无轴泵喷叶片流激共振产生机理及其抑制

针对无轴泵喷异常高频梳状线谱噪声,本文研究了梳状线谱的产生原因及其噪声抑制特点。基于推进器实测噪声谱、振动谱梳状特征,初步定位梳状线谱与泵喷叶轮密切相关;进一步采用单向流固耦合分析方法,验证了无轴泵喷高频线谱来源于流激引起的叶轮面内2弯模态共振,并提出了一种在叶轮过流通道增设环筋以提高叶片支撑刚度的方案。流固耦合仿真及实测结果表明:带有环筋加强的泵喷叶轮对流激振动与噪声有明显抑制作用,梳状线谱噪声降幅达25.2~30.2 dB,且未向其他频段转移。

高温声学检测技术的发展、应用与挑战

以我国航空航天、钢铁冶金、特种设备等领域的高温声学无损检测技术研究与应用为主线,分析了高温声学检测技术在促进先进高温材料制备与研发、钢铁冶金行业绿色低碳生产和产业升级、高温压力管道安全运行与维护等方面的巨大需求。介绍了国内外在高温声学检测的技术方法和仪器研制等方面取得的进展,分析了压电超声、电磁超声、激光超声、激光电磁超声等技术在高温无损检测应用方面存在的优缺点和应用场景,总结了高温声学检测技术面临的机遇与挑战。

耦合超声场的气液流动特性

功率超声作为一种新兴的绿色技术,越来越受到石油行业的重视。结合稠油超声降黏机制,从气泡瞬态演化规律和溃灭特性出发,对超声作用下空化气泡和空化流场进行数值模拟和实验验证。模拟结果表明,增加超声频率和减小气泡之间的距离会导致单个空化气泡最大半径的减小,气泡个数的增加会使气泡生长至破裂过程的速度减小,延长超声作用时间和增大超声频率可增加超声场中最大空化压力。实验表明,空化气泡不断在超声场中振荡并互相聚并,且随着超声作用时间的延长,该过程更加剧烈。研究内容为稠油超声降黏在石油化工行业的应用提供了重要的理论指导。

仅线圈式电磁超声检测方法与提离特性研究

针对传统永磁体式或脉冲电磁铁式电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)易吸附铁磁性颗粒导致换能效率下降甚至功能性损坏、难与铁磁性金属材料实现快速分离或移动、探头体积大、难以实现狭小区域等探头不可达区域的检测等难题,提出了一种仅线圈式电磁超声检测的技术实现与建模方法。建立了集仅线圈式EMAT的激励等效电路和检测过程的场路耦合分析有限元模型,分析了仅线圈式EMAT的纵波激励和接收机理,研究了提离对EMAT线圈的等效阻抗、放电电流的高频成分和类直流成分、检测回波的幅值和中心频率的影响。研制了仅线圈式EMAT检测电路,验证了提离的影响规律。研究结果表明:所研制的仅线圈式电磁超声检测系统可以在80 mm厚的铝合金试样中激励和接收纵波,且在0.1 mm提离时,一次底波的信噪比为28.10 dB。当提离由0.1 mm增加至1.0 mm时,二次底波的信噪比由22.21 dB减小至8.01 dB,其中心频率由1.35 MHz下降为1.27 MHz。

高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计

蝶形线圈电磁超声换能器(EMAT)能够在铝块中同时激发出超声横波和纵波,接收信号中存在横波反射回波和纵波反射回波,纵波回波会影响缺陷检测的准确性。该文设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,通过改变线圈不同位置导线的宽度与间距,改变不同位置的换能效率,以实现横波的增强和纵波的抑制。首先,考虑永磁体的空间磁场分布,分析蝶形线圈EMAT不同位置导线所受洛伦兹力与激发超声波类型的关系,结合有限元声场云图,得到EMAT接收信号中存在多个回波的原因;其次,研究线圈参数对换能效率和横波纵波幅值比的影响规律,利用有限元仿真确定变尺寸EMAT的设计参数;最后,制备常规与变尺寸蝶形线圈EMAT,采集无缺陷铝合金试块的回波,结果表明,当永磁体直径与线圈中心宽度比为1.92时,纵波幅值削弱了66.1%,横波幅值增大了36.3%,横纵波幅值比从5.8升至23.1。该文设计的变尺寸蝶形线圈EMAT实现了对纵波的削弱和横波的增强,提升了横波电磁超声内部缺陷检测的可靠性。

