《上海交通大学学报》2022年“交通运输工程”专题
基于包边模型几何尺寸定义胶层填充率,通过有限元-光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)法建立含胶包边工艺数值模拟模型,并与含胶包边实验进行对比验证,实现了折边胶直径、离边距、包边厚度对填充率影响的定量研究.研究结果表明:实验所得胶层流动、最终填充状态与数值模拟结果的一致性较好,实验所得胶层填充率与数值模拟结果吻合度较高,以此验证了数值模拟模型的可行性和准确性.进一步分析表明:折边胶直径、离边距、包边厚度对填充率的影响依次减小,并拟合得到填充率关于折边胶直径、离边距、包边厚度等工艺参数的关系式,为车身薄板含胶包边工艺的优化设计提供依据.
与传统桥梁抗震分析关注系统的相对运动不同,车-桥系统的抗震分析关注车辆系统的绝对运动,需考虑结构拟静力分量的影响.为探讨结构拟静力分量对中低速磁浮车-桥系统地震响应特性的影响,以某典型中低速磁浮线路为研究对象,考虑基于比例积分微分 (Proportional Integral Derivative, PID) 主动悬浮控制的磁浮车-桥耦合关系,采用相对运动法和直接求解法,分别在相对坐标系和绝对坐标系下建立中低速磁浮车-桥系统地震响应分析模型.在此基础上,重点探讨了结构拟静力分量对磁浮间隙、车辆系统以及桥梁结构动力响应的影响规律.结果表明:结构拟静力分量对车辆系统的动力响应影响较大,忽略结构拟静力分量会严重低估车辆的加速度响应,差异值最大可达447%;结构拟静力分量对桥梁结构位移响应的影响有限;建议采用考虑结构拟静力分量的绝对位移法处理磁浮车-桥系统中的地震输入.
海洋波浪会对船舶营运和安全产生不利影响,实时准确的随船海浪监测对绿色智能船舶及航行安全至关重要.利用船舶运动反演遭遇海浪信息是一种重要的随船海浪监测手段,具有成本低、时空分辨率高等诸多优点,受到广泛关注.针对现有船舶运动反演海浪模型存在的不足,提出了一种基于人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)的反演模型.以船舶摇荡运动时历作为输入,以波浪时历作为输出,利用人工神经网络进行船舶运动特征提取,输入线性函数进行波面时历反演.为验证反演模型的可行性和精度,开展了船模水池试验.结果表明,提出的基于人工神经网络的测波方法能够很好地实现规则波和不规则波浪时历反演,规则波反演统计误差大多小于10%,不规则波反演误差在10%左右.提出的方法为船舶运动反演海浪时域信息提供了一种有效可行的手段.
为探寻不同湍流模型对直航潜艇阻力和流场仿真计算的影响,基于STAR-CCM+平台,以标准潜艇模型Sub-off为几何研究对象,采用有限体积法结合10种湍流模型对Sub-off的水动力及流场特征开展数值仿真研究.首先,以LES-Smagorinsky湍流模型开展网格及时间步长收敛性计算.其次,选定合适的网格方案和时间步长,结合10种湍流模型开展特定工况下的仿真计算.最后,利用甄选好的湍流模型分析Sub-off的流场特征.结果表明:10种湍流模型在潜艇的水动力性能及流场特征的预报方面存在较大差异, LES-Smagorinsky湍流模型不仅能较好地预报潜艇的水动力性能及流场平均量,还能准确预报流场的二次量.
为提高长短时记忆神经网络对畸形波预报精度,研究了长短时记忆神经网络与卷积神经网络(Convolution Neural Networks, CNN)、经验模式分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)、差分自回归移动(Auto-Aggressive Integrated Moving Average, ARIMA)模型以及卡尔曼滤波 (Kalman Filtering,KF)方法4种组合模型预报方法.基于两个单峰型畸形波和一个三姐妹组合型畸形波实验数据,经过数据归一化、模型参数设置及误差评估建立了组合预报模型和预报.结果表明:4种组合模型预报精度在所研究的3个畸形波序列预报中精度都得到了显著提高,其中与CNN组合模型的预报精度最高.组合模型方法为提高畸形波预报精度提供了可行方案.
