上海交通大学学报

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基于模型预测控制的深海钻井立管再入井仿真分析

张晨宇, 孟帅

2023,57 (11): 1389-1399.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.235

摘要 ( 1422 )

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PDF(2622KB) ( 257 )

海洋立管在钻井作业时一旦遇到恶劣天气须将底端总成和防喷器断开,待天气好转需重新连接称为再入井作业.深海区钻井立管发生断开的概率大幅增加,为适应多变的海况需要快速完成再入井过程.提出基于模型预测控制(MPC)再入井控制系统;基于哈密顿原理建立悬挂立管分析模型,设计优化函数及约束项,构建非线性扰动观测器实现洋流力模型误差和洋流速度扰动补偿,与传统比例-积分-微分(PID)控制作业进行仿真比较.MPC系统作用下,母船迅速响应,立管能快速稳定完成再入井作业,较好处理洋流力模型误差,并在洋流速度扰动下具有良好鲁棒性.立管由于长径比大幅增加导致柔性显著增强,在母船及海洋环境力激励下,悬挂立管在快速再入井过程中高阶模态可能被激发.

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低雷诺数变截面细长柔性结构流固耦合能量交换特征分析

邓秀兵, 于曰旻, 庞玺源

2023,57 (11): 1400-1409.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.133

摘要 ( 1708 )

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PDF(18587KB) ( 222 )

波浪形变截面柱体结构具有良好的流动减阻特性,然而尚不清楚这种变截面柔性结构的流致振动特性.基于高精度谱单元法建立了细长柔性结构的流固耦合力学模型和高精度算法,对在低速均匀流作用和驻波初始动力激励下的流致振动机理进行了数值分析,阐明了波浪形细长柔性结构的尾流特性、结构动力响应特性、能量传递规律、涡脱频率的展向变化特征,也对减阻、减振机理进行了初步探讨.数值模拟结果表明,在合适截面扰动波高下波浪形变截面柔性结构能够大幅抑制涡激振动响应,并发现在波浪形细长结构两侧形成的特殊涡结构会稳定绕流剪切层,拉长涡旋形成区长度,从而降低尾流结构与结构的流固耦合效应,抑制涡激振动响应.

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自由落体状态下二维结构物砰击载荷计算

孙哲, 眭旭鹏, KOROBKIN Alexander, 邓彦增, 张桂勇, 宗智, 姜宜辰

2023,57 (11): 1410-1420.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.189

摘要 ( 936 )

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将各类砰击入水的解析理论模型与时域上的精细积分法相结合,研究了在自由落体状态下具有任意对称形状的二维结构物的砰击过程.通过对解析理论模型的数学表达式进行分析,物体所受的砰击力可以分解为两项,分别为速度相关项和加速度相关项.将本文提出的模型与试验和其他数值模拟方法进行对比,验证结果良好.此外,针对轻质结构物或者具有较大入水速度的物体,可以合理地忽略自身的重力,那么对于指定形状和质量的二维物体,自由落体状态下其在砰击过程中的最大加速度或砰击力峰值总是发生在同一个浸没深度处,而与初始的入水速度无关.

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新型仿生螺旋桨优化设计

吴春晓, 卢雨, 刘社文, 顾朱浩, 邵思雨, 邵武, 李闯

2023,57 (11): 1421-1431.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.174

摘要 ( 1946 )

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PDF(10709KB) ( 509 )

对导边变形的仿生螺旋桨的水动力性能优化设计提出一种新颖的方法.基于仿生学原理与参数化建模的方法,将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边,即在螺旋桨导边迎流区依据指数衰减曲线和正弦函数曲线将标准光滑导边进行类似座头鲸鳍突起结构状的凹凸变形,获得的导边凹凸的仿生螺旋桨.分别对指数衰减型仿生桨与正弦函数型仿生桨进行水动力性能、空泡性能以及噪声性能数值模拟.选出其中性能较优的螺旋桨,然后将基于仿真设计(SBD)技术引入新型仿生螺旋桨优化设计中,以控制导边变形的指数衰减曲线形状的参数为优化设计变量,以母型桨的转矩作为约束条件,选取敞水效率为目标函数,采用Sobol与T-Search优化算法,构建基于指数衰减曲线的仿生螺旋桨优化研究系统.研究结果表明:将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边对螺旋桨的空泡性能与噪声性能有所提高,但对于螺旋桨敞水性能的提高不显著,验证了本研究所建立的仿生桨水动力性能优化设计方法是有效可靠的,为仿生螺旋桨的性能数值计算及构型优化设计提供了一定的理论依据和技术指导.

