基于NSGA-Ⅱ的复合材料防撞梁碰撞损伤多目标优化

为在设计时考虑低速碰撞损伤对碳纤维复合材料(CFRP)防撞梁力学性能的影响,发展了改进Hashin失效准则的VUSDFLD子程序来判定低速碰撞时CFRP防撞梁7个方向的损伤程度,采用壳单元模拟了复合材料的力学性能,建立了CFRP防撞梁低速碰撞有限元显式动力学模型。采用该方法对相同实验条件下的复合材料层合板低速冲击剩余强度进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了对比,仿真结果与实验结果吻合较好。在此基础上,以复合材料防撞梁铺层厚度和铺层角度为设计变量,将复合材料防撞梁的质量和低速冲击时产生的损伤单元数作为优化目标,建立了CFRP防撞梁低速碰撞损伤动力学多目标优化模型,采用基于Pareto策略改进的NSGA-Ⅱ非支配排序遗传算法对其进行多目标优化求解。优化后,CFRP防撞梁质量由1.02 kg降为0.76 kg,减重率为25%;损伤单元数由30238个降为23206个,损伤降低率为23%。结果表明,所发展基于Hashin失效准则的VUSDFLD子程序和对CFRP防撞梁低速碰撞损伤多目标优化是行之有效的,为复合材料防撞梁结构的优化设计提供了参考。

鲸鱼算法优化CNN-BiGRU-ATTENTION的车辆换道意图识别模型

针对时空多样特征、超参数敏感性影响车辆行为意图识别精度的问题,提出一种改进的CNN-BiGRU-ATTENTION混合换道意图识别模型。采用目标车辆轨迹序列和与周围车辆互动特征作为模型输入进行训练,实现考虑车辆动态变化状态的意图识别预测;使用鲸鱼优化算法对模型调整参数进行多目标寻优,降低模型调优难度;利用NGSIM数据集对模型进行评估校验。结果表明:所提出的WOA-CNN-BiGRU-ATTENTION模型与CNN-BiGRU-ATTENTION模型、Transformer模型相比,准确率分别提升了4.53%、0.97%,达到97.64%;WOA-CNN-BiGRU-ATTENTION模型在不同预判时间下的意图识别准确率最高,在换道前2.5 s的识别精度均能达到91%以上,证明模型具有较强的车辆换道意图识别性能。

勘测机器人SMA驱动器特性研究

为准确获取SMA驱动的勘测机器人驱动器性能,采用大变形多晶形状记忆合金马氏体相变的三维本构模型描述SMA力学关系,嵌入UMAT用户自定义材料子程序,建立了SMA驱动器的有限元分析模型。研究表明,SMA丝直径对驱动器性能影响较大,驱动器输出力随SMA丝直径增大而增大。研究方法可为同类型的SMA力学性能描述提供参考,研究结果可指导SMA驱动器的设计。

湿热环境对碳纤维复合材料防撞梁低速碰撞损伤的影响

为研究湿热环境对碳纤维增强复合材料(CFRP)防撞梁力学性能的影响,通过建立考虑湿热效应的碳纤维复合材料失效预测模型对23℃干态(RTD)材料进行湿热环境下性能预测,得到70℃干态(ETD)和70℃平衡吸湿(ETW)环境下的材料性能。采用实体单元模拟复合材料力学特性,建立不同湿热环境下CFRP防撞梁低速碰撞有限元显式动力学模型,发展了考虑湿热效应Hashin失效准则的VUSDFLD子程序来判定低速碰撞时CFRP防撞梁7个方向的损伤程度。在此基础上,对与VUSDFLD子程序联合的碳纤维复合材料失效预测模型进行相同实验条件下的拉伸仿真,仿真结果与实验结果吻合良好,验证了模型的有效性。开发了基于ABAQUS接口的Python自动后处理程序来统计CFRP防撞梁各个铺层、方向的损伤单元数。结果表明,相较于23℃干态环境,70℃干态和70℃平衡吸湿环境下的CFRP防撞梁单元损伤率分别增加了22%、49.6%;CFRP防撞梁两端点位移分别增加了1.33 mm、4.51 mm。本研究为评价湿热环境对碳纤维复合材料防撞梁低速碰撞损伤的影响提供了新的评价方法及思路。

