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2022 年秋季工程设计与创新展
我很荣幸地欢迎您参加我们一年一度的秋季工程设计与创新展示会，该展示会展示了我们学生的顶点设计项目。Speed School 的一大重点是让学生为进入行业做好准备。我们不断寻求改进我们的学术课程，重点强调与行业相关和行业赞助的顶点项目。这些项目不是简单的学术练习，因为我们的学生正在解决实际的工业问题并提供解决方案，这些解决方案可以付诸实践。让我兴奋的事情之一是听到一些项目成果如何被行业赞助商采用。今年秋天，90 名学生组成了 26 个工程学生团队，他们在整个学期中与他们的项目合作伙伴合作开发原型或解决方案，用于涉及设计约束、预算、审查和截止日期的实际项目。工程设计与创新展示会得益于我们行业合作伙伴、项目赞助商、教职员工、导师和评委的慷慨支持。作为一个社区，我们正在培养世界一流的工程师，他们已经做好充分准备，以具有竞争力的批判性思维和解决问题的能力迎接未来的挑战。我们的 Speed School 工程系学生为这次展示付出了艰苦的努力，并欢迎有机会展示他们的项目如何发展成为现实世界的产品或解决方案。请和我一起祝贺他们的成就。我真诚地希望您喜欢 2022 年秋季工程设计与创新展示。
通过交流改编：评估人类 -
探索融合人工智能（AI）来支持团队解决问题的机会一直是密集研究的重点。然而，尽管将这种AI工具纳入人类团队解决问题可以改善团队的表现，但仍不清楚AI整合的方式将导致真正的人类 - AI合作伙伴关系能够模仿人类的动态适应性。这项工作将人类设计师与AI合作伙伴团结在一起，成为团队成员，他们可以在实时进行反应和主动合作，以解决一个复杂而不断发展的工程问题。使用Hyform协作研究平台对团队绩效和解决问题的行为进行了检查，该平台使用在线协作设计环境，模拟复杂的跨学科设计问题。问题结构出乎意料地改变了问题解决问题，以模拟动态发展的工程问题的性质。这项工作表明，在引入了未经证实的设计约束或震惊之后，人类 - AI混合团队的表现与人类团队相似，证明了AI合作伙伴适应未经证实的事件的能力。尽管如此，在引入冲击后，混合动力团队确实在协调和交流中挣扎。总的来说，这项工作表明，这些AI设计合作伙伴可以在大型，复杂的任务中作为人类团队中的活跃伙伴参与，这显示了实践中未来整合的希望。[doi：10.1115/1.4064490]
生物量的生物炭为农场生物经济
建造了一个原型移动热解单元（MPU），可通过贝拉德（Bailed）和其他生物质产生现场生物炭。在开始制造MPU之前，运营组为简化且具有成本效益的生物炭系统制定了初始设计理念和工程策略，该系统将结合一系列的设计约束。在制造和初始调试阶段发生了许多不同的工程步骤，并进行了进一步的调整，以帮助解决原料问题，并在测试和重新设计阶段提高MPU的功能。在设计修改以最大程度地提高冲刺的饲料之后，进料速率仍然低于设计要求，并且MPU连续有效地运行时存在问题。但是，MPU确实成功地运行了：当时的Rush Biomass Fed在没有阻塞的情况下连续通过系统；可以控制和维持速度管中的温度。它可能连续运行超过4个小时。在这些条件下，由适合在实验室设置中进行测试的高质量生物炭产生高质量一致的生物炭。随后使用欧洲生物炭证书指南来表征该生物炭的可持续生产生产，并在各种实验项目中进行了检查。
cifher：具有可重大结构的基于芯片的FHE加速器
摘要 - 同构加密（FHE）是备受关注的隐私解决方案，但是FHE的高计算开销对其实际采用构成了挑战。尽管先前的研究试图设计ASIC加速器来减轻开销，但他们的设计需要过多的芯片资源（例如，区域）来包含和处理大量操作数据。我们提出了一个基于芯片的FHE加速器Cifher，它具有可重大的结构，以通过具有成本效益的多芯片模块（MCM）设计来应对挑战。首先，我们设计了一种灵活的核心体系结构，其配置可调节以符合chiplets的全球组织和设计约束。其独特的功能是一个可组合功能单元，为数字理论变换提供了不同的计算吞吐量，这是FHE中最主要的函数。然后，我们建立了一般的数据映射方法，以最大程度地减少互连开销，当将芯片组织到MCM包装中时，由于包装约束，这将变成了重要的瓶颈。这项研究表明，由许多紧凑型芯片组成的Cifher软件包提供的性能可与最先进的单片ASIC加速器相提并论，同时大大降低了整个包装范围的功耗和制造成本。索引术语 - 同构加密，域特异性档案，chiplet
