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2021年  第43卷  第3期      刊出日期 2021-6-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
专题:飞行器设计与结构强度分析技术
  • 复合材料层合结构层向理论及应用进展
  • 沈海军,李伟
  • 2021, 43 (3):1-14[摘要](242)  [PDF  10655KB](225)
    层向理论是由Reddy提出来的一种用于精确分析复合材料层合结构的三维板壳分析理论。由于不引入任何的变形和应力假设条件,因此相较于传统的等效单层板理论,层向理论在分析大厚度复合材料层合板壳结构的静动态响应及其局部层间效应时具有较大的优势。系统地综述了层向理论近年来的研究进展、数值解法及其应用情况。具体包括:层向理论的基本原理及发展现状、基于层向理论的有限元方法及改进模型、层向理论在复合材料层合结构静动态响应及含损伤问题领域的应用等。并对该理论可进一步拓展的研究方向进行了展望。
  • 热流体层板装置研究进展及应用综述
  • 尹亮,刘伟强
  • 2021, 43 (3):15-22[摘要](236)  [PDF  7249KB](209)
    层板技术自提出以来,就因其特殊的流道构型、精确的尺寸及定位,以及能解决各种复杂的流动及传热问题而得到快速发展,可以说层板技术是科技发展史上一次重大的技术革新。简要概述了层板技术的特点及发展情况;对近年来国内外层板装置的一些典型新应用,如层板式喷注器、层板燃气发汗鼻锥、层板式流体混合器、层板式高速船推进器、层板式消声器等进行了介绍;对层板技术的加工工艺与3D打印技术相似的加工思路进行了阐述。
  • 超声速二元机翼随机混沌运动分析
  • 闫盖,方明霞,杨英豪,沈海军
  • 2021, 43 (3):23-31[摘要](210)  [PDF  8679KB](213)
    以考虑随机扰动的超声速二元机翼为研究对象,采用Kapitaniak方法对超声速二元机翼的随机混沌特性进行研究。采用三阶活塞理论推导超声速二元机翼的非线性气动力和气动力矩,建立考虑随机扰动、具有俯仰立方非线性的机翼2自由度运动微分方程,并将其写成4维状态方程的形式;采用中心流形方法对系统进行降维,将系统状态方程从4维降为2维;再联合利用累积量截断法、非高斯截断法获得系统的二维联合概率密度函数及系统的概率时差图,采用Kapitaniak方法分析系统在不同扰动强度下的随机混沌特性;采用系统响应、庞加莱截面图及最大Lyapunov指数等对系统的随机混沌特性进行验证。本研究对超声速二元机翼在复杂环境下的稳定性、安全性及响应特性等研究具有重要的促进作用。
  • 反对称铺层碳纤维复合材料圆柱壳的双稳态应力特性
  • 张淑杰,李国泽,周阳,沈海军
  • 2021, 43 (3):32-37[摘要](229)  [PDF  9156KB](183)
    双稳态复合材料可广泛应用于各类可变结构的设计。针对反对称铺层的圆柱壳,利用有限元软件ABAQUS的Standard准静态分析,模拟其双稳态跳变过程和跳回过程,探讨在整个连续过程中圆柱壳上的应力分布情况,以及应力随时间和载荷变化的趋势,从而对该类可变结构的设计起到指导作用。结果表明:该类复合材料圆柱壳跳变过程中最大应力出现在载荷施加点与约束点附近,第二稳态下应力关于板中心呈中心对称分布,最大应力沿板壳对角线出现在四个角内侧附近,而跳回过程中应力由第二稳态下的分布慢慢变为集中在约束点附近。而且整个圆柱壳上的最大应力时刻与最大载荷施加的时刻不重叠,具有滞后性。
  • 复合材料层合板疲劳寿命形状参数与门槛值分析方法