在门盖件滚压成形中,非金属折边胶层以及轻质金属与折边胶的交互作用影响门盖的制造精度和性能,为汽车车身薄板含胶滚压成形及其质量控制研究带来显著困难.为此,建立基于有限元-光滑粒子流体动力学法(FEM-SPH)的铝合金薄板含胶滚压成形数值分析模型.利用SPH模拟折边胶挤压流动过程,结合FEM建立含胶薄板的滚压仿真模型.搭建含胶铝合金薄板的两道次滚压成形实验平台,以滚边损耗量和表面波浪系数为滚压成形质量指标,分析验证数值模型的有效性.基于正交试验法研究首末道次之间的质量变化,以及影响质量的关键工艺参数.结果表明:与首道次相比,末道次的滚边损耗量降低、表面波浪系数变小;影响表面波浪系数的工艺参数由大到小依次为翻边高度、圆角半径、TCP-RTP值、滚轮直径;影响滚边损耗量的工艺参数由大到小依次为TCP-RTP值、圆角半径、翻边高度、滚轮直径.构建的滚压成形质量与工艺参数之间的拟合关系能够支持含胶铝合金薄板的滚压成形质量预测.
地面堆载对地下既有隧道的安全稳定影响显著,软黏土地区相关规范对堆载引起的隧道位移限制十分严格.为了准确评估软黏土地区地面堆载对隧道位移的影响,首先通过离心模型试验研究了地面堆载对隧道位移和土体变形的影响规律,然后基于离心模型试验建立了相应的有限元模型,通过室内土工试验确定了土体本构模型的参数取值,从土体应变和剪切刚度等方面对比分析了HS模型和HSS模型在研究软黏土地层地面堆载问题中的适用性.在此基础上,综合考虑堆载规模和隧道位置等参数,进一步探讨了地面堆载对软黏土地层变形和隧道位移的影响,相关研究成果可以为工程设计提供参考.
为解决长距离盾构隧道项目单台盾构掘进工期过长的问题,以上海市域铁路机场联络线某区间隧道为示范应用工程,开发了基于推进系统油压主动控制理念的盾构推拼同步施工技术.其原理为通过充分利用轴向插入封顶块产生的推进油缸行程富余量进行管片拼装作业,单环管片的作业时间理论上可缩短31.6%.为验证推拼同步技术的可行性与可靠性,构建超大直径盾构推拼同步技术模型试验平台,给出了推拼同步过程中缺失顶力的再分配计算方法,并对该技术进行了模型试验验证.试验结果表明:模型盾构机执行机构响应迅速,推进系统油缸压力和总顶推力误差均控制在±2%以内;盾构姿态偏差控制在±6 mm范围内,盾构推进速度误差范围为 -2~4 mm/min;管片结构受力安全,设计覆土33 m条件下管片抗压安全系数可达1.68.
为了研究移动列车荷载下黄土地区某铁路专用线动力响应规律,结合现场测试数据及2.5D有限元计算结果评估了新建货运线路和临近既有线列车运行情况下路基动应力分布规律及影响深度,讨论了沿线办公区环境振动规律.结果表明,轨道系统的过度抽象会导致路基内部动应力幅值和影响范围偏大,道砟-枕木-紧固件系统的实体化建模使得路基内部动应力分布更为合理.路基处于拟静力状态时动力蠕变引发的能量消耗对路基动力响应的影响可以忽略.货运列车低速运行时,车速对路堤内部动应力分布影响微弱,动应力影响深度约为4.2 m.此外,车速越低,轨道不平顺对场地环境振动的影响越明显.改善轨道短波不平顺是控制环境振动的有效措施.
大型邮轮是一种大尺度、高附加值船型,近年来得到越来越多的研究与开发.由于大型邮轮经常航行于港口、沿岸等繁忙水域,研究其与其他船舶的水动力相互作用,对保证其航行安全至关重要.以一艘大型邮轮和一艘KCS集装箱船为研究对象,通过求解非定常RANS方程,在模型尺度下预报了两船在深水、浅水中不同纵向位置、不同横向位置以及不同航速下的水动力特性,确定了两船之间水动力相互作用的变化情况.结果表明,不同的相对位置和航速均对两船的横向力和转首力矩有明显影响,浅水下两船的相互作用更加明显,且KCS船更易受到船-船相互作用的影响.
