上海交通大学学报

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基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化

占玲玉, 何文君, 周岱, 韩兆龙, 朱宏博, 张凯, 涂佳黄

2023,57 (8): 939-947.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.182

摘要 ( 301 )

HTML ( 33 )

PDF(9027KB) ( 345 )

研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.

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交变工况下深海装备机械密封端面温升和磨损特性

郑思敏, 滕黎明, 赵文静, 江锦波, 王梦娇, 彭旭东

2023,57 (8): 948-962.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.528

摘要 ( 399 )

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PDF(18085KB) ( 173 )

为了研究深海复杂恶劣工况对深海涉水装备动力装置的影响,以深海推进器用接触式机械密封为研究对象,建立其二维轴对称有限元模型,探究了交变工况对密封端面温升的影响;在自行搭建的试验台上进行了机械密封拟实工况试验,监测了端面温升情况,测量并分析了端面形貌及磨损特性.结果表明:交变工况对密封环温度场有显著影响,且端面温升呈现明显的交变瞬态特性;交变工况试验后动环端面粗糙度显著增大,工况瞬变使得端面接触状态不稳定,端面发生磨粒磨损,出现明显的凹坑和深浅不一且密集分布的犁沟;交变转速较交变介质压力对端面温升及磨损的影响程度更大.数值模拟与试验结果趋势吻合良好,为深海推进器机械密封结构设计提供必要的理论指导及试验依据.

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一种CNN-LSTM船舶运动极值预报模型

詹可, 朱仁传

2023,57 (8): 963-971.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.089

摘要 ( 371 )

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PDF(2516KB) ( 545 )

针对船舶摇荡运动的短期极值预报,提出一种融合运动频谱信息的滑动窗口方法提取特征数据,在此基础上构建卷积神经网络(CNN)与长短时记忆(LSTM)网络的组合预报模型,其中CNN模块针对输入数据的局部相关特征,LSTM模块针对数据的时间维度特征.对S175船进行运动仿真测试,结果表明,该模型对未来1~2个周期内的运动极值信息预报效果良好,各项评价指标均明显优于LSTM和门控循环单元(GRU)模型,具有重要的应用价值.

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船舶纵向运动多输入多输出不稳定系统的非线性反馈控制

曹添, 张显库

2023,57 (8): 972-980.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.076

摘要 ( 176 )

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PDF(2694KB) ( 217 )

为了提高多输入多输出(MIMO)不稳定系统控制器的鲁棒性与节能效果,以大连海事大学教学实习船“育鲲”轮在波浪上纵摇和升沉运动的数学模型为研究对象,将数学模型的分子分母具有不稳定零极点过程使用根轨迹成形技术以及引用数学工具加权矩阵将其根轨迹拉到左半平面.之后运用闭环增益成形算法设计控制器的思路,以成形后的模型用一阶闭环增益成形算法设计鲁棒控制器,再引入双极性S函数驱动的非线性反馈代替原有的误差线性反馈.从仿真结果可以看出,在模型产生摄动时,非线性反馈控制改进了升沉和纵摇,控制能量大幅减少,对模型干扰具有鲁棒性能.该方案求解过程简单,并且整个系统控制器与被控对象物理意义明确,设计所得的控制器阶次较低,且补充完善了MIMO不稳定系统的控制器设计方法.

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一种改进GPU加速策略在光滑粒子流体动力学方法中的应用

管延敏, 杨彩虹, 康庄, 周利

2023,57 (8): 981-987.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.209

摘要 ( 236 )

HTML ( 11 )

PDF(1925KB) ( 234 )

为解决粒子的无序化易引起的图形处理器(GPU)内存访问冲突问题和提高计算效率,通过建立粒子重排序技术提出了一种改进的GPU加速策略.将该加速策略应用于光滑粒子流体动力学(SPH)方法中对三维带障碍物溃坝进行模拟,并与实验结果对比对算法进行验证,获得了较高的计算精度.基于此算例,通过在不同硬件设施上进行模拟分别对粒子重新编号的效果和算法的求解效率比较研究.结果表明,粒子重新编号技术可以保证稳定的单步运行时间,能够有效解决GPU-SPH算法显存访问冲突问题;该GPU加速的SPH并行算法能够大幅提高SPH方法求解效率,随着粒子数量的增加,其大幅缩短计算时间的优势愈发明显,为扩大SPH方法解决三维数值模拟的适用性提供了可能.

