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2022年  第44卷  第2期      刊出日期 2022-04-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
航天工程
  • 全隐LU-SGS算法在高超声速热化学非平衡流刚性问题中的应用
  • 蒋浩,柳军,王君媛,黄伟,杜洋
  • 2022, 44 (2):1-8[摘要](508)  [PDF  6660KB](458)
    在高超声速热化学非平衡流动计算中,当地气体能量松弛时间、化学反应特征时间与流动时间推进步长量级差异过大会带来严重数值刚性问题,且在高雷诺数条件下,壁面、拐角等强干扰区网格加密使得该问题加剧,导致初始最大CFL数极小,收敛速度缓慢。原始LU-SGS算法仅考虑化学反应源项和对流项的隐式处理,通过推导黏性项Jacobian矩阵谱半径并采用对角近似处理,发展了热化学非平衡FLU-SGS和BLU-SGS两种全隐LU-SGS算法;针对高焓二维圆柱和轴对称返回舱算例,对比改进前后三种算法的收敛特性。结果表明,FLU-SGS及BLU-SGS算法能够快速建立强黏性干扰和大分离流场、解决热化学非平衡复杂流计算中的刚性问题,实现初始最大CFL数3至5个量级的提升,加速收敛效果明显。
  • 反无人机绳网捕获系统的动力学建模与仿真
  • 陈青全,丰志伟,张国斌,王星,张青斌
  • 2022, 44 (2):9-15[摘要](441)  [PDF  5588KB](435)
    针对无人机“黑飞”问题,提出了包含捕获平台地面发射、柔性绳网空中展开抓捕和降落伞回收的反无人机绳网捕获系统方案,建立了全过程动力学模型。并将动力学模型中的平台飞行轨迹模型和绳网展开模型与飞行试验数据进行了对比验证。结果表明,该系统动力学建模与仿真方案可行,对系统工程设计具有指导意义。
  • 超音速气流中热塑性复合材料壁板的非线性热颤振特性
  • 高艺航,段静波,雷勇军
  • 2022, 44 (2):16-23[摘要](389)  [PDF  8791KB](361)
    热塑性复合材料结构在高速流场中的颤振行为是可重复使用航天器设计中需要考虑的问题。基于Mindlin厚板理论和Von-Karman大变形理论描述热塑性复合壁板结构大变形,超音速气动力采用活塞气动理论。考虑温度引起的壁板面内热应力和热塑性材料力学性能的改变。根据虚功原理和有限元法推导建立了热塑性复合材料壁板的热颤振模型,进而采用V-g法和Newmark法分别从频域和时域求解热塑性壁板的热颤振特性。在验证方法正确性和收敛性的基础上,讨论了温度对热塑性复合壁板的颤振频域模态耦合特性、颤振时域极限环振荡特性。结果表明,考虑热塑性材料温变特性会进一步降低壁板的颤振动压,而且热塑性壁板极限环振荡下等效应力水平较低,没有达到材料屈服极限。
  • 弯矩作用下热塑性复合材料悬臂梁弹塑性分析
  • 雷勇军,刘明伟,张大鹏,高艺航
  • 2022, 44 (2):24-33[摘要](364)  [PDF  7140KB](299)
    基于Timoshenko梁理论和Tsai-Hill屈服准则,建立了自由端弯曲载荷作用下悬臂梁弹塑性问题分析的数学模型,并得到了梁应力和位移的精确解。通过与相关文献和有限元计算结果进行对比,验证了该方法的正确性,并在此基础上,进一步分析了纤维方向角、弯矩、跨高比以及纤维体积分数对梁弹塑性应力和位移的影响规律。相关成果可为热塑性复合材料的设计和工程应用提供参考。
  • 亚音速轴流风扇静转子相互作用线谱噪声预报
  • 武星宇,魏应三,靳栓宝,王东,祝昊,胡鹏飞,孙方旭