基于多源域深度域自适应的跨工况滚动轴承故障诊断

在实际生产中,不同工况下的源域数据与目标域数据分布差异大且含标签的故障样本量少,单源域迁移故障诊断无法同时利用多个源域提供的诊断信息,会出现负迁移与模型泛化能力差的问题。针对此情况,提出一种基于多源域深度域自适应模型的滚动轴承故障诊断方法。将多个源域与目标域的原始一维时域信号输入到模型中的共享特征提取网络中,提取所有域的域不变特征;利用私有特征提取网络分别匹配每个源域与目标域的特征空间分布,结合最大均方差异(MMSD)与局部最大均值差异(LMMD)设计新型损失函数——局部最大均方差异(LMMSD),减小每对源域与目标域之间的数据特征分布差异,同时,使用领域判别器损失进一步增加域混淆;最后,根据LMMSD损失获得不同源域相对于目标域的权重,将多个源分类器与相应的权重相结合,对设备状态进行综合诊断。在2个公开变工况滚动轴承故障数据集上进行实验验证,结果表明:所提方法相比其他方法具有更高的诊断精度与泛化能力。

基于参数敏度分析的轮毂轴承寿命多目标优化

为提高某型第三代轮毂轴承受载疲劳寿命,以额定动载荷和额定静载荷作为响应指标,采用正交试验设计对轮毂轴承结构参数进行灵敏度分析,以轮毂轴承滚珠数量、滚珠直径、节圆直径及内外沟曲率半径等主要影响因素作为设计变量,建立轮毂轴承疲劳寿命多目标优化数学模型。分别采用非劣排序遗传算法(NSGA-II)、多岛遗传算法(MIGA)和最优化粒子群优化算法(MOPSO)进行优化求解,得到了轮毂轴承最优结构设计参数,采用有限元仿真分析方法对优化前后的旋压铆合装配成形轮毂轴承疲劳寿命进行对比验证。结果表明:上述优化策略实现了由2个目标函数主导的轮毂轴承整体性能提升,改善了轮毂轴承各组件的应力集中情况,提高了轮毂轴承的疲劳寿命,优化后结构最大应力较初始设计降低了约5.1%,寿命较初始设计结构增加了约3.8%,表明轮毂轴承的疲劳寿命多目标优化设计是有效的。

基于仿真数据驱动和领域自适应的滚动轴承故障诊断方法

针对实际工业环境中较难获取大量的高质量滚动轴承故障数据,智能诊断模型泛化性能差的问题,提出了一种基于仿真数据驱动和领域自适应的故障诊断方法。首先,建立仿真数据驱动故障诊断所需的物理模型,并根据轴承的型号及相应工况模拟不同故障形式,获得丰富的仿真数据;其次,采用迁移学习的方法解决仿真与实际故障数据存在数据特征分布不一致的问题,通过残差通道注意力机制网络提取不同领域的迁移故障特征,采用考虑了源域与目标域数据特征的条件分布差异的条件最大均值差异度量准则进行网络训练过程中不同领域的自适应操作;最后,在人为损坏和加速寿命实验损坏的轴承数据集上进行了不同迁移模型的实验验证,结果表明所提方法能在目标域小样本监督情况下获得较高的识别精度。

改进的YOLOv3浅海水下生物目标检测

针对浅海水下图像存在颜色失真、图像毛糙、局部过曝和尺寸差异大等导致的浅海水下生物目标检测精确度低的问题,提出一种基于YOLOv3网络的浅海水下生物目标检测识别方法。针对浅海中光线弱和使用人造光源导致的局部过曝问题,在YOLOv3网络中加入残差注意力模块,增强对目标的特征提取能力;针对浅海中图像色彩失真和图像毛糙等影响浅海水下生物目标检测识别效果的问题,采用跨阶段局部特征提取提高检测精确度,增强特征提取能力的同时避免信息冗余;针对同一物种由于空间位置造成的尺寸差异大的问题,采用完全交并比损失计算函数,提高目标检测的鲁棒性。通过实验验证证明了改进后的YOLOv3在浅海水下生物目标检测识别任务中能够有效提高精确度,降低漏检率。