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基于浸入边界法的高解析度CFD-DEM流固耦合方法

毛佳, 肖景文, 赵兰浩, 底瑛棠

2023,57 (8): 988-995.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.095

摘要 ( 380 )

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PDF(11088KB) ( 337 )

根据流固耦合问题的普遍性,提出了基于浸入边界法的高解析度计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合方法.新方法采用基于欧拉框架的计算流体力学方法描述流体的运动,采用基于拉格朗日框架的离散元法描述固体的运动及碰撞,在离散单元的表面布置浸入边界点,解决固体运动过程中与流体间的移动且未知的边界问题.为验证方法的准确性,模拟了圆柱绕流涡激振动、方块驰振两个经典算例,计算结果与数值解吻合度高,说明新方法能够准确描述流固耦合作用.最终,将该方法应用于多块体沉降的模拟,结果表明新方法能够反映流场的复杂变化,有效处理包含大量任意形状离散块体碰撞的流固耦合问题.

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考虑下机约束的精轧机组工作辊机会维护建模

贲旭瑞, 周晓军

2023,57 (8): 996-1004.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.021

摘要 ( 154 )

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PDF(1449KB) ( 148 )

以钢铁精轧机组工作辊为对象,综合考虑轧辊磨损、机组两类故障、辊缝质量控制对故障损失、轧件质量损失与维护成本的影响,构建单辊维护模型以实现单辊维护周期的动态决策.在此基础上,考虑各轧辊磨削周期不同、下机周期相同、下机计划允许小幅调整等特殊场景,提出工作辊动态机会维护策略并构建决策模型,优化精轧辊组工作辊机会维护方案.实例分析表明,与传统的时间窗策略相比,动态机会维护策略在降低工作辊维护成本方面更具优势.

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基于概率稀疏自注意力的IGBT模块剩余寿命跨工况预测

钟智伟, 王誉翔, 黄亦翔, 肖登宇, 夏鹏程, 刘成良

2023,57 (8): 1005-1015.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.538

摘要 ( 467 )

HTML ( 13 )

PDF(5921KB) ( 310 )

为提高绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块跨工况剩余寿命的预测精度以提升其可靠性,针对不同工况下IGBT模块的瞬态热阻特征提出一种基于概率稀疏自注意力机制和迁移学习的剩余使用寿命预测方法.搭建了IGBT模块加速老化试验台,在不同温度区间进行IGBT模块功率循环实验,采集不同工况下该模块全生命周期状态数据,计算获得IGBT模块衰退过程中的瞬态热阻变化数据,提取并筛选能准确反映IGBT模块老化状态的瞬态热阻特征,并使用所提方法开展跨工况剩余使用寿命预测.实验结果表明,提出的IGBT模块剩余寿命的跨工况预测方法精度明显优于其他对比方法,特别是IGBT模块早期衰退过程中的剩余寿命预测精度得到了显著提升.

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气动齿状软体驱动器的理论建模、仿真分析及实验研究

苏怡仪, 徐齐平, 刘锦阳

2023,57 (8): 1016-1027.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.039

摘要 ( 324 )

HTML ( 11 )

PDF(17776KB) ( 416 )

针对气动齿状软体驱动器,从腔室侧壁膨胀角和驱动器弯曲角度的非线性几何关系出发,基于虚功原理和Neo-Hookean超弹性不可压缩材料的非线性本构关系,建立了同时考虑底层、侧壁、前后壁应变能的准静态力学模型.该模型考虑了几何非线性和材料非线性,能够准确高效求解不同驱动气压和末端载荷作用下的软体驱动器构型.在此基础上利用Abaqus软件对固支-自由软体驱动器进行有限元仿真,并搭建了相应的实验装置,对不同气压作用下的驱动器进行了仿真分析和实验研究.结果表明:驱动气压与软体驱动器的弯曲角度呈线性相关,且理论模型的预测结果与有限元仿真和实验结果基本吻合.此外,分析了软体驱动器各部位的应变能分布情况.针对驱动器受末端载荷的变曲率情况,基于分段等曲率模型得到的构型与Abaqus基本一致.该准静态建模方法为同类软体驱动器的结构优化设计、性能改善和运动控制建立理论基础.