  • 李嘉骞,沈海军
  • 2021, 43 (3):38-44[摘要](211)  [PDF  6742KB](158)
    复合材料性能具有较大的分散性,在表征复合材料疲劳寿命时,必须考虑分散性的影响。以M21C复合材料开孔层合板为研究对象,采用Sendeckyj等效静强度模型和随机变量函数的概率分布方法推导了复合材料层合板疲劳寿命形状参数和剩余强度形状参数的关系,通过试验和统计的方法获得了M21C复合材料开孔层合板的疲劳寿命形状参数和疲劳门槛值,对载荷放大系数以及低载截除水平的确定提供了数据支持。
  • 燃烧室压力对潜入式喷管喉衬热应力的影响
  • 龚建良,胥会祥
  • 2021, 43 (3):45-51[摘要](185)  [PDF  7426KB](195)
    为了研究燃烧室压力对固体火箭发动机潜入式喷管热应力影响规律的问题,采用商业流体软件,基于压力求解器,求解了喷管纯气相的流场,确定了燃气温度、压力、壁面对流换热系数;采用有限元软件,依据流场计算的非均布壁面压力与非均布对流换热,求解了燃烧室压力为6 MPa下的潜入式喷管热结构问题;通过地面点火试验验证了仿真模型与数值方法的有效性与准确性;采用相同计算模型与数值方法,求解了在燃烧室压力为9 MPa、12 MPa下的喷管热结构问题,揭示了燃烧室压力对喉衬热应力的影响规律。结果表明:整个工作过程,喉衬环向应力最大值为103.9 MPa,位于内表面,且随时间增大,先增大后减小;喉衬环向拉应力也随时间先增大后减小;随压力增大,对流换热系数增大,喉衬温度升高,喉衬环向拉应力增大,喉衬环向压应力减小。
计算机科学与技术·信息与通信工程·管理科学与工程
  • 面向多点交互的多模态振动反馈触觉再现系统
  • 陆熊,林闽旭,高永强,黄晓梅,陈春晓,刘佳
  • 2021, 43 (3):52-57[摘要](178)  [PDF  5606KB](156)
    近年来,多点交互和多模态融合的力触觉再现系统由于能够进一步提高人机交互的真实感,已经成为该领域的研究热点。基于Leap Motion的多手指位置检测模块、振动触觉再现模块、NRF51822蓝牙通信模块、视觉再现模块和CHAI3D构建的虚拟环境等,设计实现了多点自然交互的、触觉和视觉相融合多模态触觉再现系统。为了验证系统的可行性和有效性,开展了虚拟物体轮廓感知实验和立方体放置任务实验。实验结果表明:虚拟物体轮廓感知实验平均识别率为87.9%;相比单一视觉再现模式,视觉和触觉再现融合模式完成相同任务的时间能节省47.7%。所设计的多点交互触觉再现系统,具有成本低、体积小和控制方法简单等优点,为促进多模态人机交互技术的发展和广泛应用奠定了重要基础。
  • 均匀圆阵主特征矢量分析解相干算法
  • 倪柳柳,陈辉,倪萌钰,王晓戈
  • 2021, 43 (3):58-65[摘要](203)  [PDF  5811KB](160)
    为解决均匀圆阵的相干信源波达方向估计问题,提出一种适用于均匀圆阵的虚拟均匀线阵主特征矢量分析算法。采用模式空间变换将均匀圆阵转换为虚拟均匀线阵,对其数据协方差矩阵进行处理以构造主特征矢量矩阵;引入加权最小二乘法,通过重复迭代得到子空间各元素之间的线性预测系数,从而求得相干信源的波达方向估计值。理论分析和仿真结果表明,该算法对相干信源具有较好的估计精度,且具备高分辨率和低复杂度的优点。
  • 磁绝缘传输线阴极准直建模与仿真
  • 何德雨,呼义翔,曾江涛,杨实,周亚伟,孙江,尹佳辉,丛培天
  • 2021, 43 (3):66-72[摘要](200)  [PDF  5213KB](157)
