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2021年, 第55卷, 第11期 刊出日期:2021-11-28 上一期   
近失速形态下冰脊分离非定常流的IDDES和模态分析
谭雪, 张辰, 徐文浩, 王福新, 文敏华
2021,55 (11):  1333-1342.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.427
摘要 ( 73 )   HTML ( 4 )   PDF(15798KB) ( 106 )  

采用改进延迟脱体涡模拟 (IDDES) 方法,对近失速条件下溢流冰脊诱导的剪切层振荡现象进行高分辨率模拟,描述高雷诺数下冰脊分离流大尺度分离的流场演化特征.研究表明,近失速形态下,冰脊和下翼面尾缘同时诱导出剪切流动,冰脊诱导的剪切层并未再附到壁面,与下翼面上洗流动相互干扰,形成大尺度低能态结构.结合频谱分析进一步发现,剪切层内的压力脉动存在两种典型的脉动频率,与Kelvin-Helmholtz不稳定性相关,具体表现为涡配对和涡脱落.基于正交分解得到的压力脉动主导模态为剪切层之间的大尺度相干结构.主导模态的时间系数与升力系数的功率密度谱峰值保持一致,这说明尾缘区大尺度相干结构与升力波动具有相关性.

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压气机退失速控制的数值仿真
高原, 吴亚东, 欧阳华
2021,55 (11):  1343-1351.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.261
摘要 ( 35 )   HTML ( 4 )   PDF(12908KB) ( 3 )  

为了探究退喘阀快速开启时退失速有效性和稳定性的影响因素及其流场机理,对退失速的动态过程进行了数值仿真,并比较了不同放气速度的退失速过程.使用了两种数值模拟方法:分布式变转速MG(Moore & Greitzer)模型和RANS(雷诺平均Navier-Stokes)方程.两者对性能曲线的预测在趋势上吻合较好.RANS结果显示,以不同速度开阀,退失速过程流场变化本质上相同,扰动受由入口产生的高速气流影响向下游迁移,并最终位于转子前缘平面,其尺度会随着轴向高速气流的冲击进一步减小直到完全消散.对比不同开阀速度可知,开阀越快,入口产生的高速气流越强,使得退失速时间越短;扰动削弱程度越大,扰动的周向传播速度越快,越接近转子转速.开阀过程中,气流波动会更剧烈,能量损失更多.

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高超声速飞行器表面吸附特性对多相催化过程影响的数值模拟
李芹, 杨肖峰, 董威, 杜雁霞
2021,55 (11):  1352-1361.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.288
摘要 ( 37 )   HTML ( 2 )   PDF(3404KB) ( 17 )  

针对表面催化效应对高超声速飞行器气动热影响显著且难以准确预测的问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,建立了含物理/化学吸附、Eley-Rideal(ER)和Langmuir-Hinshelwood(LH)复合的有限速率四步表面多相催化模型.基于该模型进行了高超声速圆柱绕流数值模拟,分析了物理和化学吸附位覆盖率对高焓空气流场表面催化反应速率和气动热的影响.结果表明:所发展的催化模型可有效提升气动热预测精准度;受各吸附、复合反应过程的交叉影响,表面覆盖率对气动热的影响是非线性的.所建模型基于真实的物理过程,能够反映材料催化属性的差异,可为高超声速飞行器热防护系统的轻量化、低冗余设计提供理论支撑.

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飞机地面除冰资源协同控制
李彪, 王立文, 邢志伟, 王思博, 罗谦
2021,55 (11):  1362-1370.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.342
摘要 ( 36 )   HTML ( 4 )   PDF(1454KB) ( 32 )  

针对多并行除冰任务下分布式资源协同能力较弱及均衡性低的问题,结合机场除冰资源配置及时空分布状态,提出了一种基于多Agent协商的飞机地面除冰资源协同控制方法.建立了多Agent除冰资源协同运行框架,设计了面向全局协同联合体招投标机制的资源优化方法,提升了整体任务均衡性.在协同运行方案的基础上构建自治多Agent协同优化模型,采用加入决策因子的模型预测控制方法生成自治协同控制策略,并面向实际场景验证所提方法的可行性.结果表明,基于优化方案生成的初始化协同控制策略容错时间均值达4.89 min,与其他传统方法相比,平均起飞容限最大提升1.015 min,平均利用率增加15.28%,保证了除冰资源的安全性及协同性.

