基于APSO-LSSVM的航空发动机轴承故障诊断及寿命预测

航空发动机轴承在高速、高温、高载荷等极端工况下易发生机械故障,为了提前预警,提出了一种基于自适应粒子群优化(Adaptive Particle Swarm Optimization,APSO)算法的最小二乘支持向量机(APSO Least Squares Support Vector Machine,APSO-LSSVM)对滑油系统中轴承磨屑进行在线监测的故障诊断及寿命预测。通过主成分分析法(Principal Components Analysis,PCA)对滑油磨屑信息进行降维处理,构建特征向量,并将特征向量输入APSO-LSSVM模型,对轴承故障状态进行分类并对轴承剩余寿命进行预测。结果表明:使用PCA可以保留数据样本99.9%的信息,同时还能极大地降低数据维度;与遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、灰狼优化(Grey Wolf Optimization,GWO)算法、粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法的支持向量机相比,所提算法因采用了自适应调节粒子移动步幅,在进行轴承状态分类时准确率更高,分类正确率可达95.56%,同时在进行轴承剩余寿命预测时具有较好的准确度和泛化性。

基于渐近均匀化方法的准周期梁结构等效刚度数值实现方法研究

相比周期梁结构,准周期梁结构沿轴向梯度变化,具有更大的设计自由度,能够获得更好的结构性能。由于其非均质性,一般将其均匀化为具有等效性质的均质梁结构,但现有工作很少涉及准周期梁结构等效性质的计算。本文针对由周期梁结构映射而成的准周期梁结构,通过引入雅可比矩阵,基于渐近均匀化方法推导的单胞方程及其等效性质计算列式,并建立了其单胞方程及等效刚度的有限元求解列式。该方法可以处理沿轴向变形的任意微单胞构型,数值算例验证了其正确性和有效性。

基于碳系材料的标准应变传感条应用研究

针对传统电阻应变测量过程中,电阻应变片只能适应局部应变的点测,不能进行全域性测量且粘贴工艺复杂的特点,本文提出了采用价格低廉的碳系材料,利用改进凹版印刷技术制备标准长度传感条,采用裁剪及拼接的方法,实现传感条测试区域的任意调整,介绍了基于电阻变化率的传感条应变测试基本原理,通过等截面悬臂梁静载实验考核了标准传感条的各项性能指标,并通过钢筋混凝土弯曲梁实验评价了标准应变传感条针对混凝土梁小应变时全域性的测量效果,实验结果表明:该标准应变传感条具有制备方法简单、组合方式多样、小应变响应跟随性好、适用于户外现场测量的特点,可推广应用于混凝土结构的健康监测领域。

航空发动机滑油系统金属屑末在线监测技术

针对航空发动机滑油系统中金属屑末在线监测难、检测灵敏度低的现状,基于电磁感应原理,理论推导出了金属屑末通过传感器线圈引起的感应线圈输出电压的表达式,仿真分析了金属颗粒通过传感器时的输出电压,并通过相敏检波(Phase Sensitive Detection, PSD)技术对传感器感应线圈采集到的信号进行解调处理,以提高传感器的采集灵敏度。实验验证了在使用频率为80 kHz、幅值为±10 V的正弦激励信号对13 mm管径进行监测时,传感器对铁磁性金属颗粒的检测灵敏度为80μm,对非铁磁性金属颗粒的检测灵敏度为350μm;为感应式金属屑末传感器的设计提供了理论和技术支持,为航空发动机滑油系统中的金属屑末在线监测提供了技术保障。

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。

基于超声导波波束成形的缺陷反演方法研究

利用超声导波对板结构中的缺陷进行反演可以确定缺陷的位置和形状信息,针对走时成像方法在低频范围内效果不佳的问题,提出一种基于波动场的超声导波缺陷反演成像方法。根据波动方程推导出波束成形成像原理,利用Born近似下的散射场数据对成像区域像素点的值进行相干叠加,得到缺陷的位置和形状。再通过波束成形与傅里叶衍射定理在频域的映射关系,将波束成形的结果转化为衍射层析成像图像,得到了更为清晰的反演图像。针对衍射层析成像中存在伪影和噪声的问题,利用二维变分模态分解(Two-dimensional variational mode decomposition,2D-VMD)方法对图像进行降噪处理,有效去除了伪影和缺陷轮廓边缘的毛刺,进一步提高了成像分辨率。反演结果表明该方法可以较为准确地重构出铝板上减薄缺陷的位置、大小和形状,具有较高的分辨率。

