海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

铀溶液多体系统核临界安全实验不确定度分析与基准化

为研究铀溶液多体系统的核临界安全特性,中国原子能科学研究院利用铀溶液核临界安全实验装置开展了两个系列的双平板式多体系统核临界安全实验,并完成了所有实验数据的不确定度分析和基准化。铀溶液多体系统由正对的两个相同尺寸的平板容器组成,平板容器之间的距离和隔离体能够改变,开展了距离效应和屏蔽效应共24个临界实验。根据国际核临界安全基准实验手册(ICSBEP)提出的不确定度分析方法进行了实验的不确定度分析,最大的总不确定度为200 pcm。建立了全部实验的详细基准模型,对两套蒙特卡罗软件与核截面数据库的组合计算特定系统k_(eff)的适用性进行了评价。两套组合的计算值与基准值的最大计算偏差分别为309.0 pcm和252.0 pcm,确认这两套组合均可用于相关系统的临界安全设计或安全分析。

基于模型预测静态规划的高速多体船减纵摇控制

为解决在海浪扰动下高速多体船的垂向稳定性变差问题,提出一种基于模型预测静态规划的减纵摇控制方法。考虑高速多体船模型不确定性、海浪噪声不符合高斯白噪声分布特点,根据噪声信息和误差信息设计平滑变结构滤波器,在线估计多体船的升沉速度、纵摇角速度,并将其引入到减摇控制中。在此基础上,基于模型预测静态规划提出多体船的减摇控制,采用终端偏差修正的求解方式,迭代更新控制输入,降低计算复杂度。最后,仿真实验表明了所提方法能有效抑制过大的升沉和纵摇运动幅度,以及减摇控制计算负荷小的优越性。

深水沉船打捞多体系统流载荷计算分析

双驳船抬吊法被越来越多用于大吨位沉船整体打捞,其作为多体系统存在着复杂的水动力特性,尤其在深水中应用尚需进一步研究。本文基于粘流理论,借助CFD软件FINE/Marine对双驳船抬吊法在深水海域整体打捞大吨位沉船作业过程中受到的流载荷进行数值分析,给出沉船不同浸没水深不同方向的流力系数,重点分析了沉船出水后的多体系统流载荷和流场分布情况,研究多体系统的遮蔽效应。相关研究结果对双驳抬吊沉船整体打捞方案设计中的船舶水动力及运动特性分析具有重要的参考价值。

中子相互作用对多体系统核临界安全的影响与评估方法研究

中子相互作用,即中子在两个或两个以上裂变系统之间的交换,使多体系统的核临界安全问题变得非常复杂。针对核燃料循环领域不断涌现的多体具体场景,提出了一种保守、便捷、适用性较好的评估多体系统核临界安全(反应性变化)的方法。基于立体角法建立了距离因素与反应性变化之间的定量关系;通过反照率来评估单体之间、单体与屏蔽体之间的中子散射贡献;通过容器壁效应函数考虑容器壁材料与厚度的影响。利用中国原子能科学研究院的临界装置,通过临界实验对本方法进行了验证。本方法在评估距离效应实验时,与实验结果最大偏差不超过0.12Δk/k,评估屏蔽效应实验时,与实验结果最大偏差不超过0.035Δk/k,对比结果能够证明本方法的可行性与安全性。

人体下肢多体动力学仿真和步态稳定性实验研究

人体下肢是人进行步行运动的主要工具,下肢的肌肉骨骼系统是步行的执行机构,正常的下肢功能保证了人们的日常活动;下肢损伤会引起人们运动障碍,下肢运动障碍康复者虽然具有行走的能力,但是其稳定性和平衡性较差。本文着眼于人体下肢,总结并阐述了人体下肢多体动力学仿真以及步态稳定性的实验研究进展,展望了其发展趋势,旨在为临床康复治疗及康复设备的设计与开发提供帮助与数据支持。

集总与多体耦合人车模型的振动特性仿真

为了更好地分析车辆行驶时人体的振动情况以及更好地评价人体的动态舒适性,通过COMSOL软件建立了集总参数与多体耦合人-椅-车动力学模型。利用滤波白噪声法建立随机路面时域模型作为人车系统的振动输入,对不同路面等级和车速下的人体振动响应进行时域和频域仿真分析。根据ISO 2631-1:1997(E)计算垂向和纵向人体头部以及臀部的加速度均方根值,以此来评价人体乘坐舒适性。研究结果表明,路面等级越低、车速越高,人体乘坐舒适性越差。提出的集总与多体耦合人-椅-车振动模型可以比较精确地计算出坐姿人体垂向、纵向的振动响应,有助于对车辆乘坐舒适性进行评价。

基于多体动力学的飞剪高速振动优化

针对回转式飞剪机的工作特性,提出采用多体动力学仿真和试验方法以提高飞剪机的剪切速率。建立基于多体动力学和瞬态动力学的飞剪仿真模型;通过仿真计算得到飞剪机运行过程中的运动轨迹,并分析不同转速下整机的动态响应;利用电测方法对飞剪机进行振动试验,验证仿真模型的可靠性;最后,引入S形加减速曲线理论对工作曲线进行优化。结果表明:优化后的工作曲线使得飞剪机的振幅减小40%,减少了冲击;同时,还使得剪切周期缩短,有效提高了剪切速率,并保证了剪切精度。

