其次开展了基于有限元仿真软件的铣削过程有限元建模、仿真实验设计与仿真数据集构建，提出了基于高斯过程回归以及支持向量回归的代理建模方法；最后开展了Ti2AlNb铣削实验设计，构建了工况数据集，实现了有限元模型中JC本构参数与刀具-切屑摩擦系数的量化。实验结果表明，不确定校准后的有限元仿真模型在预测精度上得到了改善，三向铣削力的预测相对误差由校准前的21.47 %降低为12.17 %。
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针对工业缺陷检测系统在资源受限环境下难以兼顾检测精度和计算效率的问题，提出了一种基于混合状态空间模型的轻量化工业缺陷检测网络架构。该架构通过设计C2f_EfficientVIM_CGLU模块，将视觉状态空间模型的全局序列建模能力与卷积门控线性单元的局部特征增强机制深度融合，构建了高效的缺陷特征表征学习框架。引入HSM-SSD（Hidden State Mixer based State Space Duality）机制，采用线性时间复杂度的状态空间建模方法处理长距离依赖关系，显著提升了对不规则形状和稀疏分布缺陷的识别能力。设计Slimneck轻量化特征金字塔网络，通过GSConv（Ghost Shuffle Convolution）稀疏卷积和VoV-GSCSP（Variance of Variance Ghost Shuffle Cross Stage Partial）高效特征融合模块，在保持检测精度的前提下实现了网络参数的大幅压缩。在NEU-DET和APDDD数据集上的大量实验表明，所提网络架构在NEU-DET数据集上的mAP50达到92.13%，相比基线模型YOLOv8n提升9.77个百分点，参数量仅为2.9 M，计算复杂度为7.7 GFLOPs，相比传统的Faster-RCNN方法参数量减少93%以上。在APDDD数据集上的mAP50达到89.68%，验证了方法的良好泛化性能和快速检测能力。该研究为工业4.0智能制造环境下的高效质量检测系统提供了理论基础和技术支撑。
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轻武器射击过程中产生的后坐冲击会显著缩短武器站伺服平台使用寿命并降低射击精度。为有效降低后坐冲击并保证射击精度，设计了一种由多个模块化柔顺单元组成的柔顺缓冲机构。针对柔顺缓冲机构寄生运动带来的导向误差而降低射击精度的问题，研究分析了柔顺缓冲机构不同布局对射击精度的影响。通过有限元仿真与实验相结合的方法，分析了机构的模态特性与俯仰寄生误差角度。结果表明：2个柔顺单元并联与4个柔顺单元并联两种布局的前三阶模态振型一致，一阶为工作方向的平动，二阶和三阶为非工作方向的转动，会引起俯仰与方位方向的寄生误差。布局二在抑制俯仰方向寄生运动方面显著优于布局一，在80 mm作用高度、1200 N推力下，布局二俯仰误差角度为0.83 mrad，较布局一的1.46 mrad降低了43.15%。结合武器站应用需求，建议采用4个及以上柔顺单元并联组成柔顺缓冲机构。
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高维工业数据中的稳健异常检测对于保障设备安全和生产质量至关重要。然而，现有方法常因特征重要性自适应能力不足、单视角检测机制易受噪声干扰以及对异常模式泛化能力有限而失效。针对这些问题，提出了一种名为集成重建与自适应选择－知识蒸馏的端到端多视角异常检测架构。该架构创新性地协同整合了三个核心模块：重建验证模块，通过多尺度自编码器学习正常数据的紧凑表示，捕捉结构异常；知识蒸馏模块，利用教师－学生网络迁移语义知识，提供独立验证视角以提升泛化能力；自适应特征选择模块，通过门控注意力机制动态学习特征重要性权重，聚焦判别性信息。这三个模块通过一个融合重建误差、知识对齐差异和注意力正则化的多目标动态加权损失函数进行联合优化，实现多层次信息的互补验证。
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分体式结构件因设计-装配阶段的非连续性，易在螺栓孔周出现应力分布不均与局部应力集中现象，导致装配结构刚度降低、可靠性下降。因此，需要建立精准的孔周应力计算模型指导装配件的孔位设计。基于接触理论与叠加耦合原理，将孔周应力场分解为预紧力引起的均布接触应力、二维平面远场应力，以及有限尺寸-三维厚度方向修正项，引入裕度参数因子量化边缘效应，构建双轴载荷作用下的孔周应力分布理论计算模型；进一步分析裕度参数、预紧力及拉伸载荷对孔周应力的影响规律。结果显示：所建理论模型可有效计算双轴载荷下分体式结构件的孔周应力水平，理论模型计算结果与有限元仿真结果误差不超过10%；裕度参数因子的增大会显著增大孔周的最大应力，并增大分布范围；预紧力增大可通过产生压应力抵消部分拉应力，使最大拉应力增速减缓，而拉伸载荷增大则导致最大拉应力呈加速增长趋势。裕度参数因子为孔位优化提供量化依据，有助于提升装配体结构的可靠性与承载能力。
