基于超声导波的航空航天结构损伤诊断成像技术研究进展

超声导波损伤诊断成像技术是近年来无损检测/结构健康监测领域的研究热点,它能够直观反映航空航天结构上的损伤位置及严重程度。概述了超声导波诊断成像技术的一般流程,介绍了8种具有代表性成像算法的研究现状,包括相控阵成像、空间-波数滤波器成像、逆时偏移成像、时间反转成像、延迟叠加成像、基于模型成像、层析成像和概率成像,对比了这些成像算法的应用范围和优缺点,最后结合实际工业应用需求讨论了超声导波诊断成像技术面临的挑战和发展方向。

中山大学力学实验教学示范中心建设研究与实践

该校力学实验教学中心通过整合现有各类教学资源、优化现有实验类课程及开设创新性实验课程,将科研与教学相结合,建立了一支结构合理、经验丰富的力学实验教学团队。经过多年发展,中心教学成果显著,辐射推广作用明显,为创新型工程人才的培养奠定了良好的基础,目前已建设成为省级实验教学示范中心。

超大型航天结构动力学与控制的保辛方法

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相互作用将产生极复杂的结构振动和大型结构特有的波动现象。这些为其动力学建模与数值求解、在轨精确姿态控制、低频结构振动抑制和振动波动耦合的特性调控等提出了新的挑战。本文介绍了本团队近十年基于保辛方法针对上述问题取得的研究进展,包括超大型航天结构在轨耦合动力学与姿态控制、超大型航天结构波动力学行为与控制、可展开结构设计以及变刚度主动控制方法等。

航天器SDRE控制方法综述

非线性SDRE(State-Dependent Riccati Equation)控制技术因其在处理航天器动态系统非线性特性方面的优势而受到广泛关注。该方法通过结合状态依赖的参数,能够有效应对系统的复杂非线性,具有良好的鲁棒性和适应性。综述了SDRE在航天领域的进展,特别强调了非线性SDRE方法在提高航天器性能和安全性方面的潜力。首先,以经典的LQR(Linear Quadratic Regulator)理论为基础,介绍了SDRE控制方法的基本概念及其控制器的设计与解算方法。随后,针对多种典型场景下航天器的SDRE控制问题进行了概述和总结,包括SDRE控制方法在航天领域上实施所面临的困难与挑战、在各种航天系统上的应用回顾以及SDRE在航天领域已经成功实现的应用场景。最后,探讨了SDRE技术如何与其他先进控制策略相结合,以应对航天器在轨运行中遇到的各种挑战,并针对SDRE非线性优化控制技术在航天领域的更多应用前景进行了展望。

航天结构空间组装动力学与控制研究进展

空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段.然而,航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题,给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战.本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状;综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展;总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术.最后,面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求,针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题.

基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标最优控制策略

随着航天技术的大力发展,空间安全日益成为航天领域的焦点问题。空间围捕在轨目标也将由单航天器的追捕向集群航天器协同围捕的趋势发展。本文针对多个航天器协同围捕空间非合作目标的典型场景,提出一种基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标的策略与方法。首先,基于航天器非线性相对运动模型,建立空间集群航天器协同围捕非合作目标运动学模型,并据此设计双方的二次型目标函数(相对距离与燃料消耗),将围捕问题转化成微分对策的纳什均衡问题。其次,通过求解状态黎卡提方程,获取集群航天器对单一非合作目标航天器的最优策略。在此基础上利用零空间投影方法,设计一种与距离相关的基于优先级的任务规划方案,以获得非合作目标航天器面对集群航天器时的逃逸策略,避免其对于集群多个航天器的逃逸策略冲突。最终通过数值仿真结果验证了所提协同围捕策略与方法的有效性。