凹透镜实现亚波长聚焦的理论和实验研究

为了提升传统平面透镜的聚焦效果,增加焦点处的能量,缩小焦斑尺寸,实现亚波长聚焦,文章基于厚度变化设计了用于聚焦平面弯曲波的凹透镜.首先,基于Timoshenko梁理论求解了弯曲波在经历厚度变化后的透射系数及相位变化,并基于此完成了凹透镜的结构设计;其次,应用有限元软件COMSOL Multiphysics的结构力学模块开展了该透镜频域内的工作性能分析,包括聚焦位置及焦点处能量、焦斑尺寸等,并与传统平面透镜的情况进行对比;最后,实验验证了凹透镜设计的合理性和正确性.研究结果表明:文章所设计的凹透镜使平面入射的弯曲波聚焦在预先设定位置,且其性能优于传统的平面透镜,焦点处的能量更高、焦斑尺寸更小;凹透镜的焦斑尺寸小于工作波长的0.5倍,属于亚波长聚焦;此外,该透镜还具有一定的工作频率带宽,在结构参数不变的情况下能够在设计频率附近正常工作.提出的透镜设计方法易于工程实现,且聚焦性能优越,设计思想也能为声波、光波等领域相关透镜的设计提供借鉴.

基于应变能动态聚类的梯度点阵结构优化设计

为了优化具有空间渐变几何特点的梯度点阵结构,促使有限材料在宏观结构中实现合理分布,提出结合动态聚类的两尺度并发拓扑优化方法。在整个优化过程中,微结构分区方式可以通过K-means聚类方法基于当前的宏观单元应变能进行聚类更新,获得比静态分区更为合理的微结构分布方式;并引入微结构转角变量,根据结构主应力方向来布置微结构转角,获得更为合理的宏观结构传力路径。数值算例表明,相较于传统指定材料区域的静态分区方法,该方法可以更为有效地进行材料分布,充分利用材料的各向异性,提升结构性能。

基于PINN的变截面压电半导体纤维力学特性研究

为了研究任意截面形状的压电半导体纤维的力学特性,提出了基于物理信息的神经网络模型,应用深度学习算法求解复杂的变系数偏微分方程。以变截面压电半导体纤维的静态拉伸为例,构造深度神经网络作为试函数,将其代入控制方程形成残差,并作为机器学习的加权损失函数,进而通过深度机器学习技术逼近数值解。研究结果表明:该方法具有广泛适用性,能够求解任意截面形状压电半导体材料的线性和非线性方程。

变体分比功能梯度点阵结构两尺度拓扑优化设计

功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务.本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计.(1)结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化,获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区.(2)进行空间梯度变化点阵结构参数优化,进一步扩大设计空间,获得变体分比的结构设计.相较于单一点阵微结构设计,两步优化策略可以更为有效地实现材料利用,显著提高结构刚度,且该方法适用于不同微结构构型,数值算例验证了该方法的有效性.

复波数域弥散曲线的求解方法研究

研究了复波数域弥散方程的求解问题,根据相关文献提出了三种求解复波数域弥散曲线的方法,即一种改进的牛顿迭代法——抛物牛顿迭代法、求解方程组的二分法、模值收敛判别法。应用上述三种算法可以求出大部分弥散方程的数值结果。文中引用了参考文献中关于复波数域弥散曲线的算例,应用这三种方法分别对算例中的弥散方程进行求解并绘制相应复波数域弥散曲线。结果表明,这三种方法均可较好地对算例中的弥散方程在复数域中进行求解。通过与参考文献中的算例进行对比,进一步分析了这几种方法的特点和使用范围,介绍了如何应用这几种方法对复波数域弥散方程进行求解。

