复杂载荷下燃气轮机轮盘Hirth齿多尺度接触界面结构强度特性研究

中心拉杆转子是燃气轮机的核心部件,但转子运行工况恶劣、事故频发,需要开展复杂接触状态下多尺度、多载荷作用的强度研究,以保障叶盘结构运行安全。基于粗糙表面接触模型和三维有限元方法,建立了考虑微观界面尺寸和粗糙度的燃气轮机轮盘Hirth齿接触界面热固耦合特性分析模型,探究了接触面微观尺度参数以及端面齿宏观尺度几何参数的影响。结果表明:端面齿的最大等效应力随齿根圆角半径的增大、压力角的减小而减小;端面齿的最大等效应力和平均接触压力均随着表面粗糙度的增大而减小。

非均质环形谐振子结构性能分析方法

传统环形谐振子结构特性分析方法是基于均质弹性力学理论的,无法准确描述非均质材料力学特性对环形谐振子结构静、动态性能的影响规律。基于圆弧形结构的欧拉梁理论,根据非均质本构关系,运用Hamilton原理,提出一种非均质环形谐振子结构性能分析方法。利用非均质环形谐振子理论和布勃诺夫-伽辽金法,获得非均质环形谐振子静态弯曲问题和动态转动问题的理论解。然后,分析了材料的非均质力学特性对环形谐振子弯曲挠度、二阶弯曲角频率及进动系数的影响规律。典型非均质材料性能分析结果表明,传统方法对于二阶弯曲角频率计算误差达59%以上,而所提方法能够精确预测非均质谐振子结构的静、动态响应,计算出二阶弯曲角频率。

火箭仪器舱结构模型的热振耦合模拟方法

传统的热振耦合方法缺乏对材料热特性变化的考虑,影响仿真分析的精度。为此,文章提出一种热特性参数与振动动态耦合的分析方法,建立动态变化的热振耦合方程,基于闪光瞬态法得到材料的热特性参数并将其应用在结构传热过程的数值仿真计算中。结果表明,是否考虑材料的热特性变化会对结构的传热过程仿真结果产生较大影响,并进一步影响结构的刚度特性仿真结果,从而造成结构模态分析偏差。采用本研究提出的动态变化的热振耦合模拟方法可提高传热仿真分析的精度和可靠度。

600MW汽轮机低压缸动力学特性分析与结构优化

针对某600MW凝汽式汽轮机低压缸盖振较大的问题,从动力学特性理论分析入手,采用三维有限元方法对低压缸结构进行了模态分析,提出了一种与低压转子旋转激振力等效的双向简谐力加载方法,对低压缸的受迫振动响应进行了数值计算;基于计算结果分析,提出了低压缸的结构优化改进方案,并从多角度对所提方案进行了效果评估。结果表明,低压缸的下缸刚度较低导致固有频率落入50Hz附近,以及转子轴承支撑中心距离端板较远导致激励力力矩较大,是低压缸振动较大的主要原因;提出的结构优化方案可提高低压缸的固有频率,使其避开50Hz工作频率,同时也能够有效降低振动响应的幅值。

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7%(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

木基材料自上而下多尺度结构设计研究进展

在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下,开发使用木基材料替代传统结构或功能材料,可以大大降低能源消耗,减少碳排放并增加碳封存量,对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义.近年来,为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能,不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控,从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能,为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地.基于此,文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述:首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构,接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制,其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料,随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展.最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.