全自动超声速流动计算架构及实现

实现CFD计算流程中网格生成及计算流程的自动化,能显著提高CFD仿真效率,具有重要应用价值。以扎染算法为基础的全自动CFD模拟技术架构,实现输入实体模型后无须几何清理,即可自动生成网格、快速开始无黏超声速流场计算的功能。通过二维数值算例验证了该技术的计算精度和非结构有限体积法相当,但计算效率明显提升;开发出基于手绘模型实时开始计算的Auto-CFD软件,理论上能对二维任意外形进行全自动模拟计算;将该技术从二维空间推广到三维,以激光扫描汽车得到的不规则点云作为外形演示了本技术对复杂外形问题的适应能力。基于扎染算法发展的Auto-CFD技术架构,兼容主流差分格式,具有良好的网格适应性,有望解决现有Auto-CFD软件存在的技术问题。

主动式气膜冷却对高超声速飞行器等离子体鞘套的影响

以钝锥模型为研究对象,采用热化学非平衡计算方法并结合可压缩N-S方程、SST k-ω湍流模型,对钝锥模型肩部台阶喷流和头部逆向喷流流场进行了数值模拟。在考虑不同喷流压强、喷口位置和数量等因素的基础上,分析了主动式气膜冷却对等离子体鞘套的影响。结果表明:高超声速飞行器采用主动式气膜冷却技术时,喷口的数量、位置及喷流压强对等离子体密度均具有显著的影响。肩部的切向喷流可有效抑制模型壁面附近的等离子体密度,进而可能对高频电磁波的传输和目标雷达散射截面(RCS)产生影响。头部逆向喷流可显著改变等离子体的分布情况,不同的逆向喷流参数配置会导致明显的差异。

基于康达效应的高速气流推力矢量喷管

基于康达效应设计了一种高速气流推力矢量喷管,利用其对流体的偏转作用实现主流方向控制。喷管由主通道以及外侧八个独立气室和出口处的康达壁面组成,可通过气室外部的开合情况来实现八个偏转方向的控制。本文对所设计的高速气流推力矢量喷管进行了仿真计算,研究了主流速度、气室开合情况及康达壁面曲率三个参数对主流偏转效果的影响。数值模拟结果表明:(1)主流速度在50~160 m/s时,不同的开合组合的偏转效果有较为显著的差异。(2)气室打开数量为奇数时,偏转效果优于偶数。只有一个气室开口时,偏转效果最优。(3)计算得到三维喷管最优康达壁面的曲率是55.26。本文设计的高速气流推力矢量喷管能够达到较好的偏转控制效果,最大偏转角度可达到85.91°。

高速飞行器气动光学效应

采用数值模拟、计算光学方法和理论,对超声速飞行器流场进行数值模拟研究,获取不同飞行高度和攻角下光学窗口上方流场的密度分布,根据Gladstone-Dale关系得到光学窗口上方的折射率场,利用光线追迹法计算流场光程差分布情况。对流场光程差的分布情况进行分析,可以得出结论:随着飞行高度的增加,气动光学效应逐渐减弱;随着攻角的增大,气动光学效应逐渐增强。

面向高速流场成像的聚焦纹影研究进展

相较于传统的光学流动可视化技术,聚焦纹影技术能对非聚焦区域的流场信息进行模糊化处理,从而反映窄景深内的流场信息,具有高空间分辨率、抗干扰能力强、无需播撒示踪粒子、低成本等特点,这些特点使得聚焦纹影十分适用于高速流场的流动显示和流场测量。本文在对聚焦纹影系统成像的基本原理进行介绍的基础上,以传统聚焦纹影在格栅对准和非定常流动多平面测量方面面临的挑战为出发点,总结了聚焦纹影的国内外相关研究,并进一步展望了聚焦纹影的未来发展。

基于Pair-Copula贝叶斯模型的基坑支护可靠度分析

为准确判定基坑安全状态,保障基坑安全建设,对影响基坑安全的关键因素展开时程监测,以Pair-Copula贝叶斯(Pair-Copula Bayesian Network, PCBN)模型为基础,结合Pair-Copula处理复杂多变量数据的灵活性和贝叶斯网络处理不确定性的优势,对深基坑支护结构的可靠性进行了深入分析,构建了一套较为完善的可靠度评价体系,实现了考虑监测数据复杂相关性的基坑安全状态量化评价。研究结果表明:监测数据之间存在相关性,其中桩顶竖向位移、桩体水平位移、地表沉降、支撑轴力、桩(墙)体深层水平位移之间的Kendall秩相关系数均超过0.5,存在较强正相关性。地下水位与桩顶竖向位移、桩体水平位移、地表沉降、支撑轴力、桩(墙)体深层水平位移皆为负相关,且相关性较弱,地下水位与地表沉降之间Kendall秩相关系数为-0.361 7,相关性最弱。PCBN模型具有良好的精度,基于PCBN模型计算得到的新塘互通立交路段明挖法市政隧道深基坑工程可靠性指标β值为4.056,基坑支护结构位于安全范围。研究成果可为深基坑支护结构安全量化评价提供有效参考。