    大型脉冲功率装置的磁绝缘传输线(Magnetically Insulated Transmission Line, MITL)阴极长度可达十余米,在悬臂结构下由于重力引起的末端挠度变形将达数厘米。如果不进行准直,由此造成的阴阳极间隙误差可能引起较明显的电流损失。借鉴Hermes Ⅲ装置基于倾斜垫片的直线度调节方案,设计了用于准直原理验证的Mini-MITL阴极。根据阴极圆筒尺寸参数、倾斜垫片设计参数以及倾斜垫片旋转角度,建立了阴极筒关键节点坐标的数值模型,得到竖直和水平方向的理论修正坐标。作为验证,在SolidWorks环境中建立坐标测量参考基准,得到的三维仿真坐标与数值建模坐标具有较好的一致性。基于SolidWorks Simulation对阴极的重力变形进行了仿真,根据仿真结果调整倾斜垫片的相对旋转角度,修正竖直方向挠度的同时兼顾水平方向直线度,在该策略下的竖直和水平方向准直误差均低于阈值。在离散调节策略的基础上进行了连续可调的改进优化,改进后的准直精度得到进一步提升。
  • 运用科学计量学的人工智能安全技术评估
  • 吴集,梁江海,刘书雷
  • 2021, 43 (3):73-78[摘要](210)  [PDF  7811KB](171)
    面对智能化时代的巨大进步,人工智能安全逐渐成为备受关注的议题。以Web of Science数据库收录的核心论文为研究对象,运用科学计量学方法和可视化技术,对包括国家、机构在内的研究力量分布以及热点、前沿和所涉学科在内的主题内容进行分析和总结。针对潜在的人工智能安全议题,构建定性分析框架,对人工智能安全进行定性定量结合的分析,对人工智能安全技术发展进行初步探索与评估。
  • 前缘和转轴影响翼摇滚特性的数值模拟
  • 杨小亮,黄世林,杨起,柴振霞,孙喜万,刘伟
  • 2021, 43 (3):79-85[摘要](218)  [PDF  9204KB](170)
    采用耦合求解N-S方程和Euler刚体动力学方程的数值模拟方法研究80°后掠三角翼摇滚特性,讨论机翼前缘构型和滚转轴位置对三角翼摇滚特性的影响。N-S方程的离散采用Roe格式和含双时间步的LU-SGS方法,刚体动力学方程的离散采用二阶精度的差分方法,通过交替求解流动和运动控制方程组的耦合策略,模拟80°后掠三角翼自激摇滚的非定常过程。针对转轴安装于上表面的细长三角翼,研究前缘上削尖、下削尖和双面削尖三种构型的翼摇滚特性,分析前缘构型对摇滚振幅及分岔攻角的影响。考虑到上削尖和下削尖构型在翻转后相当于前缘构型互换但转轴位置不同,进一步考察了滚转轴位置对三角翼摇滚特性的影响。结果表明:在一定的攻角下,三种不同前缘构型的三角翼均能形成大幅自维持的摇滚现象,其中上削尖前缘的三角翼振幅最大,双面削尖前缘次之,下削尖前缘三角翼振幅最小;攻角增大到30°以后,双面削尖和上削尖前缘的三角翼会发生翻转现象,翻转180°以后维持等幅振荡。
  • 中国超算技术赶超发展模式探析
  • 苏诺雅
  • 2021, 43 (3):86-97[摘要](222)  [PDF  9193KB](188)
    超级计算是解决国家安全、经济建设、科学进步、社会发展和国防建设等领域重大挑战性问题的重要手段,是各国科技发展中必争的战略制高点。通过调查和实证,重点分析了中国超算技术追赶中政府的引导作用和企业作为市场主体的作用。面向领域的战略需求,在财政能力非常有限的情况下,政府通过长期资助,形成厚实的知识和人才队伍积累;面向科技创新,政府主导全国的集群创新实现中国超算登顶,并建设国家超算基础设施;面向全面发展,积极发展超算应用,并按照企业是市场主体的原则,通过企业参与超算竞争研制,实现技术溢出和市场突破。超算技术发展模式可以为其他高技术领域发展提供借鉴经验。
  • 基于转置卷积神经网络的翼型结冰冰形图像化预测方法