双稳态压电超结构的超传输滞回效应与非互易编码特性

利用超结构的非线性效应能够实现新颖的振动能量传输调控现象.双稳态超结构存在非线性超传输特性,即在超结构线性化带隙内,当激励幅值超过某个临界值时,传输的振动能量将突变到很大值.文章针对含双稳态分流电路的压电超结构梁,建立了力电耦合非线性动力学数值模型,并采用伽辽金法对数值模型进行降阶处理以提升计算效率.基于上述模型研究了双稳态压电超结构的振动能量非线性传输特性,发现超结构线性局域共振带隙内的超传输特性存在滞回效应,也即向上扫幅激励和向下扫幅激励两种工况下超传输临界值不同.通过改变双稳态电路两个稳定平衡点的间距或者电路在稳定平衡点的共振强度可以移动超传输滞回区间.进一步通过在双稳态压电超结构一侧布置线性共振电路来引入系统非对称性,可使得正方向和反方向的超传输滞回区间发生偏离,利用这种非互易的超传输滞回效应可以在不同激励幅值区间实现不同模式的非互易编码.增强系统非对称性可使得正方向和反方向的超传输滞回区间偏离更加显著,故非互易编码区间具有可调性.文章极大地拓展了超材料的非互易模式,正方向和反方向能量传输性能不再局限于传统超材料固定的“传输”或“非传输”状态,通过合适的非互易编码设计可以实现弹性信息的单向传输功能.

复杂载荷下的核管路支架智能布置

当前,核电管路支架布置通过人工试算反复迭代来实现,存在劳动强度大、设计周期长、成本高等缺点。借助管路有限元力学分析,提出一种基于粒子群-遗传混合算法的三维空间核电管路支架智能布置方法。布置示例表明,所提方法可在管路的三维全局空间内自动布置不同功能的多个支架,在满足《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》设计规范的同时减小了工作量。

一维立方非线性刚度周期结构色散特性研究

研究立方非线性刚度单胞阵列形成一维周期结构后的色散特性,对飞机壁板振动控制的研究具有一定的促进作用。首先构建一维线性刚度周期结构的动力学模型,基于布洛赫理论(Bloch theorem)推导了其色散方程,并对其色散特性和弹性波传播现象进行分析。进而建立含立方非线性刚度单胞的一维周期结构的动力学模型,利用摄动法推导该周期结构的色散方程,分析非线性刚度的软、硬和激励振幅对其色散特性以及弹性波传播产生的影响。最后考虑到飞行器壁板复杂工作环境,避免摄动法仅适用于弱非线性的局限性,给出含立方非线性刚度一维周期结构色散关系的谐波平衡法的求解过程,对比两种方法的求解结果。本文为利用非线性周期结构对飞行器壁板进行振动控制的进一步研究奠定基础,对非线性声子晶体低频减振研究也具有一定的促进作用。

海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析方法

为实现海上风电机组支撑结构抗疲劳设计,提出基于整体-局部方式建模的疲劳分析方法。利用该方法对热点局部区域进行详细有限元建模,基于IIW规范采用高精度六面体实体单元离散,其余非重点区域采用梁单元离散,可克服以往运用应力影响矩阵研究中忽略整体结构位移、边界条件不易施加等缺点。基于IEC61400规范进行整机动力学和载荷计算,对某海上风电机组三脚架支撑结构进行疲劳分析。对比分析不同载荷工况、波高和水深下的累积损伤值,结果验证了所提出的整体-局部建模方法在海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析中的可行性和优越性。

环形天线结构点头模态的T‑S型模糊控制

通过悬吊解耦实现环形天线结构的点头模态,再进行振动控制是一个亟待解决的技术瓶颈。本文研究了环形天线结构点头模态的T‑S型模糊振动控制。以一个柔性缩比模型作为悬吊对象,应用有限元分析得到固有频率和模态;模态分析表明,当模型侧向悬吊时,点头模态受到的影响较小。再以侧向悬吊的模型参数建立状态空间方程,根据模糊控制原理,确定T‑S型模糊控制规则,用线性输出函数代替复杂的清晰化过程,建立T‑S型模糊控制程序,进行振动主动控制研究。数值结果表明,在T‑S型模糊控制后,点头模态方向的响应大幅下降,达到了模态解耦后抑制振动的目的。