ML组合的CYGNSS海面风速反演质量控制模型

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出一种基于机器学习(ML)组合的海面风速反演模型。在基于CNN回归模型的CYGNSS反演海面风速基础上,ML分类模型生成CNN回归结果的质量标志位,该标志位可以检测并删除CNN回归结果的异常值,进一步提高风速反演结果的数据质量,ML分类模型能够更好地考虑各种数据误差之间的相互作用,而不是单独使用每个条件的阈值,以达到更优的海面风速反演精度的效果。实验对比了Logistic回归(LR)、决策树(DT)、朴素贝叶斯模型、K最邻近(KNN)算法、神经网络(NN)模型、支持向量机(SVM)算法等6个分类模型,其中,基于KNN算法的分类模型对风速反演质量控制的效果最优。所提风速反演组合模型显著提高了反演结果的精度,在0~20 m/s区间内,异常样本过滤率为81.27%,在所有被过滤的数据中,过滤正确率为86.03%;风速反演误差的均方根误差从无ML分类模型的1.7 m/s降低到有ML分类模型的1.44 m/s,其中,训练样本为0~10 m/s的反演结果精度提升效果较为明显,证明了所提风速反演组合模型对风速质量控制的有效性。

舰载直升机主动甲板着舰气动载荷特性

被动与主动流动控制可减小舰艇艉流强度,但直升机着舰甲板处仍存在明显回流现象,由此导致直升机气动载荷变化显著。提出了自动升降的舰艇主动甲板,建立基于格子玻尔兹曼方法 (LBM)的舰艇主动甲板流场分析方法,并结合单向耦合模型,嵌入旋翼黏性涡粒子法,研究直升机主动甲板着舰气动载荷特性。通过与SFS2舰艇流场试验、分离涡模拟(DES)方法、大涡模拟(LES)方法比较,验证了所建方法的准确性。随后研究主动甲板对舰艇流场和直升机着舰气动载荷的影响特性。结果表明:相比于标准SFS2舰艇,主动甲板有效抑制了直升机着舰甲板处回流,以及直升机旋翼拉力损失、滚转和俯仰力矩,最大降幅分别为21.6%、55.1%、74.6%。

楔块耦合的碳纤维增强复合材料褶皱缺陷全聚焦成像

褶皱是碳纤维增强复合材料中最主要的缺陷类型之一,当使用超声相控阵对复合材料薄板进行检测时,由于采集系统非线性效应和电子串扰等干扰会引发盲区现象,掩盖了薄板内的褶皱信息。为削弱盲区影响,考虑在相控阵与复合材料薄板(小于10 mm)之间增加楔块,提出楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法。基于费马原理与斯涅耳定律,建立楔块耦合的多层介质超声波传播模型;制备含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,搭建超声相控阵数据采集系统,采集全矩阵数据;将楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法和传统全聚焦方法的成像效果进行对比。结果表明,基于楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法能减小试样表面盲区深度,修正声时偏差,削弱盲区影响,恢复出试样内的褶皱缺陷。相比传统全聚焦方法,纤维褶皱长度、褶皱顶部高度、褶皱角度这3个参数表征的精准程度分别提高了5.9%、4.1%、4.2%。该文为碳纤维增强复合材料薄板褶皱缺陷的检测提供了新思路。

基于Matlab的超磁致伸缩骨传导振子设计平台研发

针对声学领域中利用稀土超磁致伸缩材料(GMM)设计的微型骨传导振子结构设计计算复杂的问题,提出设计一款稀土超磁致伸缩骨传导振子的结构设计平台。在稀土超磁致伸缩换能器设计理论的基础上,利用Matlab强大的数据处理能力和GUI图形用户界面功能搭建了骨传导振子的设计平台。该平台可以对骨传导振子内部的GMM棒、激励线圈、预压力机构等部件进行设计计算,还可对骨传导振子的性能指标进行检验。该平台操作简单,可根据设计要求进行改变参数,有效地提高了设计效率。

基于视觉Transformer飞行员姿态估计

人体姿态估计是行为感知领域中的一个重要环节,也是民用飞机驾驶舱智能交互方式的一项关键技术。为建立民用飞机驾驶舱复杂光照环境与飞行员姿态估计模型性能的可解释联系,提出基于视觉Transformer飞行员姿态(ViTPPose)估计模型,该模型在卷积神经网络(CNN)主干网络末端使用包含多层编码层的双支路Transformer模块,编码层联合Transformer和空洞卷积,在增大感受野的同时捕捉后期高阶特征的全局相关性。基于飞行机组标准操作程序,建立飞行模拟场景下的飞行员操纵行为关键点检测数据集,ViTPPose估计模型在此数据集上完成飞行员坐姿估计,并通过与基准模型对比,验证了其有效性。在驾驶舱复杂光照的背景下,构建坐姿估计热图,分析ViTPPose估计模型对光照强度的偏好,测试其在不同光照等级下的性能,揭示其对不同光照强度的依赖关系。

