垂直起降固定翼无人机混合动力系统参数匹配

燃料电池无人机因其效率高、排放无污染、能量密度高等优点,成为绿色航空研究的热点。燃料电池混合动力系统参数匹配对无人机经济、环保和效率有重要影响。某垂直起降固定翼无人机采用燃料电池+锂离子电池混合动力系统,根据技术指标,对该无人机动力系统各部件进行选型。首先设计燃料电池混合动力系统拓扑结构,对混合动力系统中燃料电池、锂电池、无刷直流电机、螺旋桨、单向DC/DC变换器进行参数匹配;然后根据任务剖面创建负载功率,最后运用有限状态机能量管理控制策略,对混合动力系统进行MATLAB/Simulink仿真分析。结果表明:所设计的燃料电池混合动力系统能很好地满足飞行负载需求和飞行过程中的工况变化,实现了零排放飞行。

典型航空煤油的模型燃料及其骨架反应机理构建

针对航空煤油低温简化机理极其缺乏的问题,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯作为基础燃料,分别为S-8,Jet-A和RP-3航空煤油构建模型燃料,并利用官能团匹配方法确定基础燃料配比。针对传统解耦法采用C0-C3机理造成精度不高的问题,采用C0-C4机理耦合基础组分Cn-C5骨架子机理,然后利用实验数据优化Cn-C5骨架子机理的反应速率常数。通过机理简化方法,得到包含122个组分,725个反应的骨架机理,并对各组分机理进行了验证。最后,对构建航空煤油模型燃料的着火延迟时间、组分浓度演变数据和层流火焰速度进行了验证,结果表明所构建模型具有简洁和精准的优点,为高精度的燃烧反应流数值模拟研究奠定了基础。

融合电池温度控制的混合动力汽车多目标能量管理策略

针对某款并联式混合动力汽车,为权衡燃油经济性和电池温升效应,制定了多目标优化的能量管理策略。建立了车辆动力学模型和电池温升模型;选定多组动力部件的控制参数和电池相关参数,基于Pareto最优解进行了多目标参数优化;针对大倍率电流下的温度累积效应,提出了基于温升反馈的电机转矩上限控制策略,以主动控制电流幅值,进而实现电池温度控制。结果表明:多目标优化得到的Pareto前沿很好地权衡了燃油经济性和电池温升响应,电机转矩门限值调节策略有效地限制了高速工况下的电流幅值,达到了对电池热累积的限制。

斜盘发动机摆盘机构参数对动力性能影响分析

为了研究斜盘发动机摆盘机构相关参数对发动机动力性能的影响,通过对斜盘发动机摆盘机构相关参数的推导,建立了其设计参数与发动机动力学性能之间关系的数学模型;结合该数学模型,采用控制变量法,研究摆盘机构缸数的变化对输出转速及斜盘质心位移的影响,并进行了Adams仿真分析。结果显示,当选择缸数为自变量时,斜盘倾角从29.93°逐渐减小至14.26°,且缸数为7缸时的转速平均偏差最小,为0.005 4 r/min;斜盘质心在x轴、y轴上的位移平均值也最小,分别为-0.005 9 mm、-0.016 7 mm;在z轴上的位移平均值为0.038 8 mm,虽不是最小值,但偏移幅值更小。结果表明,发动机缸数为7缸、斜盘倾斜角为16.35°的结构时,主轴转速稳定性及斜盘的稳定性均为最优。研究为斜盘发动机的参数设计提供了参考。

基于概率函数触发的锂电池模组热失控蔓延建模与分析方法研究

针对现有数值模拟方法难以准确反映锂电池热失控触发温度概率性变化的问题,提出基于概率函数触发的锂电池模组热失控蔓延建模方法。该方法首先通过统计分析实际锂电池热失控温度区间和数量分布,以此计算出各温度区间热失控触发概率,然后基于提出的概率触发模拟器实现仿真过程概率触发,采用实验数据对该方法的有效性进行验证,最后对概率函数触发条件下的热蔓延路径及其概率进行分析。结果表明,存在包括跳跃式热失控现象在内的多种热失控蔓延路径,其中顺序热失控的概率最高,而跳跃式热失控的概率最小。所提出的方法为研究锂电池模组热失控蔓延过程的概率性提供有效的研究工具和分析方法。