高速飞行器气动控制耦合优化设计方法研究

针对传统串行设计过程由于空气动力学和控制系统数学模型复杂、无法综合考虑气动和控制的多目标优化的问题,提出了一种面向高速飞行器气动控制耦合优化设计方法。基于气动单学科代理优化(SBO)算法,将飞行器主动控制技术(ACT)的思想与多学科优化方法(MDO)相结合,构建了高速飞行器气动控制耦合多目标优化流程架构。在2马赫来流条件下,对带有控制舵的双锥体外形开展了气动耦合优化设计研究,以提升飞行器的气动性能和控制能力为优化目标。结果表明:经过气动控制耦合优化后的最优模型在超声速环境下,升力系数和升阻比分别提升了0.401%、2.999%,同时超调量与控制增益分别降低了2.769%、0.655%,气动性能和控制能力得到提升,验证了耦合策略的可行性;气动控制耦合优化的最优模型不仅使飞行器在超声速工作环境下性能更卓越,还有助于降低后续控制系统的设计难度,提高飞行器设计效率。所提气动控制耦合优化设计方法为高速飞行器的先进设计提供了必要的技术支撑。

一种基于改进YOLOv7的相机标定特征点检测方法

在基于视觉方法的军事目标检测等技术中,相机的精确标定是进行目标高精度测量的前提,同时也是开展后续图像处理、目标跟踪、三维重建的基础。相机标定的关键在于准确的检测图像中的标定特征点。以当前使用范围较广的棋盘格标定法为对象,针对受干扰(模糊、重噪声、极端姿态和大镜头失真)的标定图像难以进行特征点提取的问题,提出一种融合改进YOLOv7-tiny深度学习网络和Harris角点检测的相机标定特征点检测算法。针对原始网络在相机标定特征区域检测中的各种问题,引入Gather-and-Distribute信息聚合分发机制替换YOLOv7-tiny的加强特征提取网络(FPN)部分,提高不同层之间特征融合的能力;在主干特征提取部分后加入Biformer注意力机制,提高对小尺寸特征点候选区域的捕捉能力;在Head部分使用改进Efficient Decoupled Head解耦头,在提高精度的同时维持了较低的计算开销。测试结果表明,改进后的YOLOv7-tiny网络对特征点候选区域检测的准确率有显著的提高,达到95.3%,证明了改进后网络的有效性和可行性。

考虑各向异性蠕变的锆包壳鼓胀行为数值模拟方法研究

锆(Zr)合金包壳在高温和管内外压差作用下存在鼓胀及爆破失效行为,其中热蠕变是关键影响因素之一。针对α相Zr蠕变存在的各向异性特点,基于Hill准则推导了应力更新算法和一致切线刚度算法,并基于有限元方法加以实现,结合与温度和辐照相关的热-力学物性、α-β相转变模型和爆破失效限值经验模型,获得了Zr包壳的鼓胀行为分析工具。采用厚壁圆管蠕变问题的理论解析解进行了确认,通过与PUZRY系列鼓胀爆裂实验对比进行了验证,结果表明:相较于常规的各向同性蠕变算法,各向异性蠕变算法能够更好地预测α相区间的Zr包壳高温鼓胀;对于α+β混合相区间,目前常用的加权混合方法计算蠕变速率还存在较大误差;对于加压速率较大的工况,如果仅仅考虑蠕变的影响,则会存在较大误差。

融入几何先验的圆柱表面三维应变场双目视觉测量方法

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影的表面三维应变场计算方法;然后采用数值模拟方式,在不同应变区域和位移场噪声条件下,将所提方法与一般曲面子域投影法进行对比分析;最后开展圆柱拉伸实验,分别从单点和全场两个角度将所提方法的应变计算结果与应变片测量结果进行了对比。研究结果表明:在保证计算精度和位移场噪声鲁棒性的同时,所提方法将计算效率提高了约20%,且与应变片实验测量结果吻合较好,验证了该方法能够实现圆柱结构表面三维应变场的高效测量,也为规则结构表面三维应变场的计算提供了新思路。