压电超声SH导波管道测厚方法优化及系统设计

为深入探究水平剪切(SH)波在有界平板中的传播特性,该研究从SH波的基本理论出发,根据无限大平板中传播的SH0波的非频散特性,开展有界平板结构中SH0波传播特性的仿真分析和实验验证。结果表明,在频厚积参数为3.0 MHzmm的激励条件下,有界平板结构中传播的SH0波能够保持优良的非频散特性。在此研究基础上,针对利用SH导波在测厚研究中存在的耦合效果不佳、回波信号杂乱等共性问题,借助平板型波导条设计了一套基于压电超声SH0导波的管道壁厚测量装置,并基于该测厚设备开展了管道壁厚检测实验。实验结果表明,所设计的“预固定”加“二次固定”耦合方法有效解决了耦合难题;基于该测厚装置提出了忽略首次回波信号的管道壁厚计算方法,该方法能够从原始回波信号中更加精确地计算出壁厚值,将测量值精度误差控制在0.05 mm以内。该文提出的研究方法为工业管道的壁厚检测和长期在线监测提供了新的解决思路,在工程实践中具有重要的参考价值和指导意义。

边防哨所风光耦合制氢系统的配置优化

为解决边防哨所地处偏远、环境复杂、对能源需求大且上网成本高的问题,利用风光资源的互补性及氢能的能量密度高、绿色清洁等特点,提出了建立以风能和太阳能作为主要发电能源的风光耦合制氢系统,并选择氢能单元作为系统的储能单元,以满足边防哨所对能源多样性的需求,提高哨所从周边环境获取能量的能力。建立风光耦合制氢系统各子系统数学模型,以减小系统成本、提高可再生能源利用率、增大氢能产量为目标进行系统建设配置优化,选择系统各组件的额定功率作为设计变量,具体地区气象数据作为输入,利用第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行求解,对优化得到的帕累托解集进行决策。通过层次图的绘制实现多维帕累托前沿可视化,得到了最优配置方案,并与未优化配置方案等进行对比,保障供电可靠性的同时可大幅度提高能源利用率、降低配置成本。

侧风对直升机沙盲特性的影响

直升机旋翼与地面复杂干扰流场诱导沙床沙粒运动,形成沙盲现象,然而侧风改变旋翼与地面干扰流场,改变沙云形态和沙盲现象。因此,将侧风作用项嵌入基于黏性涡粒子的旋翼/地面气动干扰模型,体现侧风对旋翼与地面干扰流场的作用,并基于离散单元法的沙粒动力学模型,增加侧风引起的气动力,体现侧风对沙粒运动的作用。研究侧风对直升机前飞沙盲特性的影响,并分析侧风速度、风向对直升机沙盲特性的影响规律。结果表明:侧风对直升机沙盲沙云形态影响显著,且左侧风显著增强沙尘浓度,而迎风状态减小沙尘浓度;随着侧风速度的增加,左侧风状态下的沙尘浓度先增加后减小。

基于扫描旋转同步运动的三维成像方法

为满足在役战机隐身性能的快速检测需求,提出了一种基于垂直扫描、方位旋转同步运动的三维成像方法。成像系统主要由射频收发设备、收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端构成。天线发射频率步进信号时,对转台上的被测目标进行水平旋转,同时,收发天线对在垂直方向上扫描被测目标。以点目标组合为例,通过理论分析和仿真计算,确定该成像系统的参数配置,比较不同参数配置下系统的三维成像性能。仿真结果表明:采用垂直扫描、方位旋转同步运动方法能够实现三维成像,该方法与经典圆柱面扫描方法相比,扫描时间可缩短92%,同时保持11 dB峰值旁瓣比率。所提方法具有测试效率高、系统搭建简单、易于调节的特点,为服役阶段的隐身飞机散射源诊断提供了一种有效的测量方法选择。

基于声黑洞设计理论的径向夹心式径-弯复合换能器

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole,ABH)结构中振幅不断增大的特性,提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器,该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成.ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换,提高了换能器的声辐射性能.利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型,给出了其弯曲振动的本征频率,并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系.通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性,仿真结果表明,ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能,提高换能器的声辐射性能,使换能器呈现出一定的辐射指向性.最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量,实验结果与仿真相符合.