SLM成形Ti-6Al-4V层状混合点阵结构的力学性能和吸能特性研究

以选区激光熔化(SLM)成形的Ti-6Al-4V钛合金层状混合点阵结构为研究对象。首先设计并制备了由体心立方(BCC)单胞构成的单一点阵结构以及由BCC单胞和面心立方(FCC)单胞组成的2种层状混合点阵结构;其次,利用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的点阵结构表面形貌和几何结构进行了表征;再次,采用万能力学试验机对点阵结构进行了准静态单轴压缩试验,并比较了不同点阵结构的力学性能和吸能性能;最后,分析并讨论了单一点阵结构和层状混合点阵结构的变形模式。结果表明:与BCC单一点阵结构相比,层状混合点阵结构TBF-A和TBF-B的弹性模量分别提高27.80%和24.15%,屈服强度分别提高22.96%和18.36%,比吸能分别提高96.01%和33.33%;在变形行为方面,BCC点阵结构沿45°方向整体断裂,而TBF-A和TBF-B层状混合点阵由于增强相(FCC点阵结构)的存在,其断裂仅发生在基体相(BCC点阵结构)区域。

基于模糊逻辑的增程式无人机能量管理策略研究

以增程式无人机为研究对象,通过建立发动机、发电机、电池和冷却风扇的数学模型,研究增程式混合动力系统能量管理策略。根据无人机的工作特性,提出了一种基于模糊逻辑的复合型能量管理策略(模糊复合型能量管理策略),并使用MATLAB/Simulink进行仿真。研究表明:与纯油驱动、复合型能量管理策略驱动相比,笔者提出的模糊复合型能量管理策略驱动下的无人机在油耗方面比纯油驱动省油8.1%,比复合型能量管理策略驱动省油2.2%;在稳定方面,采用模糊复合型能量管理策略的发动机,转速波动比纯油驱动和复合型能量管理策略均少了50 r/min,且波动频率更低。

基于油电混动六旋翼无人机的模糊PID飞行控制策略研究

针对油电混动六旋翼无人机飞行因燃油消耗而产生变载荷,进而导致飞行姿态响应迟钝的现象,设计出结合能量管理的模糊PID(proportion integration differentiation,PID)飞行控制策略。首先,以最大需求功率为2.0 kW、质量为18 kg的油电混动六旋翼无人机为研究对象,建立MATLAB/Simulink模型;其次,利用模糊算法对变载荷的质量和转动惯量进行模糊化-隶属度函数-规则库-反模糊化处理,实时调整PID值,解决姿态响应迟钝的问题;最后,设计阶梯和巡航工况,观测无人机的姿态响应情况。结果表明:燃油消耗会在姿态变动时,对位置偏移产生不利影响;与普通PID相比,提出的飞行控制策略会实时修正不同载荷下的PID参数,当飞行状况改变时,位置峰值偏移量为6 m,稳定性能良好;同时,在偏移修正方面,模糊PID可在20 s内对偏移量进行修正,并且能持续保持现有姿态,表明模糊PID飞行控制策略具有优异的跟随性能。

面向微型交通标志的ASPC-YOLOv8检测算法

针对在部分遮挡和复杂背景下的微型交通标志误检、漏检等问题,提出一种基于YOLOv8s的交通标志检测框架。构建空间自适应金字塔卷积模块(ASPC)代替Neck所有Conv模块,设计全新的ASPC2f模块代替部分C2f模块,减少了模型参数量,提升了检测性能;为解决在检测小目标时因尺度不一致而导致的语义信息损失问题,引入小目标检测层,以增强深层和浅层语义信息的有效融合;使用EIOU代替原来的边界框损失函数,提升网络边界框回归性能。经实验,该方法在TT100K交通标志数据集上平均精度均值(mAP)达到89.7%,相较于原模型提升6.2个百分点,微型目标平均精度均值相对提升9.4个百分点,参数量降低2.6 MB。

选区激光熔化成形的316L不锈钢点阵夹层结构的力学性能和能量吸收性能研究

目的以选区激光熔化(SLM)成形的316L不锈钢点阵夹层结构为研究对象,研究单一、混合芯层对点阵夹层结构力学性能和能量吸收性能的影响,为轻质高强耐撞点阵夹层结构提供设计依据。方法通过SLM成形技术,以316L不锈钢粉末为原材料,制备点阵夹层结构,利用扫描电镜对SLM成形的点阵夹层结构几何结构特征进行观察,利用准静态压缩实验对点阵夹层结构的力学性能和能量吸收性能进行研究。结果在选定的SLM成形工艺参数下,SLM成形的点阵夹层结构芯层的连接杆表面存在一定的粗糙度且斜向连接杆的表面粗糙度比竖直连接杆的表面粗糙度大。在SLM成形的点阵夹层结构中,混合点阵夹层结构BFB和FBF的弹性模量分别为2525.7 MPa和2493.8 MPa,屈服强度分别为36.3 MPa和38.3 MPa,能量吸收分别为16 J和17.2 J,比吸能分别为1.21 J/g和1.36 J/g,其弹性模量、屈服强度、能量吸收和比吸能均优于单一BCCZ点阵夹层结构的。在准静态压缩过程中,BFB和FBF这2种混合点阵结构芯层的变形模式不同于单一BCCZ点阵结构芯层的。结论与单一点阵夹层结构相比,2层BCCZ布置在中心、2层FCCZ位于上下面板旁边的FBF混合点阵夹层结构的能量吸收性能有所提高。

