Spherical-cymbal换能器静水压性能研究

对Spherical-cymbal换能器的静水压性能进行了研究。采用有限元法计算了该换能器在静水压下的米塞斯等效应力,找出了其所能承受的极限静水压。研究了金属端帽几何尺寸及端帽材料对Spherical-cymbal换能器耐压极限的影响,结果表明,空腔深度、端帽厚度及端帽材料对该换能器耐压性能影响显著;对比研究表明,参考尺寸下的Spherical-cymbal换能器比传统Cymbal换能器具有更高的耐压极限。

球形破片侵彻弹道明胶实验研究

为研究破片对人体的力学损伤机理,采用弹道明胶作为人体软组织替代物,开展了球形破片侵彻明胶实验研究。球形破片驱动装置为57/10二级轻气炮,利用超高速摄像机记录了Φ4 mm、Φ5 mm、Φ6 mm球形钢质破片,以600~1150 m/s速度侵彻明胶过程,并采用图像处理方式获取了明胶瞬时空腔数据。实验结果表明:瞬时空腔直径随着时间推移形成两个膨缩阶段,呈现周期性变化规律;基于实测球形破片速度-位移衰减关系,定量描述了3种直径球形破片侵彻明胶的运动规律;根据球形钢质破片的存速系数比29.90 mm^(-1),可快速预测该类破片侵彻弹道明胶过程中侵彻深度与侵彻速度之间的关系。研究结果可为深入分析生物致伤机理提供参考。

高阶容积卡尔曼滤波及其在目标跟踪中的应用

针对传统的容积卡尔曼滤波(CKF)估计精度有限的问题,提出了一种基于任意阶容积规则的高阶容积卡尔曼滤波(HCKF)方法并应用于机动目标跟踪问题。传统的CKF采用三阶球面-相径容积规则,可获得优于其他非线性滤波如不敏卡尔曼滤波(UKF)的估计精度和数值稳定性。为了进一步提高CKF的估计精度,在基于点的高斯近似滤波框架下,分别使用Genz积分方法和矩匹配法推导出任意阶的球面规则和相径规则,以此构造高阶球面-相径容积规则来计算高斯型积分,并建立高阶容积卡尔曼滤波算法。将提出的HCKF算法应用于机动目标跟踪问题中并进行数值仿真。仿真结果表明,相对于传统容积卡尔曼滤波,高阶容积卡尔曼滤波对目标位置和速度估计的精度分别提高了11%和24%,可获得更高的估计精度。

深潜器载人球壳规范设计公式的比较(英文)

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏。然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较。比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚。因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式。最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议。

5阶CKF在捷联惯导非线性对准中的应用研究

为了提高动基座下车载捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)的初始对准精度和缩短对准时间,在不进行粗对准的前提下,利用5阶容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter,CKF)完成非线性对准。针对3阶CKF滤波精度不高、5阶高斯厄密特滤波器计算量过大的问题,基于多项式逼近的思想详细推导了5阶球面径向容积规则,继而提出了5阶CKF并分析了该算法的滤波精度、采样量和数值稳定性,利用奇异值分解代替Cholesky分解来增强滤波稳定性。实验结果表明,该方法能够有效完成大失准角下的非线性对准,精度高于3阶CKF。

球面四杆机构函数综合的带修复策略可行性规则差分进化算法

根据杆长限制条件,建立约束方程,进而得出求解球面四杆机构函数综合问题的非线性方程组,并将该方程组的求解转化为鞍点规划问题。以杆长协调、传动角、避免乱支缺陷等为约束条件,提出球面四杆机构近似函数综合的约束优化模型,再应用差分进化(Differential evolution,DE)算法求解该问题。在定义约束违反度和弱、强不可行解的基础上,提出处理约束条件的改进可行性规则,形成求解约束优化问题的可行性规则差分进化(Feasibility-rule-based DE,FRDE)算法。应用4个benchmark约束优化问题测试FRDE算法的优化性能,结果表明,其可靠性和稳健性指标优于对比算法。面向机构优化综合问题,将修复策略融入FRDE算法,发展为带修复策略的FRDE算法(Feasibility-rule-based DE algorithm with repair strategies,FRRDE)。给出5个函数综合实例。结果显示,优化模型和方法可行有效,且FRRDE算法的优化性能好于对比算法。

基于贝叶斯估计噪声相关下的CKF设计

针对常规容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter,CKF)要求系统噪声和量测噪声必须互不相关的局限性,提出了一种带相关噪声的非线性离散系统CKF设计方法。基于贝叶斯估计准则,给出了系统噪声和量测噪声相关时CKF滤波递推公式,并采用三阶球面-相径容积规则来近似计算系统状态的后验均值和协方差。当系统噪声和量测噪声相关时,常规CKF不适用,本文设计的噪声相关下的CKF可以有效地对状态进行估计,拓展了CKF的应用范围。数值仿真验证了算法的有效性。