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饱和砂土-结构物接触面强度特性的三轴试验方法
刘世奥, 廖晨聪, 陈锦剑, 叶冠林, 夏小和
2021,55 (11):  1371-1379.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.299
摘要 ( 39 )   HTML ( 4 )   PDF(5166KB) ( 7 )  

提出一种利用三轴仪分析应力路径及结构物粗糙度对饱和砂土和结构物接触面强度特性影响的试验方法.通过制作含一定倾角斜面结构物的三轴试样,使得剪切过程中土体沿预设破坏面发生滑移, 结构物斜面粗糙度可进行控制调整.利用三轴仪控制轴压和围压变化,实现不同应力路径下的加载.对饱和福建标准砂和不同粗糙度钢结构物进行不同应力路径下固结排水剪切接触面试验,并对比接触面直剪试验,验证了该方法的有效性.结果表明:在滑动刚发生时,三轴试验常法向应力剪切路径下接触面摩擦角小于常规剪切路径下的接触面摩擦角.光滑情况下,接触面直剪试验所得摩擦角比三轴试验所得摩擦角小30%~40%.粗糙情况下,直剪试验所得接触面摩擦角略小于三轴试验摩擦角,且更接近于常法向应力剪切路径下的摩擦角.

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基于风险的超高层施工钢平台疏散模型及应用
华莹, 何军, 赵金城, 邹杰新, 张菁菁, 阮诗鹏
2021,55 (11):  1380-1391.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.251
摘要 ( 32 )   HTML ( 3 )   PDF(29439KB) ( 3 )  

整体钢平台模架体系在超高层建筑施工过程中应用广泛,复杂的施工环境为施工人员带来了高度的风险,有必要建立基于风险随机性的超高层建筑施工钢平台人员疏散模型.首先,考虑危险源在钢平台的空间分布划分危险区域,通过风险调研问卷收集专家数据从而建立风险联合概率评估模型;然后,基于元胞自动机地面场模型将风险评估与人员疏散结合,对钢平台施工人员的疏散过程进行仿真;最后,将该模型应用于某实际超高层建筑施工项目中.结果表明:钢平台顶层及下层危险区域对施工人员疏散的影响程度受出口大小的影响显著.模型为经验导向的施工现场安全预警和人员管控提供了新范式,对整体钢平台模架体系的安全运维具有重要的理论和应用价值.

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转轮辅助空气取水流程优化及性能分析
涂壤, 刘孟丹, 王思琪
2021,55 (11):  1392-1400.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.193
摘要 ( 76 )   HTML ( 2 )   PDF(1225KB) ( 29 )  

针对干燥地区淡水缺乏问题,设计一种用于干燥地区的转轮辅助空气取水机组.以小时取水量为指标,在典型工况下优化转轮加湿流程,包括被加湿和被除湿空气流量比、级数及再生温度.基于三级加湿流程计算理想条件和实际热力学循环条件下的系统能耗,并在相同小时取水量前提下,以取水能效为指标,与直接冷却法进行对比.结果表明:该方法取水能效远高于直接冷却法,所研究工况下,小时取水量为15.8~30.9 kg/h,取水能效为1.3~2.1 kg/(kW·h),利用太阳能替代热泵加热后,取水能效可提升至3.3~4.4 kg/(kW·h).所提方法可有效丰富干燥地区淡水资源.

