多尺度特征与注意力检测头的轻量化FOD检测

针对现阶段机场跑道异物碎片(FOD)目标检测算法存在的缺陷,进行了降低参数量和提高精度的改进。以你只看一次(YOLO)v5s目标检测算法为基础,提出多尺度特征与注意力检测头的轻量化FOD检测算法。首先,提出一种全新的轻量化网络结构。该结构使用深度可分离卷积和逐点卷积,并设计大卷积核架构,使模型感受野提升,从而解决大量特征图冗余问题。接着,融合多尺度特征图。通过移除大目标检测层、增加小目标检测层,在提升小目标检测能力的同时降低网络参数量。最后,提出一种动态头部框架来统一目标检测头和注意力,通过连贯地结合多个自注意力机制,进一步提升了网络检测精度。试验结果表明:所提出的使用鬼影卷积大卷积核架构下的多尺度特征注意力检测头的YOLOv5s(GRD-YOLOv5s)网络的参数量减少为3.39 MB,仅为原网络的48%;平均检测精度从98.40%提升至99.45%;检测速度为53.42帧/秒。该网络的提出为实现对小目标的准确检测提供了新思路。

用于FOD探测的毫米波-光电一体化复合天线设计

机场跑道异物探测是飞行安全的重要保障措施之一。从发展趋势看,“雷达+光电”的多源复合探测系统是机场跑道异物探测技术的发展方向,迫切需要高集成度、高协调性的一体化设备。文章针对跑道异物探测场景,基于光电探测和雷达原理,通过异形天线设计,高效分配毫米波探测和光学探测能力、合理规划毫米波天线口面和光学探测镜头布局,进行光学成像系统和毫米波系统的协同设计和优化,实现该复合探测系统前端最重要的一体化探测天线。该复合天线在确保最大限度发挥光电和毫米波雷达探测能力的同时,获得紧凑、合理的一体化结构,为高集成度、高性能的多源探测系统奠定技术基础。

基于CFAR和Duffing振子的FOD联合检测算法

机场跑道异物(Foreign Object Debris,FOD)对飞行器的安全运行危害巨大。图像处理识别目标,容易受到天气、光照的影响;毫米波雷达中常用的杂波图CFAR检测算法由于机场跑道的散射,在信杂比较低时,存在虚警较大的问题。针对现有的问题,提出一种CFAR与Duffing振子相结合的双层异物检测算法。利用传统的杂波图CFAR抑制杂波、设置阈值处理后,得到含有虚警信号的FOD回波信号,并提取FOD目标信号或者是虚警信号对应的频率信息,生成Duffing振子对应的本帧信号;再对FOD回波信号进行检测以剔除虚警信号,筛选出目标信号。通过Monte Carlo仿真验证了算法的有效性。

2D-SiC/SiC复合材料的弹丸冲击损伤及冲击后拉伸性能

连续纤维增韧陶瓷基复合材料以其良好的高温性能而被广泛应用在航空发动机等高温部件处,但服役过程中容易受到异物碎片冲击,这受到了广泛关注。研究采用轻气炮对化学气相渗透(CVI)技术制备的2D-SiC/SiC试样进行弹丸冲击,利用高速摄像机记录冲击过程,使用光学显微镜和CT观察异物损伤(FOD)的表面和内部结构,探讨了2D-SiC/SiC复合材料的高速冲击损伤特性。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料的高速冲击损伤形式包括锥形裂纹、层间分层、纤维断裂以及基体压溃等。通过表征损伤发现,试件背部损伤和边缘处分层损伤由反射拉伸波造成,随着冲击速度提升,弹丸与拉伸波共同作用会造成试件穿透,试件边缘分层损伤减弱。对高速冲击后的试件进行准静态拉伸试验,明确了剩余力学性能与冲击速度、弹丸直径的关系,表明剩余拉伸强度是表征冲击损伤程度的有效参数。同时,采用数字图像相关(DIC)方法获得拉伸过程中的应变分布,并结合不同弹丸直径、冲击速度冲击后的剩余拉伸强度,进一步对比探究不同变量对冲击损伤的影响。研究结果表明弹丸直径是高速冲击损伤程度的主要影响因素。