基于Kriging的多阶段加点策略及离心叶轮汽蚀优化

为了实现燃油离心泵汽蚀特性智能优化设计,提出一种基于Kriging的多阶段主动学习加点策略。重点是建立3个阶段的加点策略,并明确各阶段加点策略的切换判据。基于一维函数、多维函数等测试函数,与单加点策略对比以验证多阶段主动学习加点策略的有效性。进而,以某型燃油离心泵为例,完成所提出加点策略在其汽蚀特性的优化应用。测试函数算例结果表明:多阶段主动学习加点策略达到相同精度所需时间稍长于单MSE策略,优于单EI策略与单CV策略;但相比单MSE策略,全局最优解局部精度更高。离心泵汽蚀特性优化结果表明:优化泵进口处压力损失降低且进口处回流、旋涡等局部流动减弱,蜗壳内压力梯度增大且其出口处旋涡流动减弱;优化泵的汽蚀系数提高30.83%,汽蚀余量下降9.14%,汽蚀比转数下降7.17%,泵内气体含量下降17.27%,所提出的方法有效地提高了离心泵的抗汽蚀性能。

基于CT图像建模的TATB基PBX超声检测仿真方法

为突破TATB基PBX超声仿真精度的局限,实现结构与性能关联的超声无损检测与表征,提出基于CT图像建模的PBX超声仿真建模方法,利用CT图像中颗粒相与黏结剂相显著的灰度分布差异提取结构形态和特征,通过对CT图像切片降噪、二值化、边界优化等处理,获得了包含造型粉颗粒及边界形态的二维几何结构模型,并将该模型用于超声传播过程的有限元仿真,定量对比了基于CT图像的超声仿真模型与Voronoi模型仿真效果的差异。研究表明,基于CT图像模型可以实现TATB颗粒及边界形态随机复杂结构特征的有效刻画,使得超声仿真结果与实验更趋一致,声速、衰减、频域幅值和表观积分背散射系数的误差分别为0.32%、1.14%、0.92%和1.55%,均在2%以内,相较于Voronoi模型的误差(2.77%、35.93%、20.70%、13.68%)大幅降低,仿真准确性得到显著提升。

基于激光超声的玉米虫蚀粒检测研究

虫蚀影响玉米的外观质量和营养价值,研究采用了一种基于激光超声的玉米虫蚀粒检测方法对玉米虫蚀粒进行检测。首先,利用脉冲激光照射完善粒和虫蚀粒玉米的表面产生激光超声信号。然后,提取了超声信号时域峰值因子和脉冲因子,频域重心频率和均方频率,Hilbert域高频能量作为特征参数。最后,将这5个特征分别作为BP神经网络和粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)算法的输入对虫蚀粒和完善粒进行了分类识别。实验结果表明,PSO-SVM算法建立的分类模型对玉米完善粒和虫蚀粒的分类识别更准确,训练集和测试集准确率分别为99.72%和98.33%,所采用的方法是可行的。

喷水式超声检测的声−流耦合模型

为研究超声波在射流水柱中的传播特性,提出了喷水式超声检测的声−流耦合建模方法。使用计算流体动力学方法得到喷水探头内部流场的湍动能、速度和压力,并通过弱形式偏微分方程将其映射到声学网格作为声场分析的边界条件,用线性纳维−斯托克斯方程求解湍动能、流速等引起的声学变化,建立了喷水式超声检测的声−流耦合模型。仿真计算了不同流速时工件内部的声压分布,进水口流速的变化不会改变工件中声压的分布规律,但空间声压幅值随着流速的增大而减小。仿真计算了不同流速时的平底孔回波,回波幅值随着流速的增大而减小,通过与实验结果对比,验证了本文方法的准确性。

超声在线监测不饱和聚酯树脂固化过程及其动力学行为

为探索不饱和聚酯树脂(UPR)固化体系在不同温度下的超声振幅变化规律,采用超声波穿透技术对UPR固化过程进行在线监测,获得声速、储能模量、松弛时间、凝胶时间等动力学参数变化规律,并得到固化反应动力学方程。结果表明:温度越高,声速与储能模量变化越快,且最终数值也越大,而固化松弛时间与凝胶时间随温度增加而缩短;此外,超声法与差示扫描量热法(DSC)得到的固化度曲线变化高度一致,通过2种方法所得到的反应活化能分别为38.14 kJ/mol和45.3 kJ/mol;最终,通过DSC法确定了UPR固化反应动力学级数为0.92。总之,超声法与DSC法2种方法相互结合,不仅证明了超声结果的准确性,也为UPR固化过程提供一种精准的在线监控技术和量化方法,从而为UPR生产过程提供理论指导。