  • 何磊,钱炜祺,易贤,王强,张显才
  • 2021, 43 (3):98-106[摘要](222)  [PDF  8438KB](186)
    结冰问题严重影响飞机飞行安全,结冰智能预测是飞机智能防除冰系统设计和安全设计的重要依据和支撑。为解决复杂冰形在翼面同一位置的法线方向冰形厚度存在多值的问题,提出基于转置卷积神经网络的翼型结冰冰形图像化预测方法。设计预测模型的神经网络结构、损失函数、数据规范等,直接将影响飞机结冰的飞行和大气条件作为输入,以灰度化的冰形图像作为输出。基于NACA0012翼型,通过数值模拟方法生成冰形数据集,同时利用风洞试验结果对数值模拟方法进行验证,以确保生成数据的可信度。构建以飞行速度、温度、液态水含量、平均水微滴直径和结冰时长5项参数作为输入的预测模型,并进行仿真训练和验证。仿真结果表明:所提翼型结冰预测模型不仅能够快速预测翼型冰形,而且在冰体轮廓、结冰上下极限、冰角位置、结冰厚度等主要特征方面也与数值计算结果符合较好。
  • 卫星隐身技术研究进展及发展趋势
  • 胡豪斌,张翔,廖文和,孔祥鲲
  • 2021, 43 (3):107-127[摘要](214)  [PDF  35707KB](206)
    卫星隐身技术在空间攻防系统中占有独特的地位,与在地面装甲车辆、舰船、飞机上应用的隐身技术有一定的相似之处,但由于卫星研制条件以及所处的太空环境不同,卫星隐身技术的研究及应用更具有挑战性。基于卫星工程应用,归纳了卫星隐身需求、应用环境等,重点介绍了国际前沿隐身技术,包括雷达隐身手段、红外及可见光隐身手段,同时探讨卫星隐身的技术瓶颈及未来展望,促进隐身技术在卫星上的应用。
控制科学与工程·机械工程
  • 点邻域尺度差异描述的点云配准算法
  • 陆军,陈坤,范哲君
  • 2021, 43 (3):128-134[摘要](211)  [PDF  7183KB](163)
    针对传统特征描述符计算复杂度高、配准精度低的问题,提出一种基于不同尺度点邻域特征信息差异的点云配准算法。在特征描述符方面,对关键点选取不同尺度的邻域空间,计算各尺度空间之间的特征值归一化向量差异和法向量夹角,建立点邻域尺度差异描述符,特征描述符计算简单且节省时间。在关键点选取方面,根据曲面形状指数设计了一种寻找关键点的方法,提取的点具有很好的代表性。在对应关系寻找方面,提出一种基于欧式距离的对应点二重筛选方法,找出对应点对集,设计了基于全局距离的全局最优点云变换矩阵求取方法。实验结果表明,点邻域尺度差异描述的点云配准算法具有良好的配准精度和稳健的噪声鲁棒性。
  • 重力扰动对SINS水平姿态的影响
  • 安文,许江宁,吴苗,李峰
  • 2021, 43 (3):135-141[摘要](220)  [PDF  5456KB](160)
    为研究动基座下捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS )水平姿态误差角与水平重力扰动间的关系,推导了南北方向、东西方向匀速直线运动时,SINS纯惯性解算的水平姿态误差与水平重力扰动间的传递函数,并分析了传递函数的零极点分布;推导了组合导航模式下,水平姿态误差角与水平重力扰动间的传递函数;通过仿真分析了纯惯性解算和组合导航模式下传递函数的幅频特性。组合导航相对于纯惯性解算模式,截止频率更大,SINS姿态误差角受更多高频重力扰动信号的影响,因此,组合导航模式需要更高分辨率的重力扰动数据来进行重力扰动补偿。此外,在对高精度SINS进行重力扰动补偿时,对于重力扰动分辨率的需求是有限度的,过于精细的重力扰动数据只会带来测量和存储压力,不能提高SINS的姿态精度。
  • 光学波导中原子干涉的加速度测量