海洋核动力平台定位系统多体动力学模型试验验证

为验证海洋核动力平台定位系统多体动力学模型的合理性,从而提高该平台长期系泊的可靠性,本文采用多体动力学方法与缩比模型试验方法,对核动力平台定位系统进行建模与验证。基于定位系统多铰连接的拓扑结构,结合多刚体动力学理论,建立了定位系统的多体动力学仿真模型。搭建了定位系统1∶9缩比模型试验平台,并选取2种典型工况进行验证。研究结果表明:定位系统多体动力学模型计算的系泊腿受力与实验结果符合良好,平均误差在2%以内。算例分析发现,系泊腿受力循环次数主要集中在低幅值高均值区域。本文模型试验验证了所提出的定位系统多体动力学模型的可行性与正确性,能够为定位系统系泊能力的评估提供参考和借鉴。

子母无人机多体分离气动特性模拟

子母机多体分离过程中气动干扰特性的分析是集群无人机发射技术的重要研究方向。基于动态嵌套非结构多面体网格技术,耦合求解流场非定常N-S方程与刚体六自由度运动方程,实现了子母机多体分离过程的精确模拟。首先,对母机的气动干扰区和子母机的分离方式进行分析,其次,计算得到整体状态时子母机以及子机与子机之间的气动干扰特性,最后,根据多体分离过程中子机运动状态的变化情况,进行安全特性评估。研究结果表明:相对于减速分离,加速分离能够快速脱离气动干扰区,安全性更高,并且随着子机数量的增加,子机机翼的距离不断减小,在一定程度上减弱了子机的翼尖涡对翼面的影响,增大了子机的升力。

基于PPG的单传感器多体征检测算法

为了满足人们居家使用多功能、易携带的医疗电子设备的需求,提出基于单MAX30102传感器测量多体征的算法。对MAX30102温度信号进行回归分析以消除人体体表温度与核心温度之间的误差;采用八点移动平均滤波和FFT算法处理MAX30102的PPG信号求心率值;采用R特征值法计算MAX30102的PPG信号交流和直流分量求血氧饱和度值;采用单路MAX30102的PPG信号求PTT并对其进行回归分析以求取血压值。实验结果分析表明,所提算法最终实现在单个MAX30102上测量四种不同体征,且每个体征参数测量的准确性与标准器件相对比都在准许范围内。

基于多面体重叠网格的多体分离计算分析

分离问题在航空航天领域频繁出现,对各类运载火箭、飞行器等完成任务使命至关重要,并事关主体/分离体的安全。基于带边界层加密的多面体网格、重叠网格和刚体六自由度运动方程,利用CFD数值模拟方法,对某标模外形开展了多体分离数值模拟,研究了不同初始弹射力对多体分离安全性的影响,从纵向和横航向两方面分析了标模的分离特性及与弹射力的关系,对工程研究有一定的参考作用。

某高射速自动炮多体瞬态传热及应力研究

为提高拦截概率,提高发射速率是高炮武器系统的重点发展方向之一,以期单位时间内发射较多的弹丸至目标区域。然而,高射速发射造成的热效应反过来又会影响火炮自动机中多体关键件的工作效率,最终影响火炮射击安全性。为提高高射速自动机射击速率和射击安全性,解决影响其关键件寿命的热效应问题,需对高射速自动炮自动机多体关键件瞬态传热及应力变化进行研究。以某转膛型高射速自动炮为研究对象,采用瞬态传热学理论,建立了自动机关键件传热模型,采用有限元分析软件ANSYS Workbench进行了多体瞬态传热及应力变化仿真研究,仿真结果表明:随着射击频次的增加,关键件形变、温度急剧增加,最终会引起多体部件运动干涉影响射击安全性。仿真结果能够为自动机的设计、使用和维护保养提供理论支撑。

基于支重轮-履带-地面多体耦合的履带机器人振动响应研究

构建支重轮-履带-地面多体耦合系统是研究履带机器人行驶平顺性的重要环节。以单侧五支重轮履带机器人为研究对象,在非线性悬挂系统模型以及考虑履带滤波作用的路面激励的基础上,建立了履带机器人振动理论估算模型。然后,基于履带机器人在不同等级路面及不同行驶速度工况下的仿真实验,利用均方根值定量分析了行驶速度、路面激励对机器人车体及其支重轮垂向振动的影响。最后,通过开展外路实验来验证七自由度半车的振动理论估算模型和动力学仿真模型。结果表明:随着行驶速度和路面不平度的提高,履带机器人车体的垂向振动近似呈线性增大,履带对路面激励有滤波作用。履带机器人车体质心及支重轮1,3,5的垂向振动加速度对路面激励最为敏感,车体垂向振动加速度功率谱密度幅值在频率为19 Hz左右时最大。由于支重轮5靠近驱动段,履带与主动轮啮合产生的多边形效应使其垂向振动相对于其他支重轮偏大。理论建模、仿真分析及外路实验相结合的方法为履带机器人在不同路况下的振动响应特性研究提供了新思路。

