上海交通大学学报

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多源配网主动孤岛恢复过程电压频率波动的平抑方法

陈春, 高靖, 曹一家, 王炜宇, 赵龙

2022,56 (5): 543-553.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.418

摘要 ( 814 )

HTML ( 1031 )

PDF(4975KB) ( 730 )

多源配网主动孤岛恢复是极端条件下保障关键负荷供电的重要手段,有利于提高配电网的供电可靠性.主动孤岛恢复过程中存在负载和分布式电源组网瞬间产生暂态电压、频率波动的问题,影响孤岛安全稳定运行,严重时还会出现组网失败.为此,考虑储能系统功率响应的快速性,建立基于储能控制的主动孤岛动态组网电压、频率波动平抑模型,设计电压电流双环前馈扰动补偿控制系统,提出改进双环控制的储能系统矢量控制方法,解决了传统V/f控制电压偏移和电压波动过大问题.依据黑启动原则,利用MATLAB/Simulink软件搭建不同控制方式下的仿真模型,仿真结果表明:相较于采用传统V/f控制,基于矢量法的改进双环控制具有较强的抗干扰能力,能够明显改善孤岛黑启动自组网过程和孤岛并入主网瞬间的电压及频率波动,提高系统的动态响应性能.

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面向高比例新能源并网场景的风光-电动车协同调度方法

李林晏, 韩爽, 乔延辉, 李莉, 刘永前, 阎洁, 刘海东

2022,56 (5): 554-563.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.040

摘要 ( 837 )

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PDF(1648KB) ( 778 )

风光-电动汽车协同调度能够有效降低风光出力和电动汽车无序充电等多重不确定性对电力系统的不利影响.现有优化调度模型多以等效负荷波动最小为优化目标,仅考虑了等效负荷的整体波动性,无法衡量风光出力与负荷的匹配度且并未考虑不同出力场景下风光出力的差异性.针对上述问题,提出一种面向高比例新能源并网场景的风光-电动车协同调度方法.构建基于蒙特卡罗模拟的电动汽车无序充电模型;基于风光出力预测数据,构建基于Gap statistic和K-means++算法的风光出力典型日划分模型;以等效负荷方差和负荷追踪系数最小为双优化目标,构建风光-电动汽车协同调度模型,并采用NSGA-II算法求解.结果表明:所提模型能够有效提升风光出力与负荷的匹配度,降低等效负荷波动性,从而缓解风光出力和电动汽车无序充电等多重不确定性对电力系统的不利影响.

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面向多故障模式的多尺度相似性集成寿命预测

舒俊清, 许昱晖, 夏唐斌, 潘尔顺, 奚立峰

2022,56 (5): 564-575.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.024

摘要 ( 642 )

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针对传统相似性方法忽略设备故障模式、退化速度以及监测数据长度间差异性的问题,提出多故障模式下多尺度相似性集成(MFM-MSEN)方法,以提高寿命预测精度并表征预测不确定性.通过训练故障分类模型,设计时序加权预测策略,识别设备故障模式,实现训练与测试设备间的分类匹配并降低匹配复杂度.在此基础上提出多尺度集成策略,可克服单尺度方法的数据利用率限制,并增强预测泛化性能,在多个尺度上匹配健康指标间的相似性,进一步采用核密度估计集成多尺度预测结果,以高精度拟合剩余寿命概率分布.实验结果证明, MFM-MSEN方法具有应对设备退化差异的优越性.

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集成EBD和TRIZ的机电系统概念设计方法

邢璐, 华一雄, 张执南

2022,56 (5): 576-583.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.361

摘要 ( 759 )

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PDF(4844KB) ( 496 )

提出一种机电产品概念设计的创新方法,建立“需求-环境-冲突-原理解-解决方案”的设计逻辑.利用面向环境的设计方法识别设计需求与环境约束之间存在的矛盾,对需求与环境进行迭代分析,解耦复杂抽象的专业问题.根据发明问题解决理论生成原理解,得到针对具体需求的产品解决方案,确保了创新的方向性和产品设计方案生成的系统性以及设计流程的规范性.利用航空发动机气压可调静子叶片转轴衬套系统的摩擦磨损试验机设计案例,验证了所提设计方法的合理性和有效性.