飞机成本/重量优化结构 - DiVA 门户
复合材料结构可以显著降低客机的重量。然而，增加的生产成本需要应用具有成本效益的设计策略。因此，需要一个比较值，用于评估设计方案的成本和重量。直接运营成本 (DOC) 可用作此比较值；它捕获了飞机飞行时产生的所有成本。在本文中，提出了一种复合材料结构的成本/重量优化框架。它考虑了制造成本、无损检测成本和基于飞机重量的终生燃油消耗，因此使用简化版本的 DOC 作为目标函数。首先，解释飞机设计的不同阶段。然后重点讨论复合结构的优点和缺点、设计约束和允许值以及无损检测。此外，还讨论了多目标优化和成本与重量的综合优化等主题。制造成本可以通过不同的技术来估算；在这里，基于特征的成本估算和参数成本估算被证明最适合所提出的框架。最后，对所附论文进行了简要总结。第一篇论文包含一项参数研究，其中针对一系列成本/重量比（重量损失）和材料配置优化了蒙皮/纵梁面板。重量损失定义为特定的终生燃油消耗，取决于飞机的燃油消耗、燃油价格和优化器的观点。结论是，设计方案的理想选择既不是低成本也不是低重量，而是两者的结合。第二篇论文提出在部件的设计过程中纳入无损检测成本，并根据检测参数调整每个层压板的设计强度。因此，超声波检测的扫描间距被视为一个变量，代表（保证的）层压板质量的指标。结果表明，在早期设计阶段分配和调整层压板的质量水平可以降低直接运营成本。
适合各类电动汽车的混合能源优化选型设计方法
摘要：本文讨论了广泛应用于电动汽车 (EV) 的绿色能源。为了满足各种电动汽车的不同要求，正确确定能源尺寸至关重要，这样才能优化成本和输出性能。在本研究中，考虑了三种能源，即超级电容器 (SC)、钛酸锂 (LTO) 电池和镍锰钴 (NCM)（或 Li3）电池用于混合。设计了一种有效的全局搜索算法 (GSA) 来优化混合电能系统 (HEES) 的尺寸。GSA 程序包括：(1) 能源的车辆规格和性能要求，(2) 确定成本函数和约束，(3) 使用 for 循环进行 GSA 优化，(4) 最佳结果。分析了五种电动汽车的例子，即电动轿车、长途电动公交车、短途电动公交车、电动叉车和电动跑车，以在不同标准和规格下实现最佳混合能源组合。 GSA 有效地优化了能量尺寸设计。所研究的性能指标和车辆要求包括三种能源（超导电池、钛酸锂电池和锂电池）的比价格、恒定体积下的比能量、恒定质量下的比能量和恒定质量下的比功率。车辆要求（包括最大输出功率、车辆加速度、爬坡能力和最大速度）已被制定为设计约束。对五种类型的电动汽车进行了数值分析，以确定 HEES 的最佳尺寸和具有最低成本函数的 DC/DC 转换器的最佳位置。未来将研究使用 GSA 的 HESS 集成系统和控制设计、更多绿色能源应用和不同类型的电动汽车。
斜飞翼：简介和白皮书1
美国宇航局艾姆斯研究中心在 20 世纪 90 年代初对超音速商用客运斜翼全翼概念进行了设计研究。这项研究的参与者包括美国宇航局艾姆斯研究中心在斜翼设计方面拥有丰富经验的工作人员，以及来自西雅图波音商用飞机公司和加州长滩道格拉斯飞机公司的工程师，以及斯坦福大学的研究团队。行业合作的目的是确保将现实世界的设计约束纳入研究，并获得行业设计专业知识。斯坦福大学的团队建造并试飞了一架 17 英尺跨度的斜翼全翼无人机，展示了 3% 负静态稳定性的飞行。设计研究最终产生了两种机翼设计，称为 OAW-3 和 DAC-1。OAW-3 机翼由美国宇航局艾姆斯研究中心的团队设计，代表了基于配置约束和任务性能指标的高度优化设计。DAC-1 机翼由道格拉斯飞机公司的团队设计。它是一种经典的椭圆形平面形状，具有高度的气动形状优化，但设计并未根据整体任务性能指标进行优化。虽然两个机翼都在 9 x 7 超音速风洞中进行了测试，但只有 OAW-3 机翼拥有完整的控制面和发动机舱。本报告中描述的风洞数据仅在 NASA OAW-3 配置上获得。