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为了降低电-气转换器的吸合响应时间，提出了一种包含簧片和内嵌式永磁体的电-气转换器，通过设置簧片及其初始预紧量，可以减小摩擦对响应时间的影响，加速衔铁的吸合。建立了电-气转换器的多物理场耦合动态仿真模型，基于Fluent软件对喷嘴处的背压和衔铁受到的气动力进行估算与仿真，基于 Maxwell 软件分析不同参数（驱动电压、线圈匝数、工作气隙、簧片刚度、簧片初始预紧力）对电-气转换器吸合响应时间的影响。利用灰色关联度法量化各参数与吸合时间的关联度，研究表明簧片刚度与吸合时间关联度最高。搭建实验平台验证了仿真模型的准确性，为电-气转换器的结构设计和性能进一步提升提供依据。
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针对几何特征简单、数量庞大的碳纤维增韧树脂基复合材料（CFRP）板类零部件数控加工编程中存在的参数设置多、重复劳动强度大、编程时间长、经验依赖性强等问题，开展基于特征的自动编程技术研究。以面板、结构板、基板零部件特征定义为基础，采用基于属性邻接图匹配的方法完成三维模型的特征识别，基于产生式规则和加工要素优先图的加工操作生成算法完成特征工艺自动决策，基于改进遗传算法完成加工路线优化，实现了数控加工程序的智能化编制。最后在NX平台开发出原型系统，以CFRP板类零部件为测试对象进行了验证，测试结果表明，该系统相较于传统人工编程效率提升22倍以上，正确率100%，已在航天制造企业中得到工程应用。
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在橡胶制品的生产中，密炼与挤出过程会存在剧烈的温度波动与压力失稳问题，不仅影响混炼质量、胶料塑化均匀性，还关系到设备能耗与生产效率。针对橡胶炼胶与挤出生产过程中温度波动大、压力稳定性差的问题，提出一种改进型模糊PID智能协同控制策略。通过融合温度传感器、压力传感器、转速传感器以及扭矩传感器等多传感器进行实时数据采集，设计过程特性的自适应参数整定机制及压力-温度动态耦合补偿模型，基于自适应调整过程，实现对密炼机转子和挤出机螺杆的精准协同控制，深入解析并补偿了密炼机转子强剪切生热与挤出机螺杆输送压缩过程中压力、温度参数的相互干扰作用，从而克服了单一变量控制的不足。实验表明，改进算法在温度控制过程中，超调量降低11%，缩短了调节时间，温度控制精度达到±0.8 ℃。压力波动对温度的干扰从35%降至12.7%，该系统提升了温控精度，降低了压力波动，显著提升了产品均匀性与生产效率。
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单一接触式传感器仅在碰撞时提供反馈，无法预先判断障碍物，导致避障效率低下。因此，为提高工业机器人的避障效率，提出基于激光距离传感的工业机器人最小安全避障距离控制方法。选用HG-C1000激光位移传感器，采用激光三角测量法，并结合双缓冲区机制与中断传输协议，实现数据的密集采集，从而精准获取障碍物距离。首先建立运动状态方程来描述障碍物的平面运动，然后利用拉格朗日插值法构建多项式以预测其轨迹，最后引入反馈校正机制来减小误差，从而提高预测的准确性。基于激光距离传感获取的障碍物距离及其运动趋势预测，首先将障碍物近似为椭球体以计算最小安全避障距离。然后，采用人工势场法来控制避障路径的方向，并结合动态窗口法设计动态避障策略，从而实现工业机器人的动态最小安全避障。实验结果表明，该方法在最小安全距离、响应速度及轨迹平滑性方面表现优异，可以高效避障。
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针对多规格螺纹钢几何参数的机器视觉测量过程中，存在的局部遮挡、透视畸变、大尺寸和空间弯曲等多源干扰问题，设计并搭建了一种面向螺纹钢几何参数的机器视觉测量系统。首先，提出了双相机远近垂直布局结构，解决了大视野与高精度冲突的问题。第二，聚焦因螺纹钢规格变化产生的透视问题，提出了基于物平面提升法和双摄耦合标定的透视矫正方法。第三，设计了图像预处理框架，用于识别螺纹钢轮廓区域并定位到亚像素轮廓坐标，其中围绕遮挡问题提出了基于贝塞尔插值的遮挡区域修复算法，识别并重建遮挡区域。第四，采用基于欧式聚类的特征提取方法，得到各参数的几何量特征。最后，应用反投影配准原理和几何尺寸变换得到像素尺寸，并用张正友标定方法计算出真实尺寸。实验结果表明，该方法可测得螺纹钢的6种几何参数，用人工测量值做系统评估，系统精度可达0.1 mm，单图平均处理时间为0.24 s，可满足螺纹钢几何参数的快速测量需求。
