晶体人生丨陶绪堂:从有机-无机复合材料走进多彩晶体世界

有机-无机复合材料因其涉及范围更广,材料设计的可选择性大,同时可以兼具无机和有机材料的优点,近年来受到国内外研究人员的高度关注。此次访谈中,陶绪堂教授首先回顾了山东大学晶体材料研究所和晶体材料国家重点实验室在蒋民华院士带领下,开展有机-无机复合非线性光学晶体材料(LAP)研究,并获得国家发明一等奖的历程,介绍了课题组目前在有机-无机复合晶体材料方面的研究进展,结合自身科研历程,重点分析了目前有机-无机复合材料发展的趋势和存在的主要问题,展望了有机-无机复合晶体薄膜在能源领域的应用潜力。最后指出要想从诸多有机-无机复合晶体中产生新的“中国牌”晶体,需要大家共同努力的方向。     

分光棱镜干涉法测量涡旋光束拓扑荷

理论分析并实验研究了涡旋光束通过单分光棱镜后的自干涉现象.研究结果表明,不同于涡旋光束与平面波或者球面波干涉,涡旋光束自干涉条纹呈"扭曲"状,且在干涉条纹边缘处会出现"断裂"条纹,其数目随着涡旋拓扑荷数增大而增大,且"断裂"条纹的指向与拓扑荷符号相关.上述结论提供了一种原理和操作简单的测量涡旋光束拓扑荷数的方法.     

一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

一种锚泊条件下捷联惯导系统级标定方法

捷联惯导的误差参数标定,一般是在实验室静基座或外场轻微晃动干扰基座下进行的,不能满足舰船出海期间在锚泊条件下对捷联系统进行标定的需求。针对此问题,提出了一种舰船锚泊条件捷联系统级标定方法。通过设置合适的卡尔曼滤波器量测误差参数和延长系统级标定时间,来减小锚泊运动的影响,使系统级标定结果准确稳定。通过设置不同的惯导系统误差,进行多次锚泊条件系统级标定仿真,对所提方法进行验证。仿真结果表明,在经过系统级标定后,加速度计零偏误差小于10μg,陀螺和加速度计的刻度系数误差小于30ppm,两者的安装误差角小于10'。舰船锚泊条件系统级标定方法可以在舰船出海后不依赖外部测量信息标定惯导的部分参数,具有一定的应用参考价值。     

结构冲击畸变问题的直接相似方法研究

结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变,通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿.然而传统的修正方法,存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷,因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用.本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法.它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,直接获得了修正速度或修正密度的比例因子,完成了比例模型与原型的动态相似关系.基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型,研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用.并通过受质量冲击的折板结构算例,验证了直接相似方法的有效性.分析表明,本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应,不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性,具有直接、高效、通用的特点.此外,动态相似关系的最佳逼近效果,受材料应变率敏感性特征参数控制,屈服应力、密度和参考应变率影响不大;当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近,可获得最佳逼近.     

不确定海洋环境中基于蒙特卡罗优化的稳健检测方法

常规的检测算法在实际不确定海洋环境中会遇到环境失配的问题,进而导致检测性能下降。本文结合贝叶斯原理和广义似然比方法,基于蒙特卡罗优化技术,提出了一种不确定海洋环境中信号检测方法。该检测器将环境先验信息应用到广义似然比检验中,在保证有效检测的基础上,降低了计算复杂度。同时给出了精确模型匹配检测器、最优贝叶斯信号检测器、平均模型匹配检测器和能量检测器作为对比的检测算法。计算机仿真和SWellEx-96海上实测数据处理结果表明,本文提出的信号检测器检测取得了优于平均模型匹配检测器和能量检测器的性能,其计算效率也有明显提高。     

空中对准方案的误差分配分析方法（英文）

舰载机进行紧急作战任务时,可能会先快速起飞,然后再进行空中对准。为了保证对准结束进入惯性导航模式后,惯导系统能够达到一定精度指标,对准结束时刻的姿态信息需要达到一定的精度要求。空中对准过程一般可分为粗对准和精对准两部分,对准结束时刻的姿态精度由粗对准结束时刻的导航误差、惯性器件误差、重力场模型误差和对准过程中的飞行机动等多个因素决定。首先利用设计的协方差分析方法,对两种不同空中对准方案进行误差分配,并通过Monte-Carlo仿真技术对误差分配结果进行了验证。仿真结果说明了提出的误差分析方法是正确的,为空中对准方案的改进方向提供了借鉴作用。     

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一,对缓解日益严峻的能源危机极为重要.在重力式管道实验系统中,测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态,对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力,沟槽结构采用机械方法加工,并在表面喷涂超疏水涂层.结果表明,持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题,实现气膜层长时间稳定维持;恒定雷诺数下,随通气速率增大,超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀,减阻率上升;由于通气速率影响气膜横向扩展能力,致使恒定通气速率下,减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式;在固定雷诺数及通气速率时,减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, S~+≈76时减阻率最大.分析其原因在于,沟槽结构增大沾湿面积的同时,显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性,因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律,且效果更佳.     

枝晶生长理论中的热-动力学协同

随加工工艺趋于复杂化和极端化,基于热力学驱动力和动力学能垒相对独立的枝晶生长理论已无法精确描述多种机制共同作用的非平衡凝固过程,大大限制了该理论与工业应用的结合。首先,本文综述基于热-动力学相对独立的枝晶生长理论的发展,分析其内涵的本征热-动力学相关性,并集成于以双辊薄带连铸技术为背景的基于热-动力学相关性的枝晶生长模型。其次,定量证明了热力学驱动力和动力学能垒的相关性,通过选择不同的驱动力-能垒组合,试图在双辊薄带连铸技术中实现合金设计和工艺优化。最后,通过分析现有模型的不足,对进一步枝晶生长模型的发展以及与工艺的结合进行展望。     

海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。