基于人工智能的功率转换器电路参数设计（AI-D）
摘要 --- 参数设计对于确保功率转换器的整体性能令人满意具有重要意义。通常，功率转换器的电路参数设计包括两个过程：分析和推导过程和优化过程。现有的参数设计方法包括两种类型：传统方法、计算机辅助优化（CAO）方法。在传统方法中，需要严重依赖人。即使新兴的 CAO 方法使优化过程自动化，它们仍然需要手动的分析和推导过程。为了减轻对人的依赖以实现高精度和易于实施，本文提出了一种基于人工智能的设计（AI-D）方法用于功率转换器的参数设计。在提出的 AI-D 方法中，为了实现分析和推导过程的自动化，采用仿真工具和批量归一化神经网络（BN-NN）为优化目标和设计约束构建数据驱动模型。此外，为了实现优化过程的自动化，使用遗传算法来搜索最佳设计结果。所提出的 AI-D 方法在电动汽车 48 V 至 12 V 附件负载电源系统中同步 Buck 转换器的电路参数设计中得到了验证。给出了效率最优的同步 Buck 转换器的设计案例，该转换器在体积、电压纹波和电流纹波方面均有约束。最后，通过硬件实验验证了所提出的 AI-D 方法的可行性和准确性。索引术语 - 功率转换器、参数设计、人工智能、进化算法、神经网络。
sub-mw低温INP HEMT LNA用于量子读数
摘要 - 低温磷化物（INP）高电子动力晶体管（HEMT）低噪声放大器（LNA）用于在4 K处的Qubits读数放大，其中冷却能力有限地暗示活性电路的DC功率是一个必不可少的设计约束。在本文中，在4 K处的超功率（ULP）操作下INP HEMT的RF和噪声性能已被表征。 将INP HEMT的小信号和噪声参数模型提取到1 µW。噪声性能和直流功耗之间的权衡是根据排水电流和排水电压分析的。 制造了4–6 GHz混合低温HEMT LNA专为量子读数而设计的，并针对低于1 MW DC功率的最低噪声进行了优化。 在4 K时测量的LNA的测量性能达到23.1 dB平均增益，平均噪声温度为200 µW DC功率。在本文中，在4 K处的超功率（ULP）操作下INP HEMT的RF和噪声性能已被表征。将INP HEMT的小信号和噪声参数模型提取到1 µW。噪声性能和直流功耗之间的权衡是根据排水电流和排水电压分析的。制造了4–6 GHz混合低温HEMT LNA专为量子读数而设计的，并针对低于1 MW DC功率的最低噪声进行了优化。在4 K时测量的LNA的测量性能达到23.1 dB平均增益，平均噪声温度为200 µW DC功率。
监管框架和评估方法...
摘要 希望在未来二十年部署商业聚变设施的私营公司将面临各种技术、社会和经济挑战。这些公司还需要评估和制定适当的技术法规。对新技术的监管不足、过度监管或错误监管可能会危及长期的商业部署机会。及时评估和制定适当的监管要求对于未来二十年商业聚变技术的成功至关重要。然而，对新技术的监管要求的评估和制定通常基于先前的运营经验或类似技术的监管。这些评估和开发方法对商业聚变设施的适用性受到多种因素的限制，包括目前正在开发的聚变技术种类繁多、商业设计工作的初步性质以及商业聚变设施运营概念的有限表征。这项工作提出了一种初步的全面方法来评估和制定商业聚变技术的适当监管要求。基于技术基本危害的模型和方法用于帮助检查新技术的许可和监管，并提供有关如何更有效地评估和制定监管要求的见解。开发和介绍了不同的许可评估方法和监管框架，以提供有关这些监管决策对商业聚变技术的设计约束和监管负担的影响的见解。从这项工作中给出了关于选择许可评估方法和监管框架的具体见解。许可评估相关的见解包括大量氚库存与低监管负担许可评估方法的不兼容性、在聚变设施许可中考虑工程安全特征的设计优势和监管负担缺点，以及在开发商业聚变等新型复杂系统的操作要求时利用系统理论过程分析 (STPA) 的潜在优势。监管框架相关见解包括授权审查监管的潜在适用性