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对于现有的注意力机制可能存在的学习能力不足，对重点目标的关注度不够等问题以及传统钢材表面缺陷检测网络中存在的检测精度低、特征提取尺度单一等问题，设计了一种可迭代的递归通道注意力机制RCA（Recurrent Channel Attention， RCA），该机制分别对水平、垂直两方向进行注意力权重的计算，使得模型对特征位置具有更强的感知能力，并使用递归策略对融合后的结果进行迭代，将所得到的权重再次用于输入特征中，使得网络对同类目标中关键特征信息的捕捉能力进一步增强，提升了网络对不同位置和尺寸的目标的检测能力。并将RCA机制与YOLOv8网络模型相结合，提出一种基于改进YOLOv8n的钢材表面缺陷检测网络，首先，引入可切换空洞卷积（SAConv）扩大了模型感受野并提升其对多尺度特征的感知能力与适应能力，实现更精准的特征提取；其次，在网络的Neck部分加入了具有自适应能力的加权特征融合模块，有效结合了全局和局部特征，增强了多层特征之间的融合能力；最后，引入所设计RCA机制并进行大量消融实验与对比实验。实验表明，仅加入RCA机制的YOLOv8网络模型在钢材表面缺陷数据集NEU-DET上的mAP@0.5值为81.1%，相比于原始模型提升了3.4%；在GC10-DET数据集上的mAP@0.5值为63.2%，相比于原始模型提升1.7%。YOLO-SCR网络模型在计算量方面较基线模型减少了12%，在NEU-DET数据集上的mAP@0.5值为84.0%，相较于原始模型提升了6.3%，在GC10-DET数据集上的mAP@0.5值为64.1%，相较于原始模型提升了2.6%，在检测任务中的精度与速度上具有一定的均衡性。
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针对现有齿轮表面缺陷检测算法参数较多、计算量大等问题，提出了一种基于改进YOLOv8s的轻量化齿轮表面缺陷检测方法。首先，将YOLOv8s网络模型中的部分普通卷积替换为Adown卷积模块，提高模型捕捉图像特征的能力；其次，将轻量化模块C2f-Faster与通道混合器CGLU相融合，构建全新的C2f-Faster-CGLU模块，降低模型大小与计算成本；最后，设计LSCSBD检测头进一步减少模型参数量。实验结果表明，改进后的YOLOv8s模型与原模型相比，模型参数量大小减少了58.6%，GFLOPs减少了46.1%，模型大小减少了57.3%，均值平均精度达到了98.8%的准确率。改进后的算法有效降低了模型的占用内存，模型更加轻量，为小型移动设备实时检测齿轮表面缺陷技术提供参考。
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针对卫星式柔印机中心压印滚筒在印刷过程中因受热膨胀导致印刷压力变化、影响印刷质量的问题，设计了一种双进双出冷却水螺旋流道结构，以降低滚筒表面温度和轴向温差。采用计算流体力学（CFD）方法分析了双向螺旋流道结构对滚筒表面温度场的影响规律，在此基础上，结合正交试验法，以滚筒表面轴向温差最小为优化目标，选取流道螺距、流道宽度和流道高度为关键结构变量，对流道结构进行了参数优化，获得的最优参数组合为：流道螺距1000 mm、流道宽度200 mm、流道高度35 mm，此时滚筒表面的轴向温差为1.02 ℃，较传统单向螺旋流道结构的2.46 ℃降低了58.5%。该研究能为流道结构参数的优化及中心压印滚筒结构的合理设计提供指导。
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针对振动膜生物反应器中的滑移架往复频率太高导致的曲柄滑块机构易发生倾覆问题，通过对曲柄滑块机构的连杆速度瞬心的解析解研究，得到了连杆速度瞬心线模型，由该模型计算可知，曲柄连杆长度比分别为 时，瞬心线的变化规律，即曲柄长度不变，连杆长度越长，整体瞬心线向右平移，连杆瞬心线除中间位置外近乎水平直线，在瞬心线的模型基础上，进一步得到了倾覆极限频率为1.9 Hz和安全频率1.8 Hz在10 min内滑移架的速度和加速度变化规律，并用ADAMS软件验证了曲柄滑块机构瞬心线模型的有效性，为预测振动膜组器机构能否稳定运行提供重要设计理论参考。将连杆速度瞬心线模型推广得到铰链四杆机构的连杆速度瞬心线，并将该模型应用在人体膝关节设计中，得到腿直立和弯曲状态两个极限位置的瞬心线，与人体膝关节J形瞬心轨迹相似，所提出的连杆速度瞬心线模型与人体膝关节理想瞬心轨迹具有很好的匹配度，为具有人机相容性结构的优化设计提供参考，所建立的连杆速度瞬心线模型在生物力学领域有很好的应用前景。