  • 2022, 44 (2):34-43[摘要](400)  [PDF  7474KB](323)
    静转子相互作用线谱噪声是亚音速轴流风扇主要噪声源之一,快速预报该噪声对风扇设计初期的叶片选型和参数设计具有重要意义。因此在叶栅响应函数理论的基础上考虑静转子叶片的相互作用,采用叶片经验尾流模型模拟转子尾流,推导得到静转子叶栅相互作用线谱辐射声功率半经验半理论计算公式。通过与NASA已有的试验模型和计算模型结果对比,验证了该公式的适用性。并进一步分析静转子间距、叶片参数等对NASA试验风扇线谱噪声的影响,结果表明,增大静转子间距和静子叶片倾斜设计对降低静转子相互作用线谱噪声具有很好的效果。
  • 正规形法在弹箭非线性运动分析中的应用
  • 李东阳,常思江,王中原,魏伟
  • 2022, 44 (2):44-54[摘要](323)  [PDF  10657KB](288)
    非线性气动力对弹箭运动特性具有重要影响,而其复杂性和有效分析工具的缺乏往往制约了弹箭非线性运动理论的发展。为探索正规形方法在弹箭非线性运动分析中的应用,构造了考虑二次非线性阻尼和七次非线性静力矩下攻角方程的正规形,进而求得攻角的通用解析解,通过数值积分验证了其在较大攻角范围内的有效性,该解析解也同样适用于无阻尼角运动和更高或更低阶静力矩作用下的角运动分析。基于正规形方法导出的初始条件关系,给出了保守但简洁的稳定初始条件范围的计算方法,结合平衡点分析,可较为准确地预测弹箭在非线性气动力作用下形成的极限环及其稳定性。
  • 含气膜孔涡轮叶片寿命可靠性设计优化中的网格参数化方法
  • 雷婧宇,吕震宙,贾贝熙
  • 2022, 44 (2):55-63[摘要](345)  [PDF  8839KB](275)
    为了自动实现含气膜孔涡轮叶片寿命的可靠性设计优化,减少其有限元计算时间成本,提出了含气膜孔涡轮叶片的非结构局部网格参数化方法。该网格参数化方法将叶片划分为参数化区域和非参数化区域,分别设计非参数化区域的网格以及参数化区域的网格控制点,更新气膜孔的形状和位置后,保持非参数化区域的网格不变,重构参数化区域的网格。相比于结构网格的全局变形方法,该方法能够在保证有限元计算精度的同时,很大程度上缩减有限元的计算时间,有效提高可靠性设计优化的效率。
  • 基于轴对称内聚力单元的立贮发动机黏接界面结构完整性分析
  • 王君祺,鲍福廷,崔辉如
  • 2022, 44 (2):64-70[摘要](336)  [PDF  5659KB](277)
    建立轴对称内聚力单元是进行立贮发动机黏接界面应力分析的重要手段。在变形后的轴对称内聚力单元上建立参考坐标系,推导了单元节点位移在参考坐标系和全局坐标系下的转换关系。基于单元分离位移推导了单元内力矢量和单元刚度矩阵。开展了旋转体的分离测试,验证了轴对称内聚力单元的准确性和高效性。针对立贮发动机,先后开展了轴向加速度以及波浪载荷作用下的发动机结构分析,重点研究了黏接界面上应力的大小以及分布规律。研究方法和结论可以为发动机黏接界面结构分析提供有利参考。
  • 双高速摄像机交汇的高旋弹丸位姿估计算法及误差分析
  • 杨志伟,王良明,张喜峰,王垚
  • 2022, 44 (2):71-79[摘要](356)  [PDF  7450KB](270)
    为了测量高旋弹丸在炮口处的各种信息,基于双高速摄像机交汇的测量方法,提出了一种新的弹丸位姿估计方法。对总攻角函数进行了误差建模与分析,结果表明两台高速摄像机的光轴应相互垂直,且应选择光轴远离攻角平面的高速摄像机所对应的测量函数计算总攻角,此时测量误差最小。以靶场实验的方式对攻角函数的误差分析结论和位姿估计算法进行验证。实验结果表明,误差分析结论正确;所提出的位姿估计算法没有基于任何假设,精度高于POSIT算法;初始速度测量误差不超过0.6 m/s,弹丸质心位置测量误差不超过0.3 m。这种测量方法属于非接触式测量,简单易行,测量信息全面,可为靶场实验、验收等工作提供参考依据。