基于SH0导波的电磁超声换能器设计与实验研究

传统基于周期性永磁体的电磁超声换能器结构较复杂,为此该文提出了一种由单一永磁体和导线阵列线圈构成的电磁超声换能器(EMAT)用于激发板中的SH0导波。首先叙述了设计的原理,并采用有限元软件进行三维数值仿真分析,利用水平极化永磁体垂直于板面的磁场在铝板中成功激发出SH0导波。为使EMAT换能效率达到最优,研究长和宽为10 mm×25 mm的永磁体,其高度及线圈匝数不同时EMAT激励的效率。仿真结果表明,选用永磁体高度为25 mm及线圈匝数为37时EMAT换能效率和声场指向性较好。在此基础上,通过实验研究了不同线圈匝数对换能器换能效率的影响,实验结果与仿真结果一致,充分验证了该文设计EMAT的方法具有可行性。

基于遗传算法的开孔复合材料层合板铺层优化

针对开孔复合材料层合板铺层角度的优化设计问题,应用遗传算法以铺层角度为参数进行优化计算,并以一阶固有频率最大化为设计目标。开孔板的固有频率求解通过基于独立坐标耦合法的瑞利里兹法进行,再用遗传算法随机搜索获得一阶频率最大时的铺层角度。考虑了板的层数、孔大小、长宽比、边界条件等因素对优化的铺层角度影响。最后通过优化计算表明,对于方形版,层数和开孔大小不影响最优铺层,而长宽比对最优铺层角度影响重大。

基于RFID技术的石油钻具管理系统研制

为了提高钻具管理的信息化水平,研究了基于RFID技术的钻具信息采集管理系统。选择适用于钻杆的超高频RFID标签作为信息载体,采用有限元方法分析了标签安装孔对钻杆强度的影响;以超高频RFID读取技术为基础,构建了环形阵列天线结构的信息采集硬件系统,天线阵列发出的读写信号能够全向覆盖钻杆;采用.NET技术构建远程信息管理系统,实现了钻具信息采集、存储的远程无人值守;环形阵列天线及读写器安装在钻井平台下方,起下钻作业时钻杆穿过环形阵列天线,即使不知道RFID标签埋入位置也能采集到钻杆信息,通过Web端即可管理钻杆信息。试验结果表明,在RFID芯片位置未知的情况下,钻杆以0~2.00 m/s的速度运动时,系统能准确无遗漏地采集钻杆信息。基于超高频RFID技术的钻杆管理系统的研制,为石油钻具管理信息化提供了有效途径。

旋转轴唇形密封件磨损仿真分析

使用有限元分析软件Abaqus对旋转轴唇形密封件的磨损进行模拟,通过UMESHMOTION用户子程序来实现密封件的动态磨损过程和控制局部区域的网格自适应划分,并基于磨损因子模型来控制橡胶的磨损速率,得到了密封件唇口轮廓形状以及接触压力随时间的演化规律。通过计算所得的主唇口磨损深度与实验值进行对比,验证了仿真方法的有效性。结果表明:密封件唇口磨损可分为初期的快速磨损阶段和之后的稳定磨损阶段;在磨损初期磨损速率较大,密封圈与轴之间的过盈量减小,最大接触压力先迅速减小,而后变化逐渐趋于缓慢;随着磨损时间的增加,唇口轮廓逐渐变得平缓,并且防尘唇的磨损程度要比主唇口更高,说明磨损主要发生在空气侧。

桩柱周期分布的平板中SH波的传播特性分析及其在聚焦透镜设计中的应用研究

本文首先建立求解水平剪切波(即SH波)在桩柱周期分布的板中传播的理论模型,计算其带隙结构,并与有限元仿真的结果进行对比,验证该理论模型的准确性.在此基础上,应用此模型研究桩柱高度对最低阶水平剪切波(即SH0)的影响,发现随着桩柱高度的增加,SH0的相速度降低.基于桩柱高度与相速度的敏感特性,设计了一款可实现SH0聚焦的透镜,并进行相关的仿真分析,研究该透镜的适用范围和聚焦效果.研究结果表明,该透镜聚焦位置准确,聚焦能量高,且在不改变结构的情况下在一定频率范围内均可实现聚焦功能,从而为能量收集、超声医学、无损检测、吸声降噪等应用提供新的思路.