基于无人机航空摄影的尾矿库溃坝数值模拟

基于无人机航测生成的高精度数字高程模型(DEM)数据,采用深度积分的Massflow数值分析方法,开展了新疆某山区尾矿库溃坝数值模拟研究。结果显示了该尾矿库溃坝后矿砂运动过程,分析数值模拟结果得出:(1)溃坝后矿砂最终堆积呈现两部分,一部分在尾矿库库区下游,平均厚度约13 m,另一部分则堆积于环保库和下游河道附近,平均厚度达25 m,其中堆积厚度最深处在初期坝坝底正对的河流处,约29 m。(2)尾矿库溃坝整个运动过程可分为失稳启动、加速下滑以及减速堆积三个阶段,该尾矿库溃坝从启动到最终静止整个过程约3 000 s,最大运动速度介于21~29 m/s之间,其中失稳启动和加速下滑阶段均在短时间内迅速完成,减速堆积阶段时间占整个过程的93.33%,表明尾矿库溃坝初期矿砂流速较快,具有较强的破坏性。研究成果可用于分析尾矿库矿砂运动路径、淹没区域及沿程堆积情况等,对降低尾矿库溃坝风险和应急响应有重要指导意义。

航天器姿态跟踪有限时间自适应积分滑模控制

针对刚体航天器存在模型参数不确定性和外界干扰情况下的姿态跟踪控制问题,该文提出了一种有限时间自适应积分滑模控制方法。建立了用四元数表示的航天器姿态跟踪数学模型;在不考虑参数不确定性和干扰的情况下,基于非线性系统齐次性方法设计了一种有限时间控制算法,保证航天器姿态在有限时间内跟踪上期望姿态;当扰动存在时,为提高闭环系统的鲁棒性,结合有限时间控制和滑模控制,将有限时间控制算法应用到滑模面的设计中,设计出一种有限时间积分滑模面;最后用自适应方法设计了动态滑模切换函数增益。理论分析表明该方法兼具有限时间控制和滑模控制的优点,可使闭环系统状态有限时间收敛并具有很好的鲁棒性。仿真结果说明了该方法的有效性。

复杂约束下的挠性航天器姿态参考管理控制

本文提出了一种基于显式参考管理与模态观测器的挠性航天器姿态机动控制方法.首先,采用改进的罗德里格斯参数建立了航天器的运动学和动力学模型,分析了存在的控制约束和角速度约束.在此基础上,设计了基于显式参考管理的约束挠性航天器姿态重定向控制算法.由于挠性模态不能直接测量,内层设计了模态观测器,并将观测器观测得到的模态坐标作为内层无约束控制器的输入.随后,外层导航模块根据所需满足的约束条件设计了相应的动态路径,该路径可以根据当前状态以合适的速率收敛到最终状态,通过跟踪该路径,航天器姿态就可以在满足约束的情况下快速到达期望位置.通过构造合适的李雅普诺夫函数,严格证明了该挠性航天器显式参考管理姿态控制算法的稳定性.最后,仿真结果进一步验证所设计算法的约束处理效果与振动抑制能力.

大型航天结构在轨组装阶段作动器布局优化

在轨组装阶段的大型航天结构具备“离散渐增”的特点,组装阶段其构型与参数不断改变.与固定构型航天结构不同,如何合理配置作动器以抑制组装过程中的结构振动目前还未见深入研究.针对这一问题,提出一种适用于大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式优化配置方法.根据结构模块化设计的特点,给出大型航天结构组装阶段作动器分布式优化配置的设计思路.建立面向组装阶段作动器布局优化的桁架结构动力学模型,并给出用于优化配置的目标函数.提出结合天牛须搜索的改进粒子群算法,以解决优化配置问题.最后给出在轨组装阶段作动器布局优化的数值仿真.结果表明通过改进的混合粒子群算法实现了大型航天结构在轨组装阶段的作动器分布式最优配置.