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含油制冷剂在吸气管内的滞油量预测研究

张智铤, 谷波, 曾炜杰, 胡晋珽, 吴鹏展

2023,57 (8): 1028-1036.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.071

摘要 ( 168 )

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PDF(6491KB) ( 194 )

目前没有适用于各类工质的滞油量预测方法.对压缩机吸气管内的滞油特性展开研究,建立了通用的滞油量预测方法.根据公开文献建立了吸气管滞油量的实验值数据库,在分析了各个影响因素之后,对数据库中的滞油体积比进行了拟合.根据拟合所得关联式以及吸气管进口工质的状态可以对滞油量进行预测.此外,以R32/PVE VG68为工质进行吸气管滞油量测试实验.比较实验结果与关联式计算结果,可得:对于R32/PVE VG68在吸气管内的流动,该计算方法能准确地呈现滞油量随各因素的变化趋势,且能较精确地预测各工况下的滞油量.

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基于核函数-Wiener过程的轧辊非线性退化建模与剩余寿命预测

王汉禹, 陈震, 周笛, 陈兆祥, 潘尔顺

2023,57 (8): 1037-1045.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.004

摘要 ( 292 )

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PDF(1553KB) ( 358 )

在轧钢生产过程中,由于磨损等原因,长时间复杂工况运行下的轧辊工作性能会呈现逐步衰退的特征.考虑轧辊工作环境具有工况复杂、随机干扰强等特点,提出基于核函数-Wiener过程(KWP)退化模型,使用Wiener过程刻画轧辊退化趋势的强随机性特征,引入核函数捕捉轧辊的非线性退化路径,推导贝叶斯框架下参数估计的解析表达式,并构造轧辊可工作转动量的健康指标,进一步预测轧辊剩余寿命(RUL).结合某钢铁公司1580热轧生产线现场数据,所构建模型拟合优度达到0.989,剩余寿命预测误差低于4.7%,相较常见机器学习算法取得了更好效果,有助于提高设备运转效率与安全性并实现视情维护.

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基于变径基圆渐开线涡旋压缩机的几何模型及优化研究

彭斌, 刘慧鑫, 陶耀辉

2023,57 (8): 1046-1054.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.129

摘要 ( 350 )

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PDF(3426KB) ( 203 )

针对现有变径基圆涡旋压缩机几何模型的定量分析及优化研究不够完善的问题,给出了变径基圆涡旋压缩机从吸气过程开始直到排气过程结束的完整工作腔容积变化规律.比较了格林定理法、图解法及法向等距法的容积计算差异性,分析了产生计算误差的原因,验证了几何模型的正确性.推导了齿面积利用率的计算公式,构建了行程容积及齿面积利用率的灵敏度模型,得出基圆半径变化系数及内侧型线发生角的影响尤为显著的结论.建立了一种考虑非线性约束且以行程容积与齿面积利用率为优化目标的多目标优化分析模型.结果表明:多目标遗传算法(NSGA-II)比多目标粒子群(MOPSO)算法综合性能更佳,且相较于优化前,某款汽车空调用变径基圆涡旋压缩机的行程容积提升了6.5%,齿面积利用率降低了4.27%.该研究能为变径基圆涡旋压缩机的优化设计及定量研究提供进一步的理论参考.

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转速拓展下喷油策略对柴油机低负荷预混燃烧的影响

范超, 鹿盈盈, 刘一泽

2023,57 (8): 1055-1066.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.433

摘要 ( 171 )

HTML ( 7 )

PDF(8737KB) ( 232 )

利用试验结合数值模拟的手段研究重型柴油机低负荷转速拓展下,多次喷油策略对预混充量压燃(PCCI)燃烧的影响,得出重型柴油机低负荷喷雾燃烧的普适优化方向:喷油定时应与燃烧室形状配合,使油、气、室三者结合,最大程度地利用燃烧室的形状优势;转速升高后采用多次喷油策略能够克服喷油持续期延长带来的喷油速率降低、油气混合程度降低等缺陷.优化喷油策略后,低转速单次喷油工况下NO_x排放量降低38%,碳烟排放量降低1个数量级,指示热效率提高8.66%;中转速单次喷油工况下,在指示热效率保持不变的情况下NO_x排放量降低59.3%,碳烟排放量降低70%;高转速单次喷油工况下,指示热效率和NO_x排放量略有升高,碳烟排放量显著降低.此外,研究发现,随着转速的提升,多次喷油策略对指示热效率与排放量的影响逐渐增强,多次喷油策略的优化效果相对低转速时更加明显.