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基于高阶复合曲面单元的非均匀大薄板装配偏差计算模型

林张鹏, 余海东, 袁可

2022,56 (5): 584-593.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.333

摘要 ( 606 )

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PDF(1933KB) ( 391 )

结构的刚度非均匀分布易导致非规则大型薄壁在加工和装配过程中产生翘曲大变形,其结构建模和变形精确计算是装配偏差预测及控制的关键.基于绝对节点坐标法,引入高阶斜率坐标并改进单元插值函数,考虑单元接触界面间连续性,构建一种非规则高阶曲面复合单元模型;采用该非规则高阶曲面单元建立复合单元组合离散非规则曲面结构,解决不同厚度单元间节点连接和变形耦合问题,并有效地描述非规则大型薄壁结构的大变形,基于连续介质力学建立非规则大型薄壁结构装配协调变形计算模型.对重型火箭贮箱箱底边缘区域加厚的超大型非规则薄壁结构进行装配过程变形计算,研究加厚区域尺寸与瓜瓣装配偏差以及结构刚度之间的关联关系,为未来重型火箭箱底超大非规则曲面结构设计提供指导.

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驾驶机器人转向操纵的动态模型预测控制方法

姜俊豪, 陈刚

2022,56 (5): 594-603.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.108

摘要 ( 676 )

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为实现驾驶机器人对试验车辆进行精确的转向操纵,提出了一种驾驶机器人转向操纵的动态模型预测控制方法.建立了驾驶机器人与被操纵车辆的耦合动力学模型,并对耦合模型的可控性进行判别.利用卡尔曼滤波器对耦合模型进行状态估计,并结合估计状态设计了模型预测控制器.将最小二乘法用于路径曲率与预测时域的非线性关系的拟合,设计了具有可变预测时域的动态模型预测控制器.进行了不同驾驶工况下的驾驶机器人转向操纵仿真与试验,研究结果表明了所提方法的有效性.

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基于外推高斯过程回归方法的发动机排放预测

王子垚, 郭凤祥, 陈俐

2022,56 (5): 604-610.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.231

摘要 ( 865 )

HTML ( 127 )

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为了提高训练集范围之外行驶工况的预测精度,提出外推高斯过程回归(GPR)方法.首先,采用训练集数据对GPR模型进行预训练,然后在正负3个标准差之间均匀采样构建宽域输入集,以该输入集的预测方差均值最小为目标优化GPR模型超参数.某直喷汽油机转毂试验的结果表明,外推GPR的平均绝对误差为0.53411,比传统GPR降低24.27%,比反向传播神经网络降低36.32%.所提方法可为降低试验成本,提高实际行驶过程排放预测精度提供参考.

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无油双涡圈空气涡旋压缩机的数值模拟及试验研究

孙健, 彭斌, 朱兵国

2022,56 (5): 611-621.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.115

摘要 ( 848 )

HTML ( 20 )

PDF(19911KB) ( 501 )

为了分析无油双涡旋齿压缩机工作腔内部流场的流动特性,基于计算流体动力学方法对压缩机工作腔内部流场进行了三维非稳态数值模拟;为了验证数值模拟与实际工作过程的偏差,搭建了以空气为工质的涡旋压缩机试验测试平台,得到了无油双涡圈压缩机的实际输出性能参数.研究结果表明:在相邻工作腔之间的质量交换,对工作腔内以及沿着齿高方向的温度和速度的分布影响较大,对压力的影响较小;进出口质量流量和流速呈周期性变化,压缩机转速越高,理论容积流量越大.