轮毂开关磁阻电机偏心下电磁特性分析及优化

轮毂电机在道路激励、驾驶行为等外界扰动下易引发气隙偏心问题,进而导致其径向电磁力失衡,影响电机的输出性能。针对上述问题,对气隙偏心下轮毂电机的电磁特性进行分析,并提出基于遗传算法的开关磁阻电机结构参数优化方法来削弱电机的径向电磁力。以某8/6四相开关磁阻电机为研究对象,研究不同气隙偏心量、导通相对电机电感、磁链、转矩及径向电磁力的影响规律;借助不对称半桥主电路进行电机瞬态仿真,得到电机静、动态偏心工况下电机转矩及径向电磁力的响应特征;最后,以抑制开关磁阻电机径向电磁力为目标对开关磁阻电机结构参数进行寻优。结果表明:优化后开关磁阻电机径向电磁力减小了13.64%,电磁力波动减小了34.37%,转矩下降了0.2%。相比较转矩的微量牺牲,径向电磁力及电磁力波动得到有效抑制,表明了所提优化方法的有效性。

多管火箭炮定向管的多目标优化及多属性决策研究

针对某多管火箭炮(MRLS)复合材料定向管的结构设计指标,根据有限元分析方法和优化设计方法,以复合材料定向管的复合铺层厚度、铺层角度及定向管中定位部的位置为优化设计变量,定义定向管固有频率和定向管质量为优化目标,结合有限元数值计算结果,采用改进非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),建立了复合材料定向管的多目标优化模型。通过优化求解,得到帕雷托(Pareto)最优解,并由这些Pareto最优解构成决策矩阵,利用客观赋权的信息熵法计算各属性的权值,并运用逼近理想解的排序方法(TOPSIS)进行了多属性决策研究(MADM),对Pareto最优解作了排序。引入比刚度结构效能对比分析优化前后的定向管性能,表明对定向管的优化设计是有效的。

基于动力学仿真的舰炮基座结构拓扑优化设计

根据密度法的基本理论,结合工程实际,以非线性动力学仿真为基础,建立了某舰炮基座结构拓扑优化有限元模型。通过对最小成员尺寸的控制,避免了基座优化模型出现数值不稳定问题,得到了基座的优化设计结构,并用于全炮非线性动力学仿真分析。在引入比刚度结构效能的情况下,对比分析优化前后的仿真结果,表明基于密度法的基座拓扑优化设计结构能够满足该舰炮的工程实际需要,为舰炮轻量化设计提供参考和借鉴。

非线性耦合油气悬架系统动力学建模与仿真研究

针对某型工程车辆的油气悬架系统,确定了含非线性刚度和阻尼的油气悬架和轮胎的数学模型,并根据虚位移原理推导了油气悬架恢复力和轮胎恢复力之间关系的解析表达式。结合工程实际,基于有限元动力学方法,采用连接单元来模拟非线性刚度和阻尼特性,建立了油气悬架和轮胎耦合的非线性悬架系统动力学模型,并通过施加正弦载荷、冲击载荷和阶跃载荷,揭示了油气悬架系统的特性。该方法为同类型悬架系统动力学建模提供了借鉴,结果为悬架系统和汽车系统动力学的研究提供了参考。

勘测自推式钻地机器人螺旋钻进轴特性分析

为应对勘测自动化和智能化的发展需求,研发了一款勘测用自推式钻地机器人,分别采用理论分析和有限元仿真技术,对螺旋钻进轴叶片受力、螺旋钻进轴叶片临界转速和螺旋钻进轴力学特性等进行了深入研究。结果表明,随着土粒子运动轨迹上升角的逐渐增大,钻进时所需的转速逐渐增大,且螺旋叶片外缘螺旋升角的最优值也会明显增大;在外缘螺旋升角确定的情况下,随着土粒子运动上升角的增加,钻进时所需的转速也会随之快速增大。螺旋钻进轴的力学性能可满足该勘测钻地机器人的工作需求。研究结果为勘测自推式钻地机器人的设计、制造和优化提供参考。

基于有限元动力学的复合材料发射筒多目标优化设计

针对弹筒接触碰撞问题,分别采用有限元静力学隐式格式和动力学显式格式,模拟了导弹装填及发射过程。并以复合材料发射筒的复合铺层厚度和铺层角度为优化设计变量,定义发射筒在导弹发射过程中筒口产生的最大位移和发射筒质量为优化目标,结合有限元数值计算结果,采用Python语言进行编程,运用基于Pareto策略的改进的非支配排序遗传算法(NSGA-II),建立了多目标优化模型。通过优化求解,获得了Pareto前沿面曲线和最优解,运用比刚度结构效能对比分析了优化前后的发射筒性能,表明对发射筒的优化设计是有效的。