激光冲击强化对外物损伤叶片前缘的疲劳强度影响研究

为研究激光冲击强化对某型离心叶轮外物损伤后疲劳强度的影响,设计了反映真实叶片前缘部位的特征模拟件,并结合空气炮法模拟外物损伤,对比有/无激光冲击强化模拟件的高周疲劳试验结果,发现经激光冲击强化处理后,模拟件的疲劳强度提高约37%。同时,开展了激光冲击强化以及外物损伤后的残余应力/应变场数值仿真,结合Kitagawa-Takahashi(K-T)图法建立了考虑外物损伤与激光冲击强化的疲劳强度预测方法,与试验结果相比平均误差为7.3%,验证了方法的有效性。

Al_(2)O_(3)改性等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的异物损伤行为及失效机理

由外来异物损伤引起的颗粒冲蚀是制约热障涂层使用寿命的重要因素。为了提高等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)热障涂层的耐冲蚀性能,采用磁控溅射和真空热处理在PS-PVD喷涂的7YSZ热障涂层表面制备一层致密的α-Al_(2)O_(3)。系统研究热障涂层的异物损伤行为,并采用第一性原理计算对α-Al_(2)O_(3)/c-ZrO_(2)界面进行研究。结果表明,PS-PVD、大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的冲蚀质量损失率分别为324、248和139μg/g,而Al_(2)O_(3)改性的PS-PVD热障涂层的冲蚀质量损失率降至199μg/g。此外,在Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)-O的顶部构型模型中观察到的界面结合能最高(3.88 J/m^(2)),远高于ZrO_(2)/Ni(2.011 J/m^(2)),使界面结合性能得以提高。

基于检索任务和改进ResNet的机场跑道异物目标识别方法

针对机场跑道异物(FOD)普遍存在目标尺度差异大、小目标占比大且同种材质目标形态不统一等特性,提出一种基于检索任务和改进ResNet的FOD目标识别方法。首先,在网络训练阶段通过训练得到特征提取网络,将训练集中的样本数据输入特征提取网络,得到样本特征库;其次,在测试阶段,将测试样本输入特征提取网络,获取测试样本特征向量,计算测试样本特征向量与样本特征库中特征向量的距离;最后,将距离最近的样本类型赋予该测试样本。所提方法采用的检索任务思想在出现新类型目标时,无需重新训练网络模型,大幅地节约了人力和物力成本。另外,所提方法将ResNet50作为特征提取网络,并在此基础上增加多尺度特征提取模块(MSM)、通道注意力模块(CAM)和特征融合模块。实验结果表明,与Faster-RCNN和YOLO-V5-n方法相比,所提方法的平均识别率分别提高了2.44和0.18个百分点,能在实际应用中实现更精确的FOD识别。

车载手机无线充电的金属异物检测

针对车载手机无线充电系统安全问题日益凸显的现象,分析金属异物对无线充电系统中电磁感应的影响.首先,基于电磁感应原理构造品质因子Q算法模型,得出一种基于品质因子Q值的异物检测算法模型;然后,通过电路原理和客户需求设计车载无线充电电路,并通过仿真计算验证该异物检测算法模型的有效性.仿真结果显示,若有金属异物的工况,品质因子Q值会降低.本研究不仅能为车载无线充电系统开发提供计算模型,还能为车载充电系统的无线传感线圈参数设计提供理论依据.

FOD对TC4合金扩散焊板材HCF性能影响

针对外物损伤(FOD)对航空发动机宽弦空心风扇叶片高循环疲劳(HCF)性能的影响,以TC4合金3层扩散焊板件模拟宽弦空心风扇叶片典型冲击部位,采用空气炮法对TC4合金3层扩散焊板进行FOD模拟试验,对冲击角度为25°、40°和80°时的损伤状况进行了宏微观测量;采用逐级加载法对FOD后的扩散焊焊板进行HCF强度试验,获得各条件下扩散焊板件的条件疲劳极限。结果表明:在各冲击条件下,冲击角度为25°时对材料造成的损伤最严重,HCF强度降低幅度最大;FOD不仅会造成材料表面损伤,还会对内部焊缝层造成损伤。在上述因素共同作用下,扩散焊板件FOD后HCF强度显著降低,相应的疲劳缺口系数明显增大。