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变汽液比条件下高速燃油离心泵非定常特性分析研究

李嘉, 李华聪, 王玥

2022,56 (5): 622-634.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.092

摘要 ( 798 )

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PDF(19747KB) ( 438 )

为了明确高速燃油离心泵在汽液比变化下流场的非定常特性,以设计流量和小流量工况为例进行内流场数值模拟,重点分析叶轮流道内的非定常流动特点及压力脉动时频特性.给出汽液比与进口压力的映射关系以确定仿真边界,并对网格模型、仿真步长进行相关性检验.将仿真与试验结果对比,以验证仿真方法的有效性.随后,基于压力等值线和湍动能等分布结果分析其非定常流动特点,并利用快速Fourier变换对叶轮进口、出口的压力脉动进行时频特性转换.研究结果表明,在燃油饱和状态条件下,叶轮流道内的流动相对稳定,压力幅值主频为转频.随着汽液比的增加,叶轮进口产生了低压区且面积明显扩大,叶轮出口出现了不同程度的尾迹流,相同区域内的湍动能耗散率同样表现最为强烈.另一方面,随着汽液比的增加,叶轮进口压力逐渐降低,在设计流量下,微小的压力幅值主频为转频,而小流量下出现了其他倍频.同时,叶轮出口的尾迹流并未严重影响各监测点的压力幅值主频,此处压力幅值主频仍为转频.

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甲烷及掺氢燃气吹熄极限的大涡模拟研究

周希瑞, 王平, 曾海翔, 张洋, PRASHANT Shrotriya, ANTONIO Ferrante, 祁浩天

2022,56 (5): 635-647.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.329

摘要 ( 678 )

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PDF(10173KB) ( 375 )

利用大涡模拟法计算研究甲烷和掺氢燃气在悉尼非均匀入流射流燃烧器上的吹熄极限.利用GRI 3.0详细反应机理和28步、19步简化反应机理对比计算不同掺氢燃气状态下的层流预混火焰,证明了19步简化反应机理具有良好性能.利用动态增厚火焰燃烧模型结合19步反应机理,计算研究以掺氢燃气(体积比V(H₂):V(CH₄):V(CO):V(CO₂)=0.2:0.2:0.27:0.33)为燃料的悉尼部分预混中心射流火焰.计算得到在FA和FJ布局下,掺氢燃气的火焰吹熄极限速度分别为90 m/s和109 m/s,甲烷的火焰吹熄极限速度分别为74 m/s和128 m/s,分析发现吹熄极限的差异与不同布局下燃气与空气混合不均匀程度相关.研究表明,优化燃气与空气的进气布局和掺混过程可以提升燃烧稳定性.

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用于辅助柔性神经电极深度植入的槽形截面硅针的设计

贺雨欣, 张文光, 许李悦, 周旭晖

2022,56 (5): 648-655.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.341

摘要 ( 758 )

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PDF(2560KB) ( 397 )

针对柔性神经电极的深度植入屈曲问题,设计一种槽形截面硅针作为辅助植入工具,为电极植入提供暂时刚度.为定量化评价辅助工具的综合性能,结合临界屈曲力和截面积,综合考虑力学性能及生物性能,提出辅助工具的性能评价指数.基于该评价指数研究槽形截面硅针的最佳槽深比及槽宽比,其中最佳槽深比为工艺要求内的极大值,最佳槽宽比随着硅针厚度的增大而增大;利用性能评价指数定量证明相对于传统的圆形截面和矩形截面硅针,槽形截面硅针具有明显的性能优势.槽形截面硅针的仿真设计有利于筛选出截面最佳参数组合,减少加工数量,降低实验成本.