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大藤峡人字闸门智能监控微机电系统传感器
谢子仪, 段力, 翁昊天
2021,55 (11):  1401-1407.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.102
摘要 ( 28 )   HTML ( 3 )   PDF(10442KB) ( 4 )  

底枢轴承作为重要水利结构的支撑与转动构件,其在转合操作中造成的磨损直接影响闸门的正常运作和可靠性.在恶劣的深水工作条件下,为了更好地监测轴承磨损量,利用微机电系统,设计一种新型的薄膜电阻型磨损量传感器;进行磨损量测量表征实验,并利用计算机仿真建模进行磨损量实验模拟;具体分析不同工况下的测量电阻与磨损参数之间的关系.结果表明:该传感器的制作和安装过程具有一定的可行性;实验与仿真结果基本吻合;在工况允许范围内,电阻越大,磨损量的测量精度越高.该传感器有望应用于大藤峡人字闸门底轴枢纽的智能监控,实现21世纪水利枢纽工程的物联网与智慧管理.

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基于无监督迁移学习的电梯制动器剩余寿命预测
姜宇迪, 胡晖, 殷跃红
2021,55 (11):  1408-1416.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.175
摘要 ( 30 )   HTML ( 2 )   PDF(3468KB) ( 9 )  

为了改善电梯制动器在真实工作环境下的寿命预测效果,提出一种基于长短期记忆网络自编码器(LSTM-ED)的无监督深度迁移学习方法,利用仿真数据实现制动器在工作时的健康状态分析.利用源领域数据初步训练LSTM-ED和全连接网络;以LSTM-ED为特征提取器,将仿真和实际数据映射到特征空间并利用最大平均差异实现数据对齐;利用全连接网络回归特征空间中的目标领域数据,从而实现对制动器在真实工作环境下的剩余生命周期预测.在训练阶段中,采用分步训练法替代传统的联合训练法,以保证单个模块的准确性.对比试验仿真数据与电梯塔中的实际工作数据,以验证方法的有效性.结果表明:通过引入迁移学习和分步训练法,所提方法可以将剩余生命周期预测的均方误差降低至 0.0016,能够实现电梯制动器在真实工作环境下的剩余生命周期精准预测.

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基于GSFA-GNPE的动态-静态联合指标间歇过程监控
赵小强, 牟淼
2021,55 (11):  1417-1428.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.290
摘要 ( 92 )   HTML ( 2 )   PDF(2334KB) ( 31 )  

传统的过程监控方法忽略了变量间的时序相关性,且没有区分变量间的动态关系与静态关系,从而导致监控效果不佳.针对此问题,本文提出一种基于全局慢特征分析(GSFA)-全局邻域保持嵌入(GNPE)的动态-静态联合指标间歇过程监控方法,该方法可以有效提取动态全局特征和静态全局特征.首先,对过程变量的动态特性和静态特性进行评估,把自相关和互相关性较弱的变量视为静态变量,剩余变量视为动态变量;其次,分别对动态子空间和静态子空间构建GSFA和GNPE模型;然后,对来自每个子空间的统计信息使用贝叶斯推理进行组合,以得出混合模型的联合指标实现过程监控;最后,将所提算法应用于数值算例和青霉素发酵仿真过程进行仿真验证.结果表明,GSFA-GNPE算法相较于其他算法的故障检测效果更好.

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基于灰色理论的大型舰船结构重构方法
王志凯, 陈锦, 姚熊亮, 姜子飞
2021,55 (11):  1429-1437.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.056
摘要 ( 31 )   HTML ( 2 )   PDF(3978KB) ( 7 )  

针对国外大型舰船的重构问题,采用灰色理论方法,以舰船设计规范中的数据为样本,得出了大型舰船部分型材的间距和最小板厚.利用灰色理论在处理少数据、不确定性问题上的优势,对不同船长舰船与其相对应的型材参数进行了灰色建模,并与国外大型舰船的资料进行了对比验证.结果表明:该方法在计算与总纵强度关联性强的结构参数时具有较高的准确性,在计算以局部强度为主要考虑因素的结构参数时会产生一定偏差,这是因为作为建模参考量的船长参数与总纵强度的关联性较强,通过计算结构参数与船长间的灰关联度对这种偏差的大小进行了描述,所得结果具有工程应用价值.