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大角度斜流下螺旋桨与导管桨尾流场特性

张嶔, 王鑫宇, 王智程, 王天源

2023,57 (11): 1432-1441.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.159

摘要 ( 1722 )

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为探究大漂角斜入流下螺旋桨与导管桨的尾流特性,基于延迟分离涡模型,对进速系数(J=0.4)及大漂角(β=45°, 60°)斜入流下螺旋桨与导管桨进行了数值模拟.研究发现:螺旋桨尾涡系整体偏斜程度比导管桨更高,导管桨后尾涡整体分布区域产生明显折角现象.斜流下尾流场表现出更高的复杂性,迎流侧与背流侧涡系间演化进程出现差异,螺旋桨该特性表现更加明显,而导管桨背流侧导管前缘会因流动分离产生局部脱落涡并向下游传输.导管桨的部分动能转化为导管推力而使尾涡整体湍流动能略低于螺旋桨,这一现象随着漂角的增大而更加明显.相较于螺旋桨,导管桨在大漂角斜流下能够保持更好的操纵稳定性.从尾流场特性的角度分析大漂角斜入流对螺旋桨与导管桨的影响,以探究导管桨在斜流下能够保持更好的操纵稳定性的理论依据.

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波浪作用下液化场地高桩码头动力响应试验研究

毕建巍, 苏雷, 解立波, 张昱, 凌贤长

2023,57 (11): 1442-1454.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.163

摘要 ( 1656 )

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高桩码头广泛应用于深水港口工程建设中,且大多位于可液化场地,波浪作用对液化场地高桩码头工作性能的影响不可忽视,但鲜有研究报道.进行液化场地高桩码头模型波浪水槽试验,考虑波浪、码头和土层三者之间的相互作用,真实再现高桩码头使用环境,探索波浪作用下码头内部响应差异,分析波浪作用下码头桩基和土层动力响应,探讨波高变化对各动力响应的影响规律.结果表明:高桩码头面板加速度和位移响应随波浪作用时间增加先逐渐变大最终保持相对稳定;群桩内各桩受到的动水压力和变形差异明显,其变化规律与桩位置有直接联系;自由场和桩周土层孔压响应幅值随埋深增大而减小,群桩的存在会降低桩周土层孔压的响应,增大土层加速度的响应;波高的增加对土层的影响随深度的增加而减小.上述研究成果可为波浪作用下类似高桩码头试验提供参考,为高桩码头合理化设计和防波浪侵袭提供支持.

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考虑地区发展阶段不确定性的电网投资决策鲁棒优化

黄琬迪, 张沈习, 程浩忠, 陈丹, 翟晓萌, 吴霜

2023,57 (11): 1455-1464.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.053

摘要 ( 1619 )

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针对地区发展阶段具有不确定性和不同发展阶段下地区投资需求难以量化的问题,提出一种考虑地区发展阶段不确定性的电网投资决策鲁棒优化方法,以保证电网投资决策与实际发展需求的匹配程度,提高决策结果对投资组合风险与发展阶段不确定性的应对能力.首先,基于现代投资组合理论构建投资风险约束;其次,采用箱型不确定集对地区发展阶段不确定性进行表征,建立考虑发展阶段不确定性的电网投资决策鲁棒优化模型,模型中外层最小化问题求解最恶劣场景下的地区发展阶段不确定性变量,内层最大化问题求解最恶劣场景下能够使投资收益最大的决策方案;再次,根据强对偶理论将双层优化模型转化为可直接求解的单层模型,采用大M法对模型进行求解;最后,利用我国某东部沿海省份中13个地市的实际算例验证了该电网投资决策模型的适用性与有效性.

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适用于中低压MMC的改进NLC调制与电容电压控制策略

张伟, 韩俊飞, 钟鸣, 王宇强

2023,57 (11): 1465-1476.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.172

摘要 ( 1591 )

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模块化多电平换流器(MMC)应用于直流配电网等中低压场景时输出电平数较低、谐波含量高,且电容电压易受直流母线电压波动影响而偏离额定值.针对上述问题,提出一种最近电平逼近调制与电容电压稳定控制相结合的MMC改进控制方法.首先,引入阶梯波修正量以提升MMC交流输出电平数;在此基础上,分析阶梯波修正量对电容电压的影响,提出一种基于电容电压反馈的稳定控制方法,实现子模块电压与外部电气环境的解耦控制,从而限制电容电压波动范围,提高设备安全裕度.最后,在MATLAB/Simulink仿真模型和实时数字仿真系统硬件在环测试中验证方法的正确性和有效性.