主带彗星尘埃特性的科学问题与探测方案

研究主带彗星的起源和形成、非活跃期主带彗星的特性以及主带彗星与其它彗星、小行星之间的关系,需形成能够覆盖尘埃颗粒特性的原位探测方法。针对中国即将实施的“天问二号”探测任务,在分析主带彗星尘埃特性与科学问题关系的基础上,提出一种在不引起彗星空间环境变化的前提条件下,通过非接触测量主带彗星喷发尘埃粒径、速度、动量、形貌、通量的集成复合探测方法,该设计方案已应用到“天问二号”任务的工程设计实践。

计算最优控制辛数值方法

针对最优控制问题(OCP)的辛数值方法研究及应用进行综述。主要涉及内容包括,动力学系统为常微分方程描述的一般无约束、含不等式约束和状态时滞的最优控制问题,微分代数方程描述的一般无约束、含不等式约束和含切换系统的最优控制问题,以及闭环最优控制问题。从间接法和直接法两个求解框架出发,重点介绍本课题组在保辛算法方面的研究工作。在间接法框架下,首先基于生成函数和变分原理,将OCP保辛离散为非线性方程组,再数值求解方程组。在直接法框架下,将OCP保辛离散为有限维的非线性规划问题(NLP),再数值求解。针对闭环最优控制问题,提出了保辛模型预测控制、滚动时域估计和瞬时最优控制算法。研究表明,保辛算法具有高精度和高效率的特点,在航空航天和机器人等领域有着广泛应用前景和价值。

自由节点差分法寻点策略研究及验证

混合网格具有良好的贴体性,适用于Navier-Stokes方程的计算,但在网格交界面处需要通过插值进行流场信息交换,而这一过程会引入误差。陈洁等提出了一种适用于无序网格点的自由节点差分计算方法,该方法可对重叠网格交界面流场进行差分计算,无须采用插值方法进行流场信息传递,解决了插值方法引入误差的问题。但该自由节点差分法的计算模板需要从中心点周围的点云中选择网格点构成,不同选点策略对计算结果的影响不同。针对自由节点差分法的选点需求,本文综合考虑角度、正交性、距离等因素,提出了几种不同选点策略,并利用数值实验进行了验证。结果表明,本文提出的选点策略符合自由节点差分法的构造思想,均能获得稳定的收敛解,其中模板点与中心点距离对计算精度影响最大,是选点策略的首要影响因素。

可变形磨损模型下微型离心泵复合磨损研究

为了探究微型离心泵在不同颗粒体积分数下的复合磨损类型与磨损变化,基于计算流体动力学与离散元耦合的方法,通过可变形磨料磨损Archard模型与可变形冲蚀磨损Oka模型对离心泵在不同颗粒体积分数(2%、4%、6%、8%、10%、12%)下的颗粒-部件碰撞占比率、磨损分布与演化进行了研究。通过对比实验发现颗粒体积分数在4%附近时颗粒与叶轮叶片、蜗壳碰撞占比率呈现不同的变化趋势。离心泵磨损以磨料磨损为主,磨料磨损中蜗壳为磨损最严重的部件,占总磨料磨损量的68.5%,随着颗粒体积分数的增加,蜗壳处磨料磨损由断面Ⅷ向断面Ⅰ演化,蜗壳前后端先后磨损。冲蚀磨损高磨损区域主要集中于叶轮叶片,占冲蚀磨损总量的95.83%,蜗壳处冲蚀磨损断面演化规律与磨料磨损变化规律近似,但蜗壳后端最先被磨损。颗粒体积分数对蜗壳磨料磨损变形量影响较大,蜗壳、叶轮磨料磨损变形量与冲蚀磨损变形量具有相似的变化趋势。