  • 利用循环网络的降落伞开伞载荷补偿方法
  • 姜添,李健,戈嗣诚
  • 2022, 44 (2):80-87[摘要](339)  [PDF  6940KB](257)
    为了对降落伞充气展开过程中的开伞载荷进行更加准确的预测,提出一种基于循环神经网络的开伞载荷补偿计算方法,包括模型架构和数据处理方式。该方法将充气时间法计算的预测值代入循环网络进行二次计算,使最终结果能够更加贴近试验真值。使用多层前馈网络、标准循环网络与长短时记忆网络三种网络进行比较,验证了所提模型预测结果的适用性和准确性,研究了学习率、输入层维度和隐层维度等超参数对模型性能的影响,并给出了基于长短时记忆网络的补偿模型最优训练条件。实验结果表明,利用循环网络进行开伞载荷预测具有较好的拟合结果,为机器学习与降落伞工业的学科交叉研究提供了一定的参考方向。
电子科学与技术·信息与通信工程
  • 针对自适应滤波的组网雷达欺骗干扰优化策略
  • 王布宏,黄天奇,田继伟
  • 2022, 44 (2):88-95[摘要](357)  [PDF  5714KB](281)
    针对组网雷达系统在跟踪目标发生机动时采用自适应滤波来估计目标状态的特点,在点迹融合数据处理结构的组网雷达基础上提出了一种欺骗干扰优化策略。根据状态和量测方程描述了组网雷达跟踪目标的模型,同时建立了跟踪机动目标的自适应滤波模型。在此基础上,建立了欺骗干扰模型,并在目标机动检测约束下,推导了虚假目标欺骗干扰对于组网雷达融合中心的自适应滤波估计误差协方差的影响关系式。用误差协方差矩阵的迹来量化欺骗干扰效果,并以此为优化的目标函数。使用矩阵Schur补理论把约束条件转换为线性矩阵不等式,将欺骗干扰优化策略转化为求解半定规划凸优化问题。仿真结果验证了所提欺骗干扰优化策略的有效性。
  • 脉冲工况晶闸管扩展速度的影响因素研究
  • 张晓,张冠祥,鲁军勇,戴宇峰,武文轩
  • 2022, 44 (2):96-103[摘要](348)  [PDF  5747KB](271)
    为研究不同因素对其电流扩展速度的影响,根据晶闸管的结构特点和工作原理,建立晶闸管器件模型及脉冲成形网络等效电路模型并进行了仿真模拟。数值仿真结果表明,当正向阻断电压从3 000 V增加至5 000 V时,扩展速度可增加24.6%;当基区宽度从500 μm增加至900 μm时,扩展速度降低了31.7%;当载流子寿命从1 μs增加至10 μs时,扩展速度增加了56.9%,而当温度从300 K增加至330 K时,扩展速度仅增加了0.3%,可以看到温度对扩展速度的影响较小。研究结果有助于选择合适参数以保证开通所需的扩展速度,对改进晶闸管器件设计、提高晶闸管工作性能都具有应用价值。
  • 非理想正交发射信号对频控阵波束的影响
  • 杨进,付耀文,杨威
  • 2022, 44 (2):104-111[摘要](332)  [PDF  6935KB](282)
    为考察发射非理想正交基带信号对频控阵波束的影响,基于频控阵信号模型引出了基带信号正交问题,从数学上推导频控阵发射非理想正交基带信号情况下的波束表达式,进一步分析匹配接收处理性能。基于频控阵波束发射和匹配接收计算量,提炼出影响分析评估因子,构建了频控阵基带发射信号正交特性与波束、匹配接收性能的定量分析关系。基于6类典型随机分布二相编码基带信号进行数值仿真,验证了理论分析的正确性。不同随机分布呈现不同基带信号正交特性,其对频控阵波束发射和匹配接收性能的影响随正交特性不同各有差异。单从正交性影响分析而言,基于Normal、Uniform、Logistic随机分布具有更好的频控阵基带信号发射应用潜力。