散射体旋转诱导模态下拓扑声高性能波束成形机理

实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题,通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋转散射体对模态耦合的调控,能够实现无旁瓣宽频段下对波束波峰宽度以及波束能量衰减速率的近场和远场调控。通过在此结构内部引入错误因素,发现此拓扑声学高性能波束成形器具有高容错特性,多个错误因素对波束成形的近场远场结果基本不产生影响,这在很大程度上降低了加工制造的难度,同时极大地提高了器件的使用寿命。分别对拓扑声学波束成形以及错误因素介入下波束成形进行了实验验证,实验测试结果实现了4100~4630 Hz宽频带下无旁瓣的宽波峰波束,并且在器件中部分散射体缺失的情况下充分验证了波束成形器的高容错性。该研究提出的全新波束成形方法可为声学通信、微纳制造、生物医学和其他微形及多功能声学设备的工程应用提供参考。

KCPStack:张量分解的卷积核分层矩阵压缩方法

针对现有张量分解卷积核压缩方法难以兼顾时空轻量化、过于依赖卷积瓶颈结构等问题,提出一种具有可观压缩与加速能力的卷积核分层矩阵压缩方法(KCPStack)。首先,在矩阵乘法视角下,将卷积核按通道拆分为2阶克罗内克规范多项式(KCP)分解,所得因子张量组合为两层权重矩阵,使卷积计算转换为具有较高推理效率的双层轻量卷积结构;其次,对比所提KCPStack方法与其他典型张量分解卷积核压缩方法的参数约减空间复杂度与推理计算时间复杂度;最后,基于RK3588神经处理单元进行KCPStack方法的部署,面向实际场景目标检测识别需求开发相关应用。实验结果表明:与现有张量分解方法相比,在张量秩相同或者参数量相当的前提下,所提KCPStack方法具有最快的推理计算效率;在图像分类标准数据集CIFAR-10和ImageNet上,KCPStack方法能够将精度损失控制在1%左右,最高可减少85.0%的参数量和79.8%的计算量;在目标检测识别标准数据集COCO上,KCPStack方法相对于基线模型的平均精度下降不超过1%;采用所提KCPStack方法对实际场景进行目标检测识别,在RK3588神经处理单元上能达到95.4%的平均精度和35帧/s的图像处理帧率,内存开销仅为33.1 MB。

空间卷曲超表面圆柱壳声波调控及试验研究

基于广义斯涅尔定律,设计了两种由空间卷曲单元构成的空间卷曲超表面圆柱壳,通过改变单元内部齿条长度、宽度以及数量改变声波传播路径的长度和透射声波相位,实现对点声源声波的单向调控和双向调控,在目标范围内产生低噪声区域。推导了适用于超表面圆柱壳的极坐标广义斯涅尔定律表达式,应用有限元方法分析了空间卷曲超表面圆柱壳在点声源作用下的声压场分布和波的调控特性。搭建了声压测试试验平台,测得结构的透射声场声压值,将测量值与数值结果对比验证,两者具有较好的一致性。结果表明所设计的超表面圆柱壳可实现对柱面波的有效调控,为管道、压力容器等工程结构产生的柱面波噪声控制提供有益参考。

复合材料加筋板高频声振响应试验和仿真研究

为了探究复合材料加筋结构在强噪声环境下的高频振动响应,本文以复合材料加筋板为研究对象,首先开展了两种不同加筋形式复合材料板的统计能量参数的试验辨识研究,建立了两种复合材料加筋板的统计能量模型,进一步搭建了基于混响室的复合材料板动响应试验平台,将其计算结果同试验结果进行对比,验证了方法的准确性,最后预示了更高声压级载荷下的结构高频声振响应。

基于改进粒子群算法的层合板损伤定量检测方法

针对层合板在加工和服役过程中出现的结构损伤问题,提出基于差分法和改进粒子群算法的两阶段损伤定量检测方法。首先,采用单元弹性模量降低的方法定义了结构损伤单元,通过结构振动特性分析获得了不同损伤工况层合板数值模型的模态参数,运用差分法识别了损伤大致区域。其次,利用改进的粒子群算法定量计算损伤的精确位置和程度。所提算法通过待测结构模型和迭代更新后有限元模型模态参数的柔度矩阵构建目标函数,引入变异因子以使算法有效的跳出局部收敛,MS算子减少了健康单元对真实损伤单元损伤程度的影响。结果表明:基于改进的粒子群算法可精确识别复合材料层合板结构损伤单元的位置和损伤程度。