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疏浚泵内泥沙颗粒的瞬态追踪数值方法

郭涛, 刘明明, 曹蕾, 胡京招, 洪国军, 尤云祥

2022,56 (5): 656-663.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.437

摘要 ( 696 )

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PDF(14885KB) ( 600 )

为求解疏浚泵内沙粒的瞬态运动,以ANSYS Fluent的离散相模型为基础实现了一种修正算法.在稠密流动中以Lagrangian方法追踪沙粒时,引入用欧拉方法描述的粒-液两相求解得到的粒相体积分数以及Huilin-Gidaspow曳力模型,将先更新叶轮网格再求解沙粒运动的过程转变为叶轮网格与颗粒同步旋转后再求解颗粒相对运动的过程,以避免粒子在运动壁面上碰撞判定及反弹速度计算的错误.对比数值结果发现,改进算法能够在相近的计算时间下显著提高泵内颗粒运动的追踪精度.改进算法预测叶轮上的冲蚀磨损主要发生在叶片前缘偏上部位,冲蚀率峰值达7×10^-5 kg/(m²∙s)以上,这与真实磨损的位置和程度相近,验证了修正算法的有效性.

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孔隙率对环形阵列圆柱结构局部冲刷的影响

刘诗航, 娄晓帆, 唐国强, 王滨

2022,56 (5): 664-674.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.346

摘要 ( 689 )

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通过物理实验研究了群桩结构在单向流作用下的局部冲刷问题,重点关注群桩结构孔隙率对局部冲刷的影响作用.物理实验设置中,在群桩模型外直径固定的条件下,通过改变单桩的数量改变群桩结构的孔隙率,主要研究群桩孔隙率对局部冲刷平衡深度、范围及时间尺度的影响作用.结果表明:模型的孔隙率对群桩周围的冲刷有着显著的影响作用.当孔隙率p>0.7时,冲刷主要由单元桩周围的冲刷决定;当p<0.5时,冲刷趋向于与群桩外直径相等的单桩冲刷的模式;当 0.5<p<0.7 时,冲刷结果呈现由局部到整体的过渡模式.此外,平衡冲刷深度为p^0.67.

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沿海组合地层人工冻结过程中的水分迁移及变形特性

周洁, 任君杰

2022,56 (5): 675-683.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.057

摘要 ( 595 )

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在沿海上软黏下粉砂组合地层中进行人工地层冻结法施工时,粉砂土和软黏土在冻结过程中表现出的水分迁移和变形特性上的差异性不可忽略,是目前较多冻结法工程事故的根源.为了探明两者之间的差异性,通过自制单向冻结仪对原状上海第②₃层灰色粉砂土及重塑上海第④层淤泥质软黏土分别进行冷端温度为 -20、-15、-10 ℃的冻结试验,分析两种土在冻结过程中水分迁移及变形特征的差异.结果表明,粉砂土及软黏土的总变形曲线和分层变形曲线可按土性分为 I 类陡变型曲线(粉砂土)和 II 类缓变型曲线(软黏土),软黏土分层变形曲线在某些分层中还表现出较大的波动性.表明冻结过程中, 软黏土内部水分迁移充分发展,而粉砂土内部大部分水分迅速冻结,迁移不显著.两种土性表现出的变形曲线的差异性和冻结前后的水分分布曲线存在一致对应性.该研究成果可为沿海上软黏下粉砂组合地层冻结法实践中应对冻胀等工程问题的相关措施提出针对性建议.

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参数空间变异性下坝基防渗墙地震反应

张富有, 周强强, 杜鹏程

2022,56 (5): 684-692.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.242

摘要 ( 608 )

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堆石坝覆盖层土体类型复杂,结构松散且有时存在透镜体,使得覆盖层材料参数存在空间变异性,地震作用下对坝基防渗墙应力变形存在不可忽视的影响.在蒙特卡罗框架下,采用Cholesky分解的高斯空间随机场离散方法,利用Python对Abaqus进行二次开发,实现了覆盖层材料空间变异性的“非侵入式”随机有限元分析.研究结果表明:考虑覆盖层材料空间变异性的情况下防渗墙不同部位的应力变形均有不同程度的超标,且动应力的变异系数大于动位移的变异系数,显示覆盖层材料参数的变异性对防渗墙在地震作用下的应力变化更敏感.因此在设计阶段应考虑这种不确定性,以确保坝基防渗墙的安全运行.

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