被困空腔对T-bar循环贯入软黏土流动特性影响的试验研究

为观测和分析T-bar循环贯入过程中被困空腔对软黏土流动特性的影响,利用Laponite RD、焦磷酸钠和去离子水配制透明黏土,自制由加载设备、CCD相机、激光器和控制系统组成的T-bar循环贯入试验装置,开展T-bar在透明黏土中的循环贯入试验。结果表明:T-bar初次贯入过程中,被困空腔影响土体绕探头的流动,土体不能进入全流动状态;T-bar初次上拔过程中,被困空腔与探头发生脱离,悬浮于探头上方,对土体流动的影响逐渐减弱,T-bar上拔2倍探头直径深度时土体流动不再受被困空腔影响,进入到全流动状态;第2—第10次循环贯入过程中,被困空腔稳定悬浮于土中,不影响土体流动,T-bar贯入1倍探头直径深度时土体流动表现为全流动状态;被困空腔对于T-bar循环贯入测试结果无显著影响,在T-bar初次贯入被困空腔阶段下通过T-bar循环贯入测试软黏土重塑强度是合理的。

基于LightGBM与SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型

传统的机器学习模型主要围绕如何提升模型预测精度进行研究,从而忽略了预测结果的可解释性.本研究基于LightGBM (Light Gradient Boosting Machine)建立了预测掺气设施空腔积水深度的黑箱模型,与常用的机器学习模型如RF (Random Forest)、SVM (Support Vector Machine)及XGBoost (Extreme Gradient Boosting)对比结果表明LightGBM拥有较高的预测精度.进一步通过贝叶斯优化技术对LightGBM的四个超参数进行优化,较大程度上提升了模型的R^(2)(决定系数)得分.应用SHAP (Shapley Additive Explanation)事后解释方法对LightGBM的预测结果进行全局解释和局部解释.全局解释结果表明:流速、水舌冲击角、坎高及流量是影响空腔积水形成的主要因素,特征交互解释可以用来解释特征之间的复杂非线性关系,局部解释则可以显示单个样本各特征的影响大小.研究建立的基于LightGBM-SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型在掺气设施体型优化及模型试验方案优化方面有很好的应用前景.

船体大开口平直空腔结构总段吊装加强方案优化

为增强船体大开口平直空腔结构总段结构强度,结合船体总段结构特点、吊码布置情况和吊装加强方案建立有限元模型,采用数值仿真模拟总段吊装,分析甲板与吊码区域的结构变形。根据预报结果对吊装加强方案进行优化,可为后续类似结构的吊装加强方案优化提供一定指导。

二维复杂弹性空腔的边光滑有限元建模及分析

在弹性空腔结构上敷设被动约束层阻尼(passive constraint layer damping, PCLD)可达到减振降噪的效果,针对这类复杂结构建立了二维复合弹性空腔的边光滑有限元耦合动力学模型。其中,PCLD结构采用两节点四自由度的PCLD梁单元,声场采用边光滑有限元模型。以二维全敷设复合矩形空腔模型为数值算例,以精细网格下的有限元法结果作为参考解,对比研究了在相同背景网格下,边光滑有限元法和有限元法的频响结果,发现前者更接近参考解,说明同样的计算成本下,边光滑有限元法具有更高的精确性,特别是在中频计算中。最后,分析了PCLD结构对某汽车驾驶舱的降噪效果,以及黏弹层和约束层厚度参数的影响规律,发现黏弹层厚度增大,可一定程度上降低空腔噪声,而约束层厚度增大,并不能在整个频段得到很好的降噪效果。