一种新型水下球形机器人的旋转运动分析

以水下球形机器人BYSQ-2为研究对象,忽略水阻力矩对其球壳旋转的影响,分三种情形研究了配重转动时球壳的运动特性,并用Kane方法建立了动力学模型。在MATLAB中对所建立的动力学模型进行了仿真,仿真结果显示的球壳的旋转规律和运动特点如下:当短轴电机驱动时,球壳会向与配重旋转方向相反的方向旋转;当长轴电机驱动时,球壳的旋转不会改变推进器的推进方向,短轴的姿态会随着配重的旋转改变;短轴电机和长轴电机同时驱动,控制调节力矩输入,可使推进器的推进方向调节到任意方向。这些结果可作为进一步研究BYSQ-2的水下运动控制的理论基础。

四元数约束的容积卡尔曼滤波及其应用

针对一些非线性系统状态变量中存在四元数约束的情况,提出了一种四元数约束下的容积卡尔曼滤波(quaternion constrained cubature kalman filter,QCCKF)算法.基于最小约束代价函数,采用三阶球面-相径容积规则近似计算系统状态的后验均值和协方差,给出了QCCKF滤波递推公式.设计的QCCKF算法可以有效地对状态进行估计,扩展了CKF的应用范围.最后对飞行器姿态估计系统进行仿真,仿真结果表明,该算法估计精度优于常规CKF和无迹四元数估计法(unscented quaternion estimator,USQUE),并满足四元数约束条件,较好地解决了非线性系统存在四元数约束的问题,验证了算法的有效性.

降维CKF算法及其在SINS初始对准中的应用

针对常规容积卡尔曼滤波(cubature Kalman filter,CKF)算法在捷联惯导系统(strapdown inertialnavigation system,SINS)大方位失准角初始对准中采样点个数与状态向量维数成正比、计算量较大的问题,提出了降维CKF算法。与常规CKF算法相比,该算法只对离散化后的SINS非线性误差模型中的大方位失准角进行采样,再利用三阶球面-相径容积规则计算后验均值和协方差,从而将采样向量从10维降低到1维,采样点数量从20个下降到2个,减小了计算量。仿真实验结果表明,该算法与常规CKF算法具有相同的对准精度,计算时间仅为常规CKF算法的1/3,是一种较为实用的方法。

拟序结构下空泡近壁区运动规律研究

从湍流的近壁拟序结构对近壁区小粒径空泡的运动规律的影响出发,对空泡产生的机理做了新的探讨。从理论上推导出基于典型湍流边界层模式的非拟序结构下空泡的近壁区运动方程,并导出基于湍流近壁拟序结构作用的空泡近壁区运动方程。两种不同条件下的运动方程比较表明,湍流近壁区的拟序结构对空泡的产生具有决定性的意义,正是由于拟序猝发作用的存在,才使得空泡对壁面的空蚀作用得以发生。

液滴与球形颗粒相互碰撞的数值模拟

为了研究液滴与球形颗粒的碰撞规律,建立了正确反映液滴与颗粒间相互碰撞的物理模型.利用所建模型模拟了液滴与颗粒的动态碰撞过程,进而对液滴半径铺展系数及液膜中心高度系数进行分析,研究了液滴与颗粒间的撞击速度、湿润角、粒径比等参数对碰撞结果的影响.结果表明:在一定条件下,撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展半径系数,当撞击速度为0.4 m·s^(-1)时,液滴完全反弹,当撞击速度提高到1.4 m·s^(-1)时,液滴发生破碎;当速度和粒径比不变时,湿润角与最大液膜中心高度系数成正比;在湿润角不大于90°时,粒径比越大,液滴包覆的概率就越大.

球面单形-径向容积粒子滤波的单站无源定位算法

针对单站无源定位可观测性弱、观测噪声大而导致的定位精度低、收敛速度慢等问题,提出了球面单形-径向容积粒子滤波(Cubature Particle Filter,CPF)的单站无源定位算法。该算法基于容积卡尔曼滤波产生重要性密度函数,充分利用最新的观测信息,将粒子导向高似然区域。同时,其预测分布得到修正后的权值,有效缓解了粒子退化问题,提高了对系统状态后验概率的逼近程度。仿真结果表明,新算法虽然较标准的CPF增加了一定的计算量,但计算时间仍仅约为求积分粒子滤波(Quadrature Particle Filter,QPF)的10%,且定位精度与QPF相当,优于标准的CPF。

Tresca材料球形腔体扩张衬砌问题的弹塑性解

扩张衬砌就是在爆炸形成地下空间的同时,在地下空间的壁面上形成一层与土壤紧密接触并且具有一定承载能力和防护能力的砌体。在单一土介质中球形腔体扩张问题一般解的基础上,应用弹塑性理论对两种介质中球形腔体的扩张衬砌问题进行了解析求解。在材料服从Tresca屈服准则的条件下,得到了球形腔体的最大扩张压力的一般解,为建立爆炸衬砌装药量与衬砌内腔半径之间的关系奠定了基础。