  • 多窗口谱图分析的低截获概率雷达信号识别
  • 刘鲁涛,陈林军,李品
  • 2022, 44 (2):112-117[摘要](322)  [PDF  5714KB](253)
    在当前复杂的战场环境中,低截获概率雷达信号因其具有大时宽带宽积、强干扰性能、高分辨率和低截获性特点得到了广泛应用,传统的雷达侦察手段很难对其进行有效识别。在低截获概率雷达典型调制分析的基础之上,研究基于人工智能的雷达信号分类识别方法。从低截获概率雷达信号时频特征入手,提出基于多窗口时频谱图分析方法。该算法采用Hermite函数作为谱图分析的窗函数,利用多个窗函数进行谱图分析,获得了聚集性更佳的有效信号,分散了噪声干扰,并且使信号调制特征的时频分析特征更加明显。在多窗口时频谱图基础上,采用迁移学习的思想,利用ImageNet-VGG-f神经网络完成信号的分类识别任务。实验结果表明,在低信噪比情况下,所提算法的性能优于传统的崔威廉姆斯分布和平滑伪维格纳分布方法。
  • 微型桥梁索力测量毫米波雷达
  • 王建,王翔,周智敏
  • 2022, 44 (2):118-122[摘要](326)  [PDF  5414KB](320)
    在详细分析拉索雷达散射特性、频率法索力反演原理和拉索频率雷达测量原理的基础上,设计研制了一种77 GHz毫米波微型索力测量雷达,并给出了针对作用距离、精度和测量动态性能的系统约束参数集。与24 GHz K波段形变测量雷达进行比较,结果表明,所研制的毫米波微型索力测量雷达具有体积、质量和功耗小的技术特点,工程应用价值较大。
  • 机载激光雷达数据的三维深度学习树种分类
  • 刘茂华,韩梓威,陈一鸣,刘正军,韩颜顺
  • 2022, 44 (2):123-130[摘要](370)  [PDF  13398KB](403)
    针对传统基于激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)数据的树种分类方法难以直接且全面地利用点云的三维结构信息的问题,提出一种基于三维深度学习的机载LiDAR数据的树种分类方法。该方法直接从三维数据中抽象出高维特征,而无须将点云转化为体素或二维图像。以塞罕坝国家森林公园内白桦和落叶松两个树种的无人机LiDAR数据为研究对象,对其进行数据滤波,去除噪声和地面点;基于点云距离和改进的分水岭分割的方法提取单木并制作数据集;最终建立由权重共享的多层感知器、最大池、全连接层和softmax分类器组成的深层神经网络,其能自动提取树木的高维特征并实现树种分类。实验结果显示分类总体准确率为86.7%,kappa系数为0.73,最优特征维度为1 024,最优点密度为2 048。与将单木点云投影到二维视图的方法相比,该算法提供了更高的分类精度,且能有效减少计算成本、提高工作效率。
控制科学与工程·机械工程·物理学
  • 具有混合执行器故障和多未知控制方向的多智能体编队系统自适应协同容错控制
  • 张普,薛惠锋,高山,左轩
  • 2022, 44 (2):131-140[摘要](319)  [PDF  7044KB](265)
    针对非线性多智能体具有混合执行器故障和多未知控制方向的问题,基于鲁棒自适应模糊技术,提出新颖的协同容错控制方法。采用分段Nussbaum函数解决了多未知控制方向;基于鲁棒自适应模糊技术解决了系统中的非线性不确定问题;引入一阶滑模微分器与自适应反步技术结合,用于获得虚拟控制律的一阶导数,并结合鲁棒有界方法,用于提高所设计的自适应协同控制器的收敛速度和追踪精度;基于代数图论,建立了智能体系统的误差模型,设计了分布式一致协同容错控制器,构建了李雅普诺夫候选函数,证明了所设计的控制器能够使得系统稳定。通过对比仿真实例,验证了所提方法的有效性,为工程实践提供了理论支撑。