跨声速空腔剪切层动态特征传播特性研究

开式空腔流动发生时,剪切层内旋涡运动与腔内前传声波相互作用,引发空腔自持振荡现象。针对长深比为7的开式空腔,采用脉动压力测试技术,在Ma=0.9来流条件下开展腔内剪切层动态特征试验研究,通过频谱分析和互相关分析,揭示剪切层动态特征发展机制和模态噪声传播规律。结果表明:剪切层内单调增大的宽频噪声和类余弦分布的模态噪声相互叠加,使剪切层整体动态特征呈波浪上升发展;模态噪声逆流向上行传播,其速度同样呈类余弦分布,变化趋势与模态噪声幅值保持一致。结合Rossiter模态预估理论发现:同频率的上行模态声波与下行旋涡相互作用,产生了类驻波现象,导致模态噪声功率谱密度和传播速度沿流向周期性变化。

化学反应对高空高速空腔流动的影响研究

高空高速飞行器表面的缝隙或缺陷结构(类似于空腔流动)会导致局部气动加热问题,对飞行器局部防热能力提出考验。本文中采用直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC),开展了来流高度H=60 km,马赫数Ma=10,不同长深比(L/D)对空腔内部流动结构的影响研究以及化学反应对闭式空腔底部热流的影响研究工作。结果表明:随着长深比(L/D)的增大,空腔底部的压力系数、摩阻系数和表面传热系数都呈增大趋势,当L/D=6时空腔流动结构由开式变为闭式;N、O原子和NO分子集中分布在空腔后方壁面处,引入化学反应使底部热流降低5.5%。

含覆层圆柱空腔的声学材料水下吸声特性研究

针对增加水下空腔谐振型声学材料的孔隙率导致吸声系数下降的问题,在声学材料的圆柱空腔外包覆多层覆层结构,提出了含覆层圆柱空腔的声学材料。采用有限元方法计算了声学材料的吸声系数,相比含圆柱空腔的声学材料,覆层圆柱空腔使声学材料具有更低的吸声频带和更高的吸声能力。通过计算单极共振频率揭示吸声机理,覆层圆柱空腔比圆柱空腔具有更低的单极共振频率,使声学材料的频带更低。功耗密度场分布结果表明,多层覆层结构提供了更多的交界面,声波的散射增强从而声能损耗加剧。研究了多层覆层结构的模量和厚度分布形式对吸声性能的影响,模量呈正梯度变化与厚度呈负梯度变化的多层覆层结构分布形式能够使吸声覆盖层获得较好的低频吸声性能。

汽车车门密封空腔噪声及其传递实验研究

汽车车门密封系统风激下的发声和向车内的传声,其现象和机制复杂,研究较少,认识不明晰。以某SUV车门B柱、C柱第1道密封空腔和尾门密封空腔为研究对象,抽取其结构并等效成规则空腔结构;建立了在小型声学风洞中空腔发声和传声的实验测试平台和方法,开展了风激下的空腔声特性及其影响因素、密封条不同压缩量和密封间隙传声特性实验研究。研究结果表明:车门密封空腔形成的啸叫(尾门空腔)机理不同,低风速时是自激振荡与赫姆霍兹共振腔耦合共振产生,高风速时是自激振荡与空腔模态耦合共振产生,自激振荡以及在流体宽带激励下的空腔共振是频谱中其它峰值产生的根源;B柱和C柱空腔与尾门空腔密封条对声特征的影响差异较大;来流偏航角、俯仰角和湍流度变化对自激振荡激发的幅值和频率影响较大,是车内小于1000 Hz的带宽峰值噪声的来源之一;密封条压缩量较小时(如0~4 mm)其压缩量增加传声能力反而有增加的情况。基于空腔噪声理论得到的车门门缝小空腔声现象和机理是之前研究缺少的,具有独特性;密封条不同压缩量传声结论具有一定的实际应用价值。