导弹尾部燃气冲击射流的流场特性仿真研究

燃气冲击流场波系结构复杂,是航空航天和武器系统设计阶段需解决的重要流体力学问题,发展分辨率高、具有强激波捕捉能力的数值方法是研究其流场特性的主要难点。为研究弹尾欠膨胀燃气冲击流场特性,采用正格式方法对轴对称可压缩Euler方程组进行数值离散,并对弹尾欠膨胀非稳态燃气冲击射流进行了数值计算。计算结果表明,正格式方法能够较好地捕捉到燃气冲击射流在流场演化过程中所形成的曲面激波、马赫反射和三波点等复杂波系结构,数值结果与实验照片反映的主要流动特征的吻合程度是令人满意的,在间断处不会出现数值振荡。这表明所用该方法对间断解具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新的方法。

燃气自由射流的正格式数值模拟

采用二阶正格式方法对复杂燃气自由射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法发展到轴对称Euler方程组的求解,并对不同欠膨胀压力比下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好捕捉到波胞、滑移线、射流边界以及三波点等复杂射流流场波系结构,与实验照片反映的流动特征及高精度、高分辨率的三阶间断有限元方法的计算结果吻合较好,马赫盘位置与理论预估值和实验测量结果误差较小。证明该方法对激波具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新手段。

NUMERICAL SIMULATION OF SUPERSONIC AXISYMMETRIC FLOW OVER MISSILE AFTERBODY WITH JET EXHAUST USING POSITIVE SCHEMES

Supersonic axisymmetric jet flow over a missile afterbody containing exhaust jet is simulated using the second order accurate positive schemes method developed for solving the axisymmetric Euler equations based on the 2-D conservation laws.Comparisons between the numerical results and the experimental measurements show excellent agreements.The computed results are in good agreement with the numerical solutions obtained by using third order accurate RKDG finite element method.The results show larger gradient at discontinuous points compared with those obtained by second order accurate TVD schemes.It indicates that the presented method is efficient and reliable for solving the axisymmetric jet with external freestream flows,and shows that the method captures shocks well without numerical noise.

基于图论的三构态助老变胞机构的设计与运动学分析

为了研发一款助老机器人,基于图论理论、机构的数综合,设计了一种可在2自由度、1自由度、0自由度之间切换的三构态助老变胞机构。针对变胞机构的2自由度行走构态,运用闭环矢量法进行了运动学分析,得到该变胞机构在该构态下关键位置的位移、速度、加速度等变化规律。分析结果显示,位移曲线在支撑期过渡到摆动期时位移变化较大,在步态周期的后40%内,速度、加速度均有较大变化,符合人体步态规律,表明该助老变胞机构设计是合理的。

泡沫圆筒的轴对称平面应变热问题分析

针对泡沫圆筒热应力问题,基于各向同性假设的等效力学方法,求得圆筒的弹性模量和泊松比,采用位移法推导了轴对称平面应变情况下,泡沫圆筒的热应力解析解,得到了径向应力和切向应力沿圆筒径向的变化规律。采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,对比分析了解析解和数值解的结果,发现两者的吻合程度令人满意,说明解析结果可信。研究了泡沫圆筒轴向摩擦力与外径、外表面增温之间的变化规律,为泡沫圆筒的设计提供参考。

无气隙叠堆式GMA高速开关阀磁场优化设计

为提高叠堆式超磁致伸缩驱动器(GMA)高速开关阀的平均磁场强度和均匀度,设计一种无气隙叠堆式GMA高速开关阀结构。用Ansys Maxwell建立叠堆式GMA磁场仿真模型,与理论分析结果进行对比,验证仿真模型的可信度。通过分析无气隙新型套筒、无气隙传统套筒与气隙式传统套筒等3种GMA结构的磁场特性,发现无气隙GMA的平均磁场强度略高于气隙式GMA,两者的磁场均匀度接近;无气隙新型GMA的平均磁场强度和磁场均匀度明显优于气隙式传统GMA,3根GMM棒的平均磁场强度分别增大6.3、9.7、8.1 kA/m,均匀度分别提高75.2%、51.2%、79.1%。结果表明:无气隙新型GMA磁场性能明显优于传统无气隙与气隙式GMA,可见GMA设计结构有效,为高频响大流量高速开关阀的设计提供理论基础。