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波浪锥型风力俘能结构能量转换效率

邹琳, 闫豫龙, 陶凡, 柳迪伟, 郑云龙

2023,57 (8): 1067-1077.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.137

摘要 ( 186 )

HTML ( 10 )

PDF(14616KB) ( 187 )

为提高风力俘能结构能量收集效率,提出一种新型的波浪锥型无叶片风力俘能结构,建立了波浪锥型风力俘能结构能量转换数学模型,采用雷诺平均N-S方程结合SST k-ω湍流模型对俘能结构涡激振动响应过程进行了数值模拟,分析了质量比、阻尼比对波浪锥型风力俘能结构涡激振动响应和风能转换效率的影响.结果表明:质量比$m^*=2$,阻尼比ζ=0.05的波浪锥型俘能结构可获得更宽的锁频区间,能量转换效率更高.同时发现质量阻尼比$m^* ζ$直接影响能量转换效率,合适的$m^* ζ$组合可以提高能量转换效率, $m^* ζ=0.10$的情况下平均能量转换效率较$m^* ζ=0.05$提高近31%.研究结果可为无叶片风力发电机能量转换效率的提升提供理论支持.

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面向散热应用的碳化硅表面热丝化学气相沉积金刚石膜生长速率

李维汉, 乔煜, 疏达, 王新昶

2023,57 (8): 1078-1085.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.043

摘要 ( 268 )

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PDF(18057KB) ( 353 )

金刚石具有极高的导热系数,在热管理中具有广阔的应用前景.基于热丝化学气相沉积法,采用多次沉积工艺在碳化硅表面制备了金刚石厚膜.采用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对金刚石膜进行了表征,系统地研究了热丝功率、碳源浓度和反应压力等工艺参数对金刚石生长速率及质量的影响.研究结果表明,当热丝功率为1 600 W、碳源浓度在形核阶段为18/300和生长阶段为14/300、反应压力为4 kPa时制备的金刚石膜质量最佳,此时金刚石膜生长速率约为1.4 μm/h.

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未硫化橡胶黏弹塑性本构模型及有限元实现

王银龙, 李钊, 李子然, 汪洋

2023,57 (8): 1086-1095.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.022

摘要 ( 228 )

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PDF(3592KB) ( 209 )

为了探究未硫化橡胶的拉伸力学性能,开展了未硫化橡胶不同应变率下的单向拉伸及循环加卸载实验.结果表明,未硫化橡胶具有较为复杂的非线性黏弹塑性力学行为,随着应变率增加,应力水平明显上升,迟滞效应增加,残余应变降低,应力软化增强.为了表征其力学响应,提出了一个三网络(TN)黏弹塑性本构模型,该模型由一个基于八链模型的超弹性网络和两个基于Bergstr?m-Boyce流动模型的非线性黏塑性网络构成,同时考虑了材料的Mullins损伤软化等变形特征,能够较好地表征未硫化橡胶的非线性力学行为.最后,依托于Abaqus有限元软件,完成了本构模型材料子程序的开发,对未硫化橡胶多段松弛加卸载和轮胎胎面胶压入模具过程开展了数值仿真,验证了TN模型的数值有效性以及在复杂变形模式下的数值稳定性.

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可变闭合力对DP1180钢冲压成形的回弹控制研究

丁悦婕, 王一文, 王武荣, 韦习成, 赵杨洋

2023,57 (8): 1096-1104.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.439

摘要 ( 238 )

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PDF(28869KB) ( 189 )

为了进一步控制先进高强钢在冲压成形中的回弹问题,提出了一种无需增大材料成形裕度、通过伺服液压设备增大可变闭合力降低回弹的方法.对冲压成形的1 180 MPa双相钢U形基准零件,利用有限元分析增大可变闭合力控制回弹的可行性,并进行试验验证,从残余应力和位错角度研究增大可变闭合力减小回弹的机理.结果表明:该方法使成形后的材料表面残余应力减小,位错密度降低,从而使非弹性回复增加,达到减小目标零件22.3%的回弹角度效果.由于该方法仅在零件成形瞬间施加,不影响材料成形过程中的塑性流动,所以无需增加额外的材料成形能力和整形工序,改变生产节拍即可应用于实际工业,具有广阔应用前景.

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