2种土壤地下滴灌滴头流量变化规律及对入渗空腔的响应

为研究入渗空腔对地下滴灌滴头流量和土水势的影响规律,通过土箱试验和数值模拟相结合的方法,对比分析了黏土和壤质砂土2种土壤灌水过程中土壤正压及滴头流量的变化规律,反演了滴头出口处空腔半径,并建立了黏土中空腔半径的计算模型.研究结果表明:相同条件下,壤质砂土中的滴头流量大于黏土中的,但变化幅度小于黏土中的;壤质砂土中土壤正压随时间变化呈上升趋势,黏土中土壤正压随时间变化呈下降趋势,受空腔影响,滴头流量与土壤正压随时间的变化趋势不存在必然关系.模拟中,壤质砂土入渗空腔半径可选择较小值或认为与滴头出口半径相同.黏土中空腔半径随滴头额定流量和容重增大而增大.相对于选用固定值,研究得到的空腔半径可以提高现有计算公式在求解滴头流量和土壤正压的精度,拟合的空腔半径经验模型可以应用于地下滴灌水力设计,同时为土壤水分入渗数值模拟的边界条件设置提供依据.

基于空腔流激振荡的气体流量测量方法优化研究

针对浅腔型空腔流量计存在的振荡信号弱的问题,采用一种深腔结构对基于空腔流激振荡的气体流量测量方法进行了优化研究。对浅腔和深腔结构的振荡原理进行了对比,结合数值模拟及实验验证分析了深腔结构中的流场及声场分布特性,探究了气体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。研究结果表明:在一定的速度范围内深腔结构中可激发振荡频率稳定、幅值更大的声振荡区间,且振荡信号的幅值与气体流速呈现稳定的响应规律;采用变径管结构提升谐振腔入口前沿的局部流速,可使该深腔在更低的流速范围内产生稳定声振荡,且流速范围连续,可用于换算6.41~29.97 m/s范围内的气体流速,相应的流量为47.14~220.40 m3/h。

空腔效应对集成黑体高温发射率测量影响规律研究

提出集成黑体法中的非等温边界空腔效应修正因子的理论模型。基于有限元思想,开展不同发射率样品、特定温场下的非等温边界空腔效应修正因子理论计算,与基于蒙特卡洛光线追迹法获得的修正因子比对,两者具有良好的一致性,最大偏差不超过2.5%,结果均表明波长越长、样品发射率越低,空腔效应对发射率测量结果影响越大。在1000℃温度下、12~14μm波长范围对铂金材料样品发射率进行实验,并与基于分立黑体法的发射率测量结果比对,经修正后的集成黑体法与分立黑体法的一致性从0.09提升至0.03,该结果验证了引入非等温边界空腔效应修正因子的理论模型的可行性,同时提高了该方法测量发射率的准确性。

斜激波冲击下层合壁板-空腔系统流-固-声耦合动力学分析

斜激波作用下复合材料壁板-空腔系统气动弹性问题涉及非线性气动力、壁板大变形振动和声腔流体声波的强耦合作用,是高速飞行器弹性壁板设计中关注的重要问题.以往研究主要分析声腔恒定压力对壁板颤振特性的影响,忽略了声场与结构之间的动态耦合特性.为了弥补这一研究缺陷,文章提出一种隐式分区计算方法实现对高速可压缩流体、大变形壁板和声腔流体声波3个物理场进行强耦合计算.基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)框架的有限体积法求解可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,采用高阶剪切锯齿理论和有限元方法建立复合材料壁板非线性动力学模型,采用波动方程描述空腔内可压缩声学流体.揭示了空腔物理参数(声学流体密度、平均压力和空腔深度等)对壁板-空腔系统气动弹性响应的影响规律,发现了若干新现象:改变空腔物理参数可导致壁板运动从定点稳定静变形转变到周期极限环颤振;空腔内声学流体的“弹簧效应”导致壁板表面声压载荷反相位作用于壁板运动;特定空腔深度比下,空腔声模态变化会改变声压脉动与壁板振动的相位关系,导致壁板临界颤振动压降低.

圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板减振特性分析

针对机械设备中的低频减振问题,提出一种圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板结构,即在双层板间周期性排列具有圆柱空腔的橡胶层和实心散射体振子。首先结合弹性波理论和BLOCH定理,采用有限元方法计算带隙范围并分析弯曲波带隙形成的原理,其次通过单变量和组合变量的方式分析单元参数对带隙的影响规律并依此对单元参数进行调整,使其弯曲波带隙范围为48.52~206.21 Hz,最后通过振动传输特性仿真验证其对弯曲波振动的减振效果。研究表明,圆柱空腔橡胶层双层板式声子晶体可以产生200 Hz以下的弯曲波带隙,且可以通过调整单元参数来使其匹配目标减振频段。声子晶体板的振动传输特性分析和振动位移图验证了其对带隙范围内弯曲波传输的抑制作用,可为基于声子晶体减振的工程应用提供一定的参考。

亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标的空腔特征与致伤阈值

肥皂靶标广泛应用于创伤弹道领域,作为生物目标等效靶,以观察伤口通道的破坏特征评估弹药的潜在伤害,但目前尚缺乏低附带毁伤弹药的亚毫米颗粒毁伤元对生物目标的损伤标准。采用量纲分析方法确定侵彻空腔的成形特征,根据颗粒驱动试验获得肥皂靶标的实际创伤弹道表现,并结合数值模拟分析亚毫米颗粒的侵彻空腔演化规律,建立亚毫米颗粒对肥皂靶标的临界损伤条件。研究结果表明:亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生以入口直径和空腔深度来表现的圆锥状空腔,不同密度、粒度和速度的亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生的空腔存在明显差异,空腔特征与比动能相关;随着颗粒材料密度、粒度和速度的增加,侵彻肥皂靶标产生的空腔容积随之增加,颗粒粒径越大,对肥皂靶标的侵彻深度越深,入口直径扩展至颗粒粒径的2.0~2.5倍;参考常规破片杀伤标准,等效计算不同粒径亚毫米颗粒对肥皂靶标的致伤及不同侵彻深度的能量密度阈值,发现亚毫米颗粒侵彻的能量密度需要超过0.83 J/cm^(2)才能对肥皂靶标造成损伤。数值模拟、试验测试和理论分析结果吻合较好,影响规律具有一致性,研究结果可为低附带毁伤战斗部设计及效应评估提供理论参考。

液柱分离型水锤新空腔模型

为深入探讨液柱分离型水锤的模拟计算,通过改进离散空腔模型,提出了新空腔模型。新空腔模型考虑空腔处非满流的流态,根据前后管段的水流状态,将计算管段划分为7种类型,分别建立计算模块对空腔处管段进行分类计算,使其更为准确地计算空腔处的流量同时模拟空腔处的瞬变过程,并基于简单管路和复杂管路试验对新空腔模型进行了初步验证。结果表明,与DVCM相比,新空腔模型能够更准确地模拟瞬变过程中的压力波动和空腔形态、位置及空腔体积的变化,对水柱弥合过程的压力波动峰值的模拟更接近实测数据,有助于指导实际工程中的水锤安全防护。

基于匀加速料筒孕育半固态压铸制备薄壁复杂空腔手模的研究与实践

随着全球节能减排、碳达峰、碳中和的发展需求,各行业零部件轻量化、绿色化成为必然发展之路。生产医疗用橡胶、丁腈手套所需要的手模一直以来都采用陶瓷型,虽能满足功能性要求,但其存在能耗大、易破损、无回收等缺点。改用易回收的金属材料成为研究热点,铝合金以其质轻成为研究首选。由于手模部件具有薄壁、内腔复杂等特点,并需要与挤压成型部件进行焊接,采用铝型材冲压制备成本高,普通压铸存在复杂内腔难以成形和铸件不能焊接等难题。本研究基于自主开发的匀加速料筒孕育半固态压铸技术,通过数值模拟分析优化压铸工艺,采用优选的树脂砂芯,成功制备出铝合金复杂空腔手模压铸件。开发出的产品满足了项目要求,也为复杂空腔压铸件研发提供了很好的技术实例和参考。