民机试飞中基于图像分割和水雾模型FOD检测

机场外来物(FOD)给机场带来安全隐患。针对FOD雷达检测成本高以及环境因素限制等问题,以民机试飞跑道为对象,提出采用图像分割和水雾模型法对试飞跑道上的FOD进行智能识别,为试飞安全提供保障。研究了灰度检测、主动轮廓检测和大津法检测对FOD的识别效果。结果表明:图像灰度检测FOD轮廓存在较多的不连续区域,主动轮廓检测对单个FOD识别效果较好,采用大津法时,跑道线会对自适应阈值产生较大干扰,FOD图像轮廓与背景区别不明显。水雾模型法可以快速检测试飞跑道内的多个FOD,检测时间小于5 s,识别准确率95.67%。

风扇/压气机叶片外物损伤验证方法及疲劳强度预测研究

为了在部件试验器上验证发动机风扇/压气机叶片的抗外物损伤的能力,针对某型航空发动机高压压气机叶片,开展了叶片的外物损伤试验和损伤叶片的高周疲劳试验,提出了叶片预制缺口位置、深度的确定方法以及根据动应力测试数据确定振动疲劳试验载荷的方法。使用最差缺口模型对损伤叶片进行了疲劳强度的预测与评估,结果表明,该模型对带缺口试样疲劳强度的预测偏危险,在工程使用时建议取1.5倍安全系数。

外物损伤对压气机叶片高周疲劳强度的影响研究进展

针对外物损伤(FOD)对压气机叶片高周疲劳(HCF)强度的影响特点及其规律,总结了国内外研究现状及预期发展趋势。从FOD特征对压气机叶片HCF强度的影响、残余应力以及激光强化对HCF强度的影响、FOD叶片数值模拟以及FOD叶片寿命模型等方面,对现有研究成果进行综述。分析表明:FOD从多方面影响着压气机叶片的HCF强度,并有着一定的规律性,如:60°是较为危险的一种冲击角度,随着外物冲击损伤深度的增加会降低叶片的强度,残余拉应力的产生可以提高叶片疲劳强度,适当的表面处理同样可以提高叶片的强度。现有的FOD对压气机叶片HCF强度研究存在以下问题:试验有待进一步改进,理论模型有待深入研究,残余应力对叶片HCF强度的影响规律尚不统一等。

改进YOLOv5的机场跑道异物目标检测算法

针对机场跑道异物(foreign object debris,FOD)在图像中目标占比小,特征不明显,经常导致误检、漏检的问题,提出一种改进YOLOv5的FOD目标检测算法。改进多尺度融合与检测部分,融合高分辨率特征图增强小目标特征表达,移除大目标检测层以减少网络推理计算量;引入轻量高效的卷积注意力模块(CBAM),从空间与通道两个维度提升模型关注目标特征的能力;在特征融合阶段采用RepVGG模块,提高模型特征融合能力的同时提高了检测精度;采用SIoU Loss作为损失函数,提升了边框回归的速度与精度。在自制FOD数据集上进行对比实验,结果表明:该方法在满足实时性的条件下,实现了95.01%的mAP50、55.79%的mAP50:95,比原算法YOLOv5分别提高了2.78、3.28个百分点,有效解决了传统FOD检测误检、漏检问题,同时与主流目标检测算法相比,提出的改进算法更适用于FOD检测任务。

复合材料外物损伤规律及损伤后拉伸疲劳研究

为研究复合材料受外力冲击的规律和冲击后疲劳的特性,分别使用200 m/s、300 m/s的冲击速度、直径4 mm、3 mm的钢珠以90°和30°入射角度冲击复合材料层合板,模拟外物损伤的过程,共设计了24组冲击试验和9组疲劳试验。根据结果比对冲击速度、冲击物大小、冲击角度对冲击损伤的影响,分别对复合材料层合板损伤的长度、宽度和深度进行研究。对冲击后的层合板进行拉伸疲劳试验,根据所得到的疲劳极限,建立冲击损伤长度、宽度、深度和疲劳强度的关系。结果表明:相对于冲击角度,冲击物大小变化对层合板损伤影响更大,冲击速度的影响最小;疲劳强度与损伤长度和宽度的相关性较为明显,而与损伤深度的相关性较小。