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基于堆叠式降噪自动编码器和深度神经网络的风电调频逐步惯性智能控制

王亚伦, 周涛, 陈中, 王毅, 权浩

2023,57 (11): 1477-1491.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.157

摘要 ( 1738 )

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风电调频的逐步惯性控制(SIC)策略在负荷波动后提供一个阶跃式功率增发,能够有效阻止系统频率下降,保障电网频率安全.但在其功率恢复阶段,容易出现二次频率跌落现象,需优化SIC以获得更好的调频效果.传统方法存在计算维度高和耗时较长的弊端,难以满足不同场景下快速提供最优控制效果的需求.为实现负荷扰动事件下风电调频的最优逐步惯性快速控制,引入深度学习算法,提出一种基于堆叠式降噪自动编码器(SDAE)和深度神经网络(DNN)的风电调频逐步惯性智能控制方法.首先,使用麻雀搜索算法获得最优参数,使用SDAE高效提取数据特征;随后,基于DNN对数据特征进行学习,并引入加速自适应矩估计优化网络参数,提升网络全局最优参数;最后,应用SDAE-DNN联合方法实现扰动事件后风电调频的逐步惯性在线控制.在IEEE 30节点测试系统中分别对单台风力机和风电场进行仿真分析,与传统方法、浅层反向传播神经网络及原始DNN所得结果对比发现,所提网络结构具有更优的预测精度和泛化能力,该方法能够实现良好的逐步惯性调频效果.

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基于反向传播神经网络的风力机涡流发生器优化

夏云松, 谭剑锋, 韩水, 高金娥

2023,57 (11): 1492-1500.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.169

摘要 ( 1645 )

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采用最优拉丁超立方试验设计法细化涡流发生器参数,确定试验方案,仿真计算风力机的推力和转矩,获得试验数据.基于反向传播(BP)神经网络,构建遗传算法优化BP神经网络的风力机涡流发生器气动性能模型,通过计算气动性能模型预测值与仿真值的误差与均方根,验证气动性能模型的可靠性;耦合鱼群算法和风力机涡流发生器气动性能模型,建立风力机涡流发生器优化方法,对涡流发生器高度、长度和安装角度进行迭代求解,实现涡流发生器优化.结果表明:相比原涡流发生器方案,涡流发生器优化后的风力机叶片截面流动分离得到有效抑制和延迟,表面流体分离现象得到改善,风力机功率提升1.711%,推力下降0.875%.

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基于用户意愿的电动汽车备用容量多目标优化

邵萍, 杨之乐, 李慷, 朱晓东

2023,57 (11): 1501-1511.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.131

摘要 ( 1007 )

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电动汽车(EV)保有量可观且具有储能的特性,使其参与电力系统运行调控提供备用服务成为可能.针对此建立基于EV用户意愿,以集电商经济收益、微电网功率波动和用户满意度为目标的多目标优化调度模型.考虑到负荷预测误差的影响,对模型进行日前阶段和日内实时修正阶段的多时间尺度优化调度分析.求解方法采用主流的多目标智能优化算法NSGA-III 算法,同时将NSGA-II 和MOEA/D算法作为对比算法,通过对比实验选出最优调度方案并分析EV提供备用容量的场景.仿真结果证明所提模型的有效性.

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基于对不平衡数据集进行二次迁移学习的滚动轴承剥落类故障诊断方法

郭俊锋, 王淼生, 王智明

2023,57 (11): 1512-1521.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.008

摘要 ( 224 )

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滚动轴承在运行过程中正常工作状态时间长,故障时间很短,导致数据集不平衡,从而极大地影响深度学习模型故障诊断的准确率.针对该问题,提出一种基于二次迁移学习的滚动轴承不平衡数据集故障诊断方法.首先使用源域和目标域中的少量数据通过条件梯度惩罚生成对抗网络(CWGAN-GP)生成过渡数据集,然后将搭建好的卷积神经网络模型在源域数据集、过渡数据集和目标域数据集之间进行两次迁移,最后使用目标域的少量数据对迁移后的模型进行微调,得到最终的故障诊断模型.实验结果表明,该方法对不同工况下数据集不平衡的滚动轴承剥落类故障有较好的诊断识别效果.

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考虑维修效果差异性的顺序预防性维修策略

黎新龙, 冉琰, 张根保, 何彦

2023,57 (11): 1522-1530.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.023

摘要 ( 222 )

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合适的预防性维修在一定程度上能提高设备可靠性,延长设备寿命.针对目前预防性维修策略决策粒度过大且鲜有考虑预防性维修对不同类型故障维修效果的差异性等问题,研究了元动作单元的不完全顺序预防性维修策略.以元动作单元为研究载体,将故障分为损伤类故障和本质疲劳类故障,基于广义几何过程(GGP)建立了考虑维修效果差异性的顺序预防性维修优化模型,分析了维修成本等因数对最优维修成本率以及最优维修策略的影响.研究表明:不考虑预防性维修效果的差异性会低估总体的维修成本率.同时,各类型维修成本、故障比例因子以及预防性维修效果参数都对维修策略的制定有显著影响.该研究对制定元动作单元顺序预防性维修策略,减少其维修成本具有一定的指导作用.

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