水下空腔多格角反射体声散射特性研究

针对水下单层薄金属板多格角反射体存在频率特性强烈,难以形成较为稳定目标强度的问题,设计了一种新的空腔多格角反射体。采用结构有限元结合流体直接边界元法,对水下空腔多格角反射体声散射特性进行了仿真计算,在5.0~15.0 kHz入射频率范围内,研究分析了平板厚度、空腔厚度、入射角度等因素对其目标强度的影响机理。结果表明:与薄金属板多格角反射体相比,空腔多格角反射体频率特性较弱,去耦作用明显,散射能力强;空腔多格角反射体在一定角度范围内都能保持稳定的目标强度,具有更优的反射性能,是较为理想的水下声反射装置。

太阳能光伏蒸发冷却通风空腔的实验研究

针对光伏组件在建筑外围护结构应用时所面临的光伏组件产热导致工作温度升高、发电效率降低,以及其对建筑冷热负荷的潜在影响等瓶颈问题,提出了太阳能光伏蒸发冷却通风空腔的解决方案。该方案涉及将光伏电池安装于建筑外围护结构表面,并与建筑墙体保持一定距离以形成通风空腔,同时在光伏电池背板一侧布置蒸发冷却装置。通过搭建室外测试平台进行对照实验,研究了蒸发冷却效应对太阳能光伏通风腔体各组件热湿性能的影响及其电性能的变化情况。结果显示,具有蒸发冷却的通风腔体在光伏正面、光伏背板、空腔背板以及空腔内部的降温效果显著。相较于未配置蒸发冷却的通风腔体,这些部分的平均温度分别降低了约3.7、7.6、4.5、3.9℃,降幅分别为10.2%、20.8%、13.6%、11.9%。同时,具备蒸发冷却的通风腔体的全天平均电功率相较于未配置蒸发冷却的通风腔体提升了约15.9%。验证了蒸发冷却技术在降低光伏组件工作温度,提高光伏组件发电效率方面的有效性,为光伏建筑一体化的进一步应用提供了数据支撑。

利用FDTD计算超薄金壳中的等离子银纳米空腔

通过时域有限差分方法,对超薄金壳中的等离子银纳米空腔进行模拟分析。发现带有金壳的银纳米颗粒场增强效果要高于纯银纳米颗粒,并且理论上超薄的金壳还可以保护银纳米颗粒,防止其被氧化。通过与金膜相结合,形成腔型结构,发现场增强更加明显。这种结构是一种实验上可以实现的简单结构。这项工作为开发具有宽光谱增强电磁场的等离子金属纳米腔体结构铺平了道路。此外,这项研究还为生命科学领域的成像和检测提供了一种有效的SERS基底。

纯电动汽车高速工况下底盘后部空腔引起低频噪声问题的分析改进

随着电机驱动技术以及空气动力学技术的不断提升,纯电动汽车高速化趋势愈发明显。纯电动汽车高速行驶时,底盘后部空腔引起的低频气动噪声峰值可超过60 dB(A),严重影响驾乘舒适性。以某纯电动汽车高速工况下的低频噪声问题为案例,系统地阐述了低频噪声问题的排查分析及产生机理分析验证过程。首先,分析了高速行驶激励源类型,并通过声学风洞进行激励源分离试验,锁定低频噪声为气动噪声类型;其次,对低频气动噪声形成的潜在机理进行推断,并设计试验进行潜在机理排查分析,确定底盘后部空腔涡声耦合自激振荡是引起低频气动噪声的原因;最后,通过仿真分析、半经验公式计算和实车试验验证了潜在机理,并设计工程化方案解决了该低频噪声问题。这对纯电动汽车高速工况气动噪声问题的分析识别与解决具有重要的工程意义。