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基于MSOP的蒸汽动力系统单参数运行稳定性评估方法
郑奕扬, 倪何, 金家善
2021,55 (11):  1438-1444.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.256
摘要 ( 32 )   HTML ( 2 )   PDF(972KB) ( 7 )  

针对当前蒸汽动力系统缺乏有效稳定性评估方法的问题,提出一种适用于单个运行参数的稳定性评估方法.该方法是一种复合评估方法,首先综合运用中值回归经验模态分解和奇异值分解,对运行参数的时间序列进行分解并提取其隐藏的趋势项,然后依据各分量的最佳算法参数排列熵选取分量进行重构,最后通过非平稳时间序列分析中常用的整合滑动平均自回归模型预测趋势项和扰动项的走势并提取两者的分布特征,进而计算得到运行参数在预测趋势上各点的失稳概率并由此对其稳定性进行定量评估.经实际案例验证,证明该方法能够有效评估蒸汽动力系统单参数的运行稳定性,具有一定的理论创新性和工程应用价值.

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3D电子封装锡晶须建模与实验验证
王泽坤, 张福曦
2021,55 (11):  1445-1452.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.017
摘要 ( 27 )   HTML ( 3 )   PDF(5353KB) ( 22 )  

压应力释放和原子扩散对3D电子封装中晶须的生长具有重要影响,压应力也是动态再结晶(DRX)的主要因素之一.利用基于有限元的锡晶须生长机理和行为的数学模型,仿真研究具有典型物理尺寸和结构形状的3D电子封装锡层在硅衬底上形成晶须的过程,实现对晶须的定性分析和生长趋势推演;通过控制实验背景氩气体压力、热循环温度和循环周期等关键参数,构建外部因素和镀层薄膜中内压应力与晶须生长速度、长度和密度的加速试验系统;利用扫描电子显微镜观察和检测晶须生长速度和密度变化,并与仿真结果对比,验证压应力释放、原子扩散和DRX在3D电子封装锡晶须生长数学模型中的有效性,实现对晶须的定量描述,对减少未来3D封装微结构图形设计中的晶须问题提供建设性建议.

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韧带型声子晶体狄拉克锥特性研究
陈炉云, 王健, 崔益烽, 孔慧
2021,55 (11):  1453-1458.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.242
摘要 ( 32 )   HTML ( 2 )   PDF(3251KB) ( 11 )  

声子晶体的能带结构特性是评估声学超构材料减振降噪性能的重要指标.以二维六韧带手性声子晶体为例,对其能带结构和狄拉克锥特性进行数值分析,在声子晶体布里渊区中心处获得四重偶然简并狄拉克点.通过调整韧带的设计参数,实现对双狄拉克锥的打开,形成新的定向带隙.研究韧带参数与定向带隙宽度的关系,并进一步讨论能带结构反转问题.研究成果可为手性声子晶体在弹性波操控和声学拓扑绝缘体的应用提供技术支持.

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复合材料层压板冲击后压缩强度拟合模型
管清宇, 夏品奇, 郑晓玲, 吴光辉
2021,55 (11):  1459-1466.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.360
摘要 ( 32 )   HTML ( 2 )   PDF(4702KB) ( 18 )  

碳纤维增强的环氧树脂复合材料广泛地应用于飞机的主要承力结构,其冲击后压缩强度是损伤容限评估的重要内容.目前工程上主要利用大量试验获取冲击后压缩强度,对此需要开发一套简便的数学模型以描述冲击后压缩强度规律.提出一种全新的用于拟合复合材料层压板冲击后压缩强度数据的数学模型.采用该模型和初始模型参数,可以将不同冲击能量下的冲击后压缩强度数据转化为某一等效无损伤压缩强度数据,进而采用极大似然估计法对其进行正态分布拟合,得到正态分布的标准差.重复以上步骤,直至获得标准差的极小值,即可确定冲击后压缩强度数据拟合模型参数的最佳估计值.为了进一步表明该模型的适用性,进行不同厚度、铺层比例和材料类型的冲击后压缩试验,并采用该模型拟合试验数据.结果表明该模型对不同厚度、铺层比例和材料类型的冲击后压缩试验数据均具有较好的适用性.