导波检测金属构件疲劳裂纹的试验研究

对于金属工程结构而言,疲劳裂纹是威胁结构完整性的关键问题之一,但是金属构件从疲劳裂纹萌生到发生断裂只发生很小的永久变形,很难事先察觉,是一种极其危险的破坏形式,因此对疲劳裂纹进行准确的定性和定量检测具有重要意义。介绍了用导波检测金属试样疲劳裂纹的试验研究,建立了四点弯曲试验装置,对试样施加疲劳载荷,PZT传感器表面安装在试样上,在疲劳试验中被用来激发和接收导波,利用连续小波变换从导波应力波信号中提取特征,表征疲劳裂纹的存在和扩展,同时采用数码相机对裂纹进行图形捕捉,通过试验结果对比表明所提出方法的适用性和有效性。试验结果表明,提出的检测方法能够准确、实时地检测出疲劳裂纹的存在。

一种求解复波数域波动弥散方程的通用数值方法

波动弥散方程的求解是分析弹性波或声波问题时的一种比较常见的过程,求解所得的曲线即为弥散曲线。其方程形式一般是关于波数与频率的一个二元超越方程,当波数为复数时,方程实际为三元超越方程。这类方程没有解析解,由于方程的变量和参数涉及复数域,一般的数值求解方法也难以处理。本文提出了一种基于模值收敛性的数值方法,求解一般波动弥散方程复波数域内的解。首先论述了本方法的理论依据,然后介绍了其求解步骤,最后将本方法应用于求解复波数域波动弥散方程的具体算例。通过对比可以发现:本方法广泛有效地解决了复波数域内波动弥散曲线的求解问题,适用于不同形式波动弥散方程的求解。

一种基于深度学习的超声导波缺陷重构方法

超声导波检测因其传播效率高、耗能少等优势成为了无损检测领域的重要研究方向.目前已有的利用超声导波进行结构缺陷探测和定量化重构的方法主要由相关的导波散射理论推导得出.然而,由于导波散射问题本身的高复杂性,使得在推导上述理论方法时引入一些近似假设,降低了重构结果的质量.另外,有些方法通过优化迭代的方式提高重构精度,又会增加检测的时间成本.有鉴于此,论文探索了一种将卷积神经网络与导波散射理论模型以局部融合的方式实现缺陷定量化重构的新方法.应用样本数据训练后的神经网络实现缺陷定量化重构,弥补缺陷重构过程中的理论模型误差,同时去除在实际检测过程中所存在的环境噪声.论文以利用SH导波重构平板中的减薄缺陷为研究对象,通过数值模拟验证了该方法在缺陷重构时具有高效率和高精度的特点,特别是对矩形缺陷的重构,新方法的结果精度比波数空间域变换法的精度提高了近200%.

一种求解瑞利波散射问题的修正边界元方法

边界元法的一大优势是用于求解半空间等无限域问题,但在求解弹性波的传播问题中,传统边界元法采用的全平面或全空间格林函数会在截断边界处产生虚假的反射回波,这会引起散射场求解的误差.为了避免这种误差,论文在传统边界元法基础上提出一种修正边界元法,该修正方法主要包括:以瑞利波形式的远端散射场代替原本因截断而舍去的部分,通过互易定理建立单位瑞利波和全平面格林函数的积分方程,求得修正系数,并代入修正边界元矩阵,计算出瑞利波的散射场.文中基于该方法计算了无缺陷平面的瑞利波(与解析解的误差为1.24×10-5),并运用该方法计算了不同缺陷的散射场.由文中对比结果表明,论文所提修正边界元法可准确求解瑞利波散射场,为基于表面波的缺陷反演问题研究提供了有效的正演途径.