加筋板是典型船体承载构件,考虑火灾高温作用下材料性能的变化,根据热弹塑性有限元理论,基于名义升温曲线,研究防火涂层对加筋板结构高温响应特性和剩余强度的防护作用以及涂敷位置对加筋板失效模式的影响,为结构性能评估和结构防火设计提供参考.数值分析表明:防火涂层能有效减缓结构升温诱发的应力升高和挠度增加;整体涂敷不改变结构整体屈曲伴随加强筋侧倾的失效模式,而显著推迟了失效时间,对保持结构高温剩余强度有明显效果;局部涂敷会改变结构的失效特性,仅带板涂敷下发生整体失效,仅加强筋涂敷下发生梁柱型失效伴随腹板的局部屈曲;整体涂敷对加筋板剩余强度的防护效果最佳,仅带板涂敷次之,而仅加强筋涂敷的防护能力较弱,局部涂敷的防护性能主要取决于结构的受热和失效模式.
为了解决船型优化中仿真计算复杂耗时的问题,基于自适应采样的近似模型技术的应用日益广泛.基于Kriging近似模型和留一法误差,发展了一种基于均匀设计的最大熵自适应采样方法.通过与基于增量拉丁超立方方法进行对比,所提方法得到的自适应样本分布更加均匀,并且其全局近似模型精度更高.将所提方法应用于S60的船型优化中,很好地验证了该方法的有效性.
针对自主水下机器人(AUV)面向海底起伏地形跟踪的实际应用需求,设计了基于预设性能制导律的鲁棒时滞跟踪控制器,实现执行机构时滞下的AUV起伏地形跟踪,同时可提升其航行安全性能.首先,基于航行安全性能函数对地形跟踪误差进行转换,结合时变视线制导角在运动学层面设计了预设性能制导律,为AUV动力层提供参考状态输入.其次,为处理执行机构时滞问题并降低精确建模需求,结合径向基函数(RBF)神经网络设计了鲁棒时滞动力学控制器. 最后,采用李雅普诺夫理论证明了基于预设性能制导律的鲁棒时滞跟踪控制系统闭环稳定性.仿真结果表明:所设计的控制器可实现AUV起伏地形鲁棒跟踪,且瞬态跟踪误差时刻处于预设性能范围之内,可提升AUV在跟踪海底起伏地形时的航行安全性能.
针对码头运营商与船公司间签署船舶到港多时间窗、多起讫时刻和多装卸速率合作协议下的集装箱班轮运输船期设计和加油策略联合优化问题,考虑各加油港燃油价格差异和折扣因素,建立了以班轮运输服务总成本最小化为目标的船期设计和加油策略非线性混合整数规划模型,结合船舶驾驶操控实际,设计了离散化和线性化模型求解技术方法.以中国远洋海运集团有限公司AEX1航线为例进行了大量模拟验证.算例结果显示,船期设计和加油策略联合优化有助于船公司灵活地调整船舶航速,可显著降低班轮运输服务总成本.敏感性分析表明,随着合作协议中船舶到港时间窗长度的扩大,班轮运输服务总成本和船舶航次加油量都随之降低;无论燃油价格如何变化,船期设计和加油策略联合优化都能有效降低班轮运输服务总成本.
异质材料结构兼具成本和性能优势,是新一代车身门盖件轻量化的重要手段.但板材物理特性差异和胶材料属性的复杂变化,易导致结构固化失配变形.为消除结构变形,提出变形预测与曲面重构预补偿方法.构建循环温度载荷下的热-化学-结构耦合场预测模型,考虑折边胶在全固化周期内材料特性转变的影响,包括固化度、化学缩变和应力松弛.以典型铝/钢薄板曲边滚合结构为研究对象,仿真分析多物理场固化过程,对铝合金外板变形量进行预测,并利用非接触式数字图像相关法测量实验进行验证.对固化变形进行几何补偿,对比分析约束方向、连线方向和法线方向补偿的效率,并实验验证方法的可靠性.研究表明:与传统黏弹性模型相比,构建的多物理场耦合模型能够更准确地反映异质滚合结构高温固化变形;基于非均匀有理B样条曲面重构的几何补偿法能够有效降低结构固化变形;法线方向补偿法的效率更高.研究结果为新一代异质车身门盖件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考.
《上海交通大学学报》2022年“交通运输工程”专题