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摆动柔顺式吊钩结构参数的多目标优化
葛世程, 郭着雨, 梁熙, 莫宗来, 李军
2021,55 (11):  1467-1475.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.283
摘要 ( 38 )   HTML ( 2 )   PDF(1931KB) ( 19 )  

针对目前野战火箭炮发射箱装填过程的对准问题,提出一种新型末端执行机构——摆动柔顺式吊钩,并对其结构参数进行优化.首先,基于节点位移法建立描述摆动柔顺式吊钩性能的理论模型,并通过MATLAB分析摆动柔顺式吊钩的静态位移、静态应力和摆动曲线,验证模型工作的合理性.同时,采用实验设计方法筛选影响摆动柔顺式吊钩性能的主要结构参数,并建立表征摆动柔顺式吊钩综合性能的响应面模型.优化结果表明,当柔性机构长度为90 mm,其安装高度为23 mm,吊钩末端高度为110 mm时,摆动柔顺式吊钩在对接、起吊、转运和落装时的性能最优.

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QP980钢拉伸过程的晶体塑性模拟
杨浩, 汪华苗, 李大永
2021,55 (11):  1476-1482.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.391
摘要 ( 32 )   HTML ( 2 )   PDF(8205KB) ( 4 )  

淬火配分QP980钢变形过程中存在马氏体相变,对材料的力学性能产生明显影响.通过电子背散射衍射方法表征了QP980钢变形前后的微观组织,基于马氏体相变晶体学唯象理论建立了考虑相变的弹-黏塑性自洽多晶体塑性模型,模拟了QP980钢在单向拉伸过程中的宏观流动应力和织构演化.材料初始包含铁素体(F)、马氏体和残余奥氏体(RA),各相均为轧制织构,变形后残余奥氏体含量明显减少,残余奥氏体的<111>丝织构、铁素体和马氏体的<110>丝织构在拉伸方向有明显增强.相变提高了材料的强度和加工硬化率,但对各相的织构演化影响很小.根据计算变形过程中应变和应力的分配情况,铁素体和回火马氏体对变形起主要作用,变形过程中新生马氏体的应力最大,成为断裂的潜在萌生点.

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基于滑动Kriging插值的EFG-SBM求解含侧边界的稳态热传导问题
王峰, 陈佳莉, 陈灯红, 范勇, 李志远, 何卫平
2021,55 (11):  1483-1492.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.215
摘要 ( 58 )   HTML ( 2 )   PDF(1618KB) ( 13 )  

采用基于滑动Kriging插值的无单元伽辽金比例边界法(EFG-SBM)求解侧边界有温度载荷的稳态热传导问题,该方法通过无单元伽辽金法(EFG)和滑动Kriging插值离散环向边界.由于滑动Kriging插值形函数具备Kronecker delta函数插值特性,克服了移动最小二乘逼近难以直接准确施加本质边界条件的不足.作为一种新型的边界型无网格法,EFG-SBM兼有EFG法和比例边界有限元法(SBFEM)的优点.该方法继承了SBFEM的半解析特性,通过引入比例边界坐标系,可将偏微分控制方程环向离散,径向上解析求解.与传统的SBFEM相比,环向边界通过节点进行离散,前处理和后处理简便.通过数值算例可以看出,相比基于拉格朗日多项式的SBFEM,基于滑动Kriging插值的EFG-SBM计算精度更高.相比有限元法(FEM),该方法能更好地反映尖角处热奇异性以及无限域温度分布状态.

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创新设计
基于协同控制的自重构平台算法及试验验证
于特, 王磊
2021,55 (11):  1493-1498.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.415
摘要 ( 70 )   HTML ( 2 )   PDF(5600KB) ( 47 )  

提出一种用于构建新型海上平台的方法.基于多无人船的协同控制实现自重构海上平台,该平台可以根据需求对接成不同形状,并设计旁靠控制器使得无人船进行旁靠对接;采用电磁和连接杆实现对接,同时降低对接难度.利用水池条件构建试验场地,并进行模型试验验证该自重构平台的功能.结果表明:同构的无人船设计使得任意无人船均可以实现对接.与单一海上平台相比,该自重构平台可以完成更复杂的任务,分散的去中心化设计使其更具灵活性和可靠性.

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