磷酸铁锂电池在储能预制舱中的火灾模拟及其消防应急技术仿真研究

储能电站火灾事故频发,其消防安全问题日益突出,急需对其开展深入研究。为了建立可靠的电池热失控模型,首先提出了改良二分法来修正热释放速率,从而保证了锂电池及其在预制舱中模拟的精确性。然后基于实际储能电池柜和预制舱尺寸建立1:1几何模型,开展了火灾事故模拟,发现了火灾事故中初始升温、火焰生成和火焰蔓延3个阶段及其特征参数变化。最后开展了储能预制舱中火灾事故的消防应急技术研究,分析了不同预警方案的响应快慢,并对预制舱细水雾消防喷淋系统的设计优化进行了研究。结果表明,红外光束线型感烟探测器能最快速地对火灾进行预警反应,而预制舱细水雾消防系统存在多个最优方案。研究成果既可为锂电池热失控的数值模拟提供合理方法及理论指导,也能为未来储能电站的安全设计及防护提供理论数据支撑。

纳米纤维膜基弹性固态电解质的设计及性能研究

以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)为锂盐,丙烯酸丁酯(BA)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)等为复合原料组分,采用热引发原位聚合的方法制备以聚偏氟二乙烯(PVDF)纳米纤维膜为基膜的弹性聚合物固态电解质(SPE),PBA弹性体的引入可以增强复合膜的韧性并为锂枝晶穿刺提供缓冲空间,FEC阻燃添加剂的加入可以有效增强复合膜热稳定性和界面稳定性,通过其协同作用可以有效改善界面接触差、离子电导率低等问题;同时,PVDF中的—C—F官能团还有利于锂离子的吸附和锂盐的解离。PVDF纳米纤维膜的三维互通网状结构可以提供较大的比表面积,进而贡献更多的锂离子吸附位点,提供足够多的有序互通锂离子传递通道,并且PVDF纳米纤维膜的引入可以较大幅度提高复合固态电解质膜强度,有利于抑制锂枝晶的生长。结果表明,25℃条件下,含有PVDF纳米纤维的弹性复合固态电解质膜的离子电导率为3.9×10^(-4) S/cm,拉伸强度为13.8 MPa,耐热分解温度为200℃,离子迁移数为0.75,所制备的磷酸铁锂(LFP)|SPE|Li固态电池0.1 C放电比容量为167 mAh/g。其中,LFP/SPE/Li电池0.5 C循环120次的放电容量为122.3 mAh/g,容量保持率为95.9%。

宽温域、高电压、安全无EC电解液研究进展

碳酸乙烯酯(EC)作为性能优良的有机溶剂,因其具备高的介电常数和对于石墨负极良好的兼容性,被广泛认为是可充电锂离子电池电解液的重要组成部分。然而,其自身熔点高、黏度大、电化学窗口窄等一系列问题,使得EC基电解液锂电池无法满足高温、高压、低温等多种苛刻条件下的应用需求。本文通过回顾近期相关文献,首先介绍了目前基于传统EC基电解液在极端应用条件下的失效机理,包括高压下EC与正极相变析出的氧气反应,电极与电解液界面劣化导致电解液持续消耗,高温下电解液分解产生易燃自由基,低温下锂沉积不均匀导致锂枝晶产生等一系列问题;其次,着重阐述了无EC电解液的最新研究动态,包括原位构筑稳定电极界面膜、调节溶剂化结构、调控反应路径、去除反应副产物等优化措施重新设计电解液成分,以达到通过设计改善电解液提高锂电池综合性能的目的;最后,概述了开发高性能无EC电解液当前存在的障碍和可能的发展机会。目的是为研发能够满足军工、航空等苛刻应用场景的锂离子电池提供一些方向指引和理论指导以推动新能源产业发展。

垂直起降固定翼无人机混合电推进系统设计与仿真研究

垂直起降固定翼无人机综合了固定翼和多旋翼的优势,在未来航空工业拥有良好前景,针对其动力系统结构分布和动力需求的特点,提出增程式油电混合电推进系统方案,根据飞行动力学和功率需求,对动力系统的各部件进行参数匹配与选型,结合恒功率控制策略建立油电混合电推进系统模型进行仿真分析。结果表明:电池SOC值最终稳定在0.35~0.45范围内,旋翼电机和尾桨电机均运转在参数匹配结果范围内,该混合电推进系统方案设计和参数匹配具有合理性。