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响,以模拟叶片为研究对象,采用空气炮法,预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤,为获得损伤叶片的疲劳极限,对损伤叶片开展了高周疲劳试验,在此基础上,通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响,最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明,冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大;叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低,其中缺口深度对疲劳极限的影响较大;缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响;Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大,修正后预测结果误差从-30%~30%降至-15%~15%。

损伤位置对发动机叶片振动疲劳的影响研究

为研究外物损伤冲击位置对航空发动机叶片疲劳极限的影响,基于落锤冲击试验系统,对TC4钛合金叶片模拟试件分别进行了边缘冲击和面心冲击等2种外物损伤试验;在此基础上,对缺口试件和光滑试件分别进行振动疲劳试验,获得损伤试件缺口几何特征,并得到了不同冲击位置下的TC4叶片振动疲劳极限。结果表明:面心冲击比边缘冲击造成的缺口宽度、深度、体积更大,缺口平均体积大46.7%;光滑试件疲劳裂纹的产生出现在试件缩颈处,外物损伤缺口均产生在缺口处;边缘冲击导致的叶片振动疲劳极限降低的程度反而要大于面心冲击,边缘冲击的疲劳极限较光滑试件下降了55.8%,面心冲击的疲劳极限较光滑试件下降了35.1%。

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明:损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。

外物形状对发动机叶片中残余应力场的影响分析

综合运用显、隐式有限元算法对航空发动机叶片进气边受不同形状外物的撞击进行数值分析,在Ansys/LS-DYNA中进行不同形状外物撞击的瞬态显式分析,然后通过显—隐式算法的转换,获得受不同形状的外物撞击后叶片中的残余应力场分布。结果表明,外物的形状对叶片所受的损伤是有影响的,外物撞击部位的形状越尖锐,撞击叶片后叶片中分布的最大残余拉应力值越大,导致叶片的抗疲劳强度受削弱较大;几何外形相近的外物撞击后,叶片中的残余应力场分布趋势相近。

航空发动机叶片外物损伤研究现状

全面地介绍了航空发动机叶片外物损伤研究的现状。叶片鸟撞击损伤是一种软物损伤。从鸟撞击叶片过程的理论研究、计算研究和试验研究三个方面进行了详细地介绍。叶片冰撞击损伤既可能是软物损伤又可能是硬物损伤。叶片冰损伤的研究文献较少,对此进行了简要地介绍。叶片硬物损伤包括金属块、石块和冰块三种形式。对叶片硬物损伤研究的各个方面,包括叶片硬物损伤的形成、叶片硬物损伤后的疲劳强度、叶片由于硬物损伤而产生微裂纹和微裂纹增长等,进行了详细地介绍。最后,提出了国内进行叶片外物损伤的研究方向。

外物形状对航空发动机压气机转子叶片撞击损伤的影响

为研究外物形状对航空发动机压气机转子叶片撞击损伤的影响,以某型航空发动机一级转子叶片为研究对象,采用塑性随动硬化本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA通用商业软件模拟了飞机滑跑过程中相同体积的圆柱体钢钉和钢球对叶片进气边同一部位的撞击损伤情况。在研究过程中,以发动机的最大工作状态为初始状态,外物以相对速度438.36m/s、与发动机轴线夹角为65.5o的方向撞击叶片进气边,并将相对速度每递减10%作为一个模拟状态。研究发现:相同速度(动能)下,圆柱体钢钉和钢球导致叶片产生不同形状、不同大小的缺口;对于缺口深度来说,当相对动能rE≤16 J时,钢球的撞击深度小于钢钉的撞击深度,但当rE>16 J时,情况正好相反;对于缺口宽度来说,当rE≤11 J时,钢球的撞击宽度小于钢钉的撞击宽度,但当rE>11 J时,钢球和钢钉的撞击宽度相等且保持恒定;钢球、钢钉导致叶片产生缺口的最小动能分别是6.6J和2.4J,钢钉的撞击持续时间总是大于钢球的撞击持续时间。