基于球形杀伤元运动特性的明胶靶标标定方法研究

为研究使用明胶靶标对杀伤元进行杀伤威力评估的工程方法,分析明胶靶标的材料力学性能,在实验研究的基础上,结合瞬态动力分析软件对球形杀伤元在明胶介质中的运动规律进行了分析研究。研究结果表明：在使用明胶靶标进行威力实验前,应对靶标材料特性进行标定;球形杀伤元在明胶介质中高速运动时会产生空腔现象,最大空腔直径会随着侵彻深度的增加而增大,杀伤元的速度、阻力均以指数形式衰减;杀伤元以中高速（300~1 000 m/s）侵彻明胶靶标时,可将明胶靶标简化为流体模型。通过实例分析、计算,建立了速度与位移的数学关系,确定了明胶靶标的标定方法。研究结果可为杀伤元威力评估和明胶靶标标定提供参考。

平方根容积卡尔曼滤波器

针对容积卡尔曼滤波器在递推过程中,计算量大、数值不稳定等问题,提出了平方根容积卡尔曼滤波器。该滤波器不仅增强了数值鲁棒性,确保了状态协方差矩阵的正定性,且在一定程度上提高了滤波精度。仿真结果表明,该滤波器的滤波精度与容积卡尔曼滤波相比提高了约10%,且均高于扩展卡尔曼滤波;随着状态维数的增加,该滤波器的估计性能越加优于扩展卡尔曼滤波器。因此对系统维数较高的场合,该滤波器是一种非常有效的非线性滤波算法。

凸包内空间散乱点集Delaunay四面体角度剖分算法

提出空间散乱点集Delaunay四面体剖分的一种新算法,定义了一个新的Delaunay四面体判定标准即最大球缺角,并在Fortran平台上实现了这种算法,验证算法的准确性和高效性,对于解决空间De-launay四面体剖分来说是一个新的计算思路。将Delaunay四面体的判定改进为量化的判定,这样的判定方法相对以前的方法更容易、更快捷。

球形耐压壳设计中的稳定性校核

考虑球形耐压壳制造时的初始几何缺陷,依据欧标EN1993-1-6(2007)计算缺陷幅值,基于模态缺陷法在有限元模型中引入缺陷分布,求解初始缺陷对受压球壳稳定性的影响,针对大深度潜水器球形耐压壳,将模态缺陷法的分析结果与1996版、2013版《潜水系统和潜水器建造与入级规范》(以下简称《规范》)计算结果作比对,结果表明,模态缺陷法是分析几何缺陷条件下耐压球壳稳定性的有效方法;1996版《规范》得到的球形耐压壳的屈曲临界载荷值偏高,导致设计的结构偏危险,2013版《规范》与有限元分析结果吻合度较好,表明在大深度潜水器球形耐压壳的稳定性设计方面,2013版《规范》较1996版《规范》有所提升。

基于五阶球面单纯形-径向容积准则的多终端一致分布式滤波定轨算法

为了提高多手持终端信息融合实时定轨的精度和系统容错性,该文提出一种基于五阶球面单纯形-径向容积准则的多终端一致分布式容积信息滤波(CD-SSRCIF)定轨算法。分别使用n维单纯形顶点和矩匹配法计算球面和径向积分,得到适用于系统状态维数n￡7时的五阶球面单纯形-径向容积准则。利用统计线性误差传播方法将此五阶容积准则嵌入扩展信息滤波器,将集中式变量展开得到多源集中式五阶容积信息滤波器。进而,利用平均一致性算法对集中式滤波中多源信息累加进行分布式等价表示,构成上下两层级联滤波器,下层滤波器执行平均一致性算法融合邻居节点的信息,输出虚拟量测值。上层滤波器利用该量测值执行五阶容积信息滤波,实时输出轨道状态估计值。仿真实验结果表明,五阶CD-SSRCIF算法无需信息融合中心,且具有比三阶算法更高的定轨精度。

强噪声下的矢量跟踪信号故障检测算法

在卫星导航系统的矢量跟踪结构中,由于鉴别器的非线性,异常的电离层、对流层延迟或多路径等其他干扰造成的信号故障通过鉴别器输出会产生失真,使得在强噪声环境下较大偏差的故障难以被检出,导致矢量跟踪结构的导航定位结果不准确。针对该问题,提出了一种强噪声环境下的矢量跟踪信号故障检测算法。该算法对鉴别器输出失真的原因及影响进行了分析;为降低其影响设计了一种专用于信号故障检测的码鉴别器,它对跟踪通道中的码相位偏差具有更大的正相关响应范围,因而可以使故障检测算法对强噪声环境下的大偏差突变故障和缓变故障具有检测能力;采用三阶球面-径向容积准则对测试统计量及其方差进行估计。不同噪声环境下的突变和缓变故障检测仿真实验表明,提出的算法能保持对0.5码片以上偏差突变故障的可靠检测。同时对强噪声环境比如25~30 dBHz环境下的缓变故障也具有一定的检测能力。