一种基于虚拟组分的燃烧调控化学作用量化及分析方法研究

针对会发生自身反应的添加剂的燃烧调控化学作用的量化方法仍不够完善的难题,提出了一种基于虚拟组分的燃烧调控化学作用量化及分析的新方法。通过设置虚拟组分,将添加剂反应过程中活性基池的自由基作用和放热作用解耦。提出将添加剂的化学作用分为反应热-温度作用和反应-活性基作用,并给出了相应的数学表达式。基于提出的新方法,分别选取全氟己酮和氢气作为添加剂加入甲烷火焰的两个典型工况进行量化研究。结果表明该方法能有效地量化卤代烃灭火剂的燃烧加强作用及抑制作用和氢气的促进作用,配合敏感性分析方法可有效分析影响调控作用的反应路径。提出的方法为分析添加剂促燃/抑制机理提供了新的分析手段,也为下一代新型燃烧添加剂的筛选和开发奠定了理论基础。

新型离心式液力悬浮轴承设计与仿真分析

针对某型号轻型共轴航空活塞发动机,基于现有液力悬浮泵研究基础,设计一种离心式液力悬浮轴承并进行结构及参数设计,通过Fluent软件对轴承的径向流道进行流场仿真,提出用2条同心圆弧组成的径向流道替代原设计的优化方案。结果表明,优化后轴承的流道出口压力为10 Pa左右,出口轴向速度为26.592 m/s左右,达到了径向悬浮条件。

多通道双荷载六旋翼无人机动力输出优化控制

六旋翼无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)动力系统受到电池功能以及应用环境动态变化等因素的影响,导致动力输出的稳定性不好,为了克服这一问题,提出基于多通道双荷载动态输出调整的六旋翼无人机动力系统设计和控制方法。首先分析六旋翼无人机动力输入参数,以无人机电机电磁转矩、电机转速参数、输出功率损耗和效率等为优化变量,采用多线程动态相匹配和兼容性调制方法,建立无人机动力输出的多通道双荷载动态匹配和任务调度模型,并根据无人机组的任务覆盖半径实现动力的自适应寻优控制,降低额外输出开销,提高无人机生存时间周期。测试结果表明,所设计的无人机动力系统提高了搭载能力,能耗开销较小,动力输出的均衡性较好,提高了无人机的动力输出稳定性和飞行寿命。

玻璃纤维布基多层复合固态电解质的制备及其性能

以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)为锂盐,利用玻璃纤维布、聚环氧乙烯(PEO)、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐[(EMIM)TFSI]、锂镧锆氧(LLZO)纳米颗粒等为原料,采用溶液浇筑法制备不同锂镧锆氧含量的玻璃纤维基多层复合固态电解质膜,通过该4种物质的协同作用扩大PEO的非晶相区域、改善膜的界面兼容性等,综合提高膜的离子导电率;同时,利用玻璃纤维布表面Si—O和—OH官能团引导锂离子的均匀沉积,抑制锂枝晶的生长。结果表明,30℃条件下,添加质量比为5%LLZO的玻璃纤维布/PEO/ILs/LLZO(SPE)复合固态电解质膜的离子电导率为3.53×10^(-4) S/cm,工作电压窗口为5.18 V,离子迁移数为0.33,所制备的磷酸铁锂(LFP)/SPE/Li和镍钴锰酸锂(NCM_(622))/SPE/Li固态电池0.1 C放电容量分别为165 mAh/g和226 mAh/g。其中,LFP/SPE/Li电池0.5 C循环120次,放电容量为120 mAh/g,容量保持率为99.8%,此外,循环前后阻抗变化较小,具有优异的界面稳定性。

基于状态观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪控制中非线性、欠驱动、强耦合、多变量的控制难点问题,提出了一种基于扩张状态观测器的串级全局快速终端滑模控制策略,该控制策略使得系统具有快速感知并实时消除内外干扰的功能,而且能保证系统在有限时间内迅速收敛到平衡状态。此外,通过Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性。仿真实验证明,在四旋翼无人机模型中考虑了电机动态特性、外部干扰并避免了姿态角小扰动假设的情况下,所提控制算法能够提高系统的鲁棒性能,保证无人机的轨迹跟踪精度。

作用半径对斜盘发动机部件运动学参数的影响

斜盘驱动机构为斜盘发动机的主要传动机构,机构的斜盘作用半径、斜盘倾角、缸数等参数直接影响斜盘发动机动力学性能。通过对斜盘驱动机构相关设计参数的推导,建立斜盘后球头位置和活塞位置的数学模型,结合Matlab仿真得到相应曲线验证数学模型的合理性。利用Adams研究当斜盘作用半径变化时对斜盘发动机部件运动学参数的影响。结果表明,当发动机斜盘作用半径为110mm,斜盘倾角为16.17°时其转速稳定性最优、水平方向振动以及轴向窜动的抑制效果最好。