  • 采用弹道修正技术的红外干扰弹性能优化
  • 邢炳楠,杜忠华,杜成鑫
  • 2022, 44 (2):141-149[摘要](341)  [PDF  7282KB](255)
    针对弹道修正弹的高维非线性特性导致的性能优化难题,改变概念设计阶段传统的串行设计方式,提出了一种基于实验设计(Design Of Experiments,DOE)和响应面(Response Surface Methodology,RSM)的智能优化算法,定义基本的弹丸结构模型以及相关的设计参数。在DOE的基础上,将设计变量映射到性能准则,生成Stochastic Kriging响应曲面,并训练神经网络识别不稳定设计。通过多种群遗传算法确定最优弹丸设计,改变其代价函数,可以产生反映性能权衡的最优设计Pareto前沿。仿真结果表明,对于基于弹道修正方案的红外干扰弹的技术改造,所提算法在其概念设计阶段可快速、精确地得到性能要求下的最优设计配置,为伴飞任务的实现提供了保障。
  • 气控软体驱动器结构分析与优化设计
  • 刘卓群,张翔,黄奕勇,陈小前,赵勇
  • 2022, 44 (2):150-161[摘要](320)  [PDF  11881KB](316)
    气控软体驱动器的结构特性对其运动和力学特性影响显著,目前气控软体驱动器支反力和倾角性能亟须提升。基于ABAQUS提供的脚本接口,采用Python语言开发脚本建立气控软体驱动器参数化仿真模型,将尺寸因子作为优化变量,联立Isight和ABAQUS,采用单因子试验方法确定倾角和支反力两个目标量的高敏感性影响因子。运用归一化与加权策略及进化优化算法对倾角与支反力进行全局目标优化,得到最优参数组合。结果表明,支反力和倾角相对于响应初值分别提升29%、136%,实现气控软体驱动器有限元计算和多变量优化耦合运行,同步提升了气控软体驱动器的弯曲变形能力和负载能力。
  • 高亚声速时叶尖小翼对压气机叶栅泄漏流动的影响
  • 吴宛洋,钟兢军
  • 2022, 44 (2):162-178[摘要](334)  [PDF  36262KB](291)
    为了探索跨声速来流条件时,不同安装位置、不同宽度的叶尖小翼对压气机叶栅气动特性的影响,对Ma=0.8时包括原型叶栅在内的7种扩压叶栅的流场进行了数值研究。结果表明:在多种因素的共同影响下,不同来流冲角的吸力面叶尖小翼在流场中都为负效果,增加了流场复杂性;压力面叶尖小翼则改善了泄漏流动,减小了流动损失。两种安装位置的叶尖小翼对流场的影响效果都与其宽度成正比。叶尖小翼对流场的干扰或改善效果在正冲角工况下都更为明显。与原型工况相比,在正6°冲角工况时可以观察到两种叶尖小翼的效果最明显,宽度为原型叶片叶顶宽度2.0倍的吸力面叶尖小翼带来4.17%的流场损失,宽度为原型叶片叶顶宽度2.0倍的压力面叶尖小翼则伴随着10.15%的改善效果。
  • 面向可调喷油速率的超高压共轨系统建模及仿真分析
  • 周磊,杨昆,聂涛,吴昕,刘楠
  • 2022, 44 (2):179-187[摘要](305)  [PDF  8833KB](268)