量子多体系统中的拓扑序与分数化激发

朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石,在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功.然而,以20世纪80年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端,人们逐渐认识到,对于一大类新的量子态,比如分数量子霍尔态和量子自旋液体,其性质超越了朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论.拓扑序及其所具有的长程多体量子纠缠和分数化激发成为我们理解这些奇异量子态的关键概念.在量子材料和量子模拟系统中设计并寻找具有拓扑序的物态、探测并操控其分数化激发是当代凝聚态物理重要的研究方向.近期,在里德伯原子体系、超导量子处理器和二维摩尔超晶格等具有高度可调控性的量子实验平台中,拓扑序的量子模拟和操控得到了快速发展并取得了重要成果.本文将简要论述拓扑序在传统凝聚态材料体系和量子模拟体系中最近的研究进展和挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

基于参数化多体动力学模型的内齿式回转支承动态优化设计

内齿式回转支承兼有滚动轴承的回转支承特点和齿轮啮合传动特点,在联合载荷作用下其动态性能的影响因素众多,容易出现轮齿磨损或断齿、套圈滚道磨损和运行精度变差等问题。综合考虑钢球与内外套圈滚道、保持架兜孔的动态接触作用及内齿圈轮齿间的啮合传动作用,建立了内齿式回转支承参数化多体接触动力学模型。分析了沟道曲率半径、保持架兜孔孔径、初始接触角和轮齿变位系数等关键设计参数对回转支承齿轮啮合力、1号钢球与N1滚道的接触力、内齿圈质心轴向和径向振动位移的影响规律。在此基础上,采用试验设计(design of experiment,DOE)方法,对内齿式回转支承的关键设计参数进行全因子试验设计及计算,获得了多参数影响下回转支承的动态性能。结合线性加权法,运用统一量纲法和权系数法构造新的多目标优化函数,提出了回转支承动态性能的多变量多目标优化设计方法,得到回转支承的轮齿啮合力下降了49.27%,1号钢球与N1滚道的接触力下降了29.6%,内齿圈质心轴向振动位移减小了5.41%,内齿圈质心径向位移减小了15.88%,回转支承的性能得到了优化。研究结果为回转支承的动态设计提供了参考。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

软式空中加油系统鞭甩现象多体动力学分析

软管-锥套式空中加油系统的柔性结构经常发生不同程度的软管鞭甩现象,极大影响空中加油任务的安全性。基于柔性多体动力学,建立了空中加油系统动力学模型,其中,利用基于任意拉格朗日-欧拉描述方式和绝对结点坐标法的索/梁模型描述管线的大变形、大范围运动以及软管收放,并对空中加油系统受到的气动力进行建模,建立的模型能够反映加油机和受油机运动、软管和锥套的变形与气动力的耦合影响。基于建立的空中加油系统动力学模型,复现飞行状态下的软管鞭甩现象,获得了鞭甩现象的形成机理。研究表明,对接冲击下,软管平衡状态改变所形成的剪切波向后传播与反射是鞭甩现象产生的主要原因。通过多工况计算结果,分析了软管刚度、对接速度、Ma数各因素对鞭甩现象引起的软管剪切力、纵波与剪切波传播速度的影响规律,并分别分析了软管收放控制和加缓冲的受油插头两种措施对鞭甩现象振动抑制的有效性。

基于实测波频数据的海洋核动力平台多体动力特性评估

基于现有的渤海浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)实测数据,开展海洋核动力平台(Marine Nuclear Power Platform,MNPP)定位系统多体动力特性分析。建立MNPP定位系统的多刚体动力学模型,通过MNPP与渤海某FPSO的响应幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO),计算FPSO船体实测数据与MNPP响应的比例系数;根据FPSO船体实测数据计算MNPP六自由度数据,并采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法保留原始数据的波频成分,在此基础上计算定位系统的系泊回复能力和各铰节点的受力行为。通过与FPSO软刚臂系泊系统受力状态进行对比分析,验证MNPP定位系统在实测海况下设计的合理性。可为MNPP系泊结构设计和安全运行提供科学的分析手段。

基于多体接触瞬态动力学的轴承故障与转子不平衡耦合分析

以典型带中介轴承的燃气轮机高压转子系统为研究对象,提出了复杂运动与接触状态下轴承、高压转子、柔性支承耦合多体动力学模拟方法,构建了滚动轴承-高压转子-局部薄壁支承系统的动力学模型,研究了单个滚动体、所有滚动体与轴承外圈瞬态接触力以及薄壁支承结构的振动速度和加速度响应。结果表明:轴承外圈故障与转子不平衡耦合状态下,轴承外圈故障特征频率被转频调制,其两侧存在差值为转频的边频带;不平衡量的位置离故障轴承越近,幅值调制现象越明显,转子转频和轴承外圈故障特征频率越大。