  • 魏春华,梁磊,左承林,颜树华,杨俊
  • 2021, 43 (3):142-148[摘要](208)  [PDF  7110KB](137)
    提出一种水平方向、光学波导中原子干涉的加速度测量方案。详细介绍了光路结构、原子团制备以及光学波导的绝热装载等。通过实验手段对测量方案进行验证,首先将87Rb原子团冷却至50 nK的玻色爱因斯坦凝聚态,随后对超冷原子团施加布拉格光进行分束、合束,完成原子干涉过程。实验结果显示,所提干涉测量系统能够实现单轴加速度测量,对未来高精度多轴加速度测量系统的研制具有指导借鉴意义。
  • 大深度复合同振式矢量水听器设计
  • 王文龙,孙芹东,王超,韩梅
  • 2021, 43 (3):149-158[摘要](206)  [PDF  15121KB](181)
    针对目前深海无人移动平台缺乏与其工作深度相匹配的复合同振式矢量水听器的问题,采用薄壁铝合金球壳作为矢量通道,压电陶瓷圆环作为声压通道,设计制作了一型大深度复合同振式矢量水听器,并用理论计算、有限元仿真和实验测试的方法对其声学性能和耐压性能进行了验证。该水听器的外径为85 mm,质量为398 g,平均密度为1 240 kg/m3,工作频段为20~3 000 Hz,矢量通道呈余弦指向性,灵敏度为-187 dB@500 Hz,声压通道无指向性,灵敏度为-191 dB@500 Hz,耐压深度为2 000 m。海上试验表明,该水听器能够搭载在水下滑翔机等深海无人平台上执行声学探测任务,在大深度声学探测领域具有重大的应用价值。
  • 直接挤出成型用环氧树脂的流变性及其可打印性
  • 李欣,孙崇飞,尚建忠,罗自荣,卢钟岳,牛晓茹
  • 2021, 43 (3):159-164[摘要](172)  [PDF  6606KB](151)
    直接挤出成型制造适用于任何含或不含添加剂的膏状或凝胶状复合材料,对复合材料制造技术具有深远意义。通过探讨热固性环氧树脂的流变学行为与挤出成型特性,得出热固性环氧树脂在直接挤出成型制造应用中的通用性流变学参数。通过向复合材料中加入增稠剂,对其流变学行为进行设计。结果表明:在高剪切速率(50 s-1)和低剪切速率(0.01 s-1)下,添加30%纳米黏土的环氧树脂的流变学行为较适合挤出式3D打印工艺。利用龙门式气动挤出式3D打印机,对复合材料的打印成型质量进行试验分析和验证。结合试验结果探讨了喷头高度对复合材料成型质量的影响,并且提出适用于喷头高度临界值的计算方法。探讨了挤出率、剪切速率等因素对成型质量的作用规律。针对多层打印问题,提出包含补偿系数的多层打印的临界喷头高度的计算方法。以上研究对促进基于复合材料的挤出式3D打印具有积极意义。
  • 拦截高速机动目标的捕获区及微分对策导引律
  • 毛柏源,李君龙,张锐,张鹏飞
  • 2021, 43 (3):165-174[摘要](225)  [PDF  7121KB](175)
    针对高速机动目标拦截场景,研究末制导段捕获区存在条件及微分对策导引律问题。建立弹目相对运动模型并引入控制动力学模型,采用终端投影方法对相对运动模型进行降阶处理;基于微分对策理论推导一种解析形式捕获区,并具体到直/气复合控制导弹对机动目标的拦截中,该捕获区的存在能够保证对任意机动目标进行准确捕获;重新选取性能指标,将目标与直/气复合控制导弹在末端带有碰撞角约束的制导问题转化为零和微分对策问题,并求解出弹目最优拦截策略。仿真分析了几种情形下直/气复合控制导弹对目标实施拦截的捕获区存在域,导引律仿真结果表明微分对策导引律在对高速机动目标进行拦截时具有优良性能。
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