    针对常规高压共轨系统在喷射过程内喷油压力较低、无法灵活实现喷油速率改变等问题,提出并设计了立足国内加工能力和技术工艺的面向可调喷油速率的超高压共轨系统。在介绍其工作原理的基础上,基于AMEsim软件建立了系统的仿真模型,并利用试验验证了模型的准确性;通过模型研究了系统的压力特性和喷油控制特性,同时分析了电控增压器的关键结构参数对系统性能的影响规律。结果表明:面向可调喷油速率的超高压共轨系统可以将燃油压力放大至超高压状态,并且通过改变系统内电控增压器和喷油器各自电磁阀的控制信号作用时间,能够实现灵活可控的喷油速率曲线形状。相比于控制室容积和阀芯质量,出油孔直径和阀芯位移对系统性能的影响较大,随着出油孔直径和阀芯位移的增加,增压室压力和喷油速率峰值增大,而燃油泄漏率先上升后下降。
  • 双球破片冲击柱壳装药的临界起爆条件
  • 郭淳,郭尚生,钱建平,顾文彬
  • 2022, 44 (2):188-194[摘要](301)  [PDF  6100KB](305)
    为了研究导弹战斗部(柱壳装药)在破片场中的累积毁伤问题,在现有单破片起爆平板装药的Jacobs-Roslund经验准则的基础上,分别建立了考虑破片尺寸、破片撞击角度、柱壳装药的装药半径和壳体厚度的单球破片、双球破片冲击柱壳装药临界起爆条件的工程分析模型。该模型计算结果与数值模拟结果和现有试验结果相吻,证明利用该模型能较准确地预测单球破片、双球破片以任意角度冲击柱壳装药的临界起爆条件。
  • 高精度液压系统压力波传递速度在线测量试验
  • 梁云栋,何琳,徐荣武,陈宗斌
  • 2022, 44 (2):195-202[摘要](323)  [PDF  6773KB](262)
    管内流体压力波传递速度是分析研究液压系统稳定性和动态品质的基础物理参数。从传输管路波动方程出发,推导三传感器测量原理,引入Foster等价剪切系数模型,对液压管路中各种影响因子进行高精度估计,采用Newton-Raphson迭代法减小数据处理误差,精确计算压力波传递速度。基于理论推导,搭建液压管路压力波传递速度在线测量试验平台,用MATLAB软件编程,实现了液压系统多种工况下压力波传递速度的精准测量与计算。试验结果表明:系统在典型的工作压力20 bar、50 bar、75 bar和100 bar下,压力波传递速度大约分别为1 320 m/s、1 338 m/s、1 363 m/s、1 380 m/s,所测结果在置信水平为95%的波速区间内误差在±1%范围内;管路压力波传递速度大小随工作压力的升高而增大,并依据试验结果给出了二者之间的函数关系;精确计算压力波传递速度需考虑管路材料对系统柔性的影响。试验和分析结果对液压系统管路压力波传递速度在线测量和预估具有重要指导意义和参考价值。
  • 弹性基上圆柱管弯曲行为的高阶剪切梁理论解
  • 马维力,申柳雷,宋殿义,李显方
  • 2022, 44 (2):203-210[摘要](328)  [PDF  6224KB](310)
    以弹性基上圆柱管为研究对象,基于高阶剪切变形梁理论推导了Winkler弹性基圆柱管弯曲变形的高阶剪切梁理论控制方程,给出四种典型工况弯曲问题的精确解。研究表明,无须假设剪切修正系数,只需引入适当横截面翘曲形状函数,高阶梁理论在圆柱管内外表面满足剪应力τxr为零的边界条件,且对于不同长径比和厚径比的圆柱管弯曲问题均能提供足够精度的解析解。弹性基刚度系数趋近于零时,圆柱管挠度曲线趋近于无弹性基圆柱管挠度曲线,验证了关于Winkler弹性基圆柱管弯曲问题求解方法的正确性。不同于Euler-Bernoulli梁理论,此方法的横截面上正应力不再与中性面上的横向坐标呈线性关系,且当长径比较小和厚径比较大时尤为明显。剪应力τxz在远离中性面时,应力值逐渐减小,在中性面的内表面处达到最大,在靠近顶部和底部位置时逐渐消失为零。
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