摘要:直升机特有的旋翼动力学结构使其拥有极高的战略发展价值,但旋翼在工作过程中产生的振动问题也对直升机的飞行性能造成了严重影响,因此,研究旋翼振动控制方法对直升机性能提升有重大意义。针对由直升机主旋翼工作而引发的机身振动控制问题,首先,从旋翼引起机身振动的原因以及振动的频率特征出发,分析了主动振动控制的原理。其次,基于直升机振动的周期性质,将振动控制方法划分为频域控制和时域控制,并对频域方法以及时域方法中的时域高阶谐波方法、鲁棒方法、智能方法以及其相关试验成果展开综述及总结。另外,针对振动传递抑制技术进行了简单介绍,并对国内研究机构的主动振动控制试验进行了梳理。最后,归纳了振动控制方法存在的不足,并在此基础上指出了直升机主动控制方法的未来发展方向,应进一步深入针对稳定飞行状态的鲁棒自适应控制和针对全飞行状态的智能自学习控制方法研究,并开展面向性能提升的综合主动控制系统设计。

摘要:为研究刚体航天器在上界已知的外部扰动力矩作用下的姿态跟踪控制问题,提出了一种可以指定跟踪精度的预设时间姿态跟踪控制策略。首先,设计了一种预设时间扰动观测器,此观测器可以在指定的时间以内实现对有界外部扰动的高精度在线估计,利用其估计值可以对外部扰动力矩进行补偿。然后,在此扰动观测器的基础上,运用终端滑模控制方法,设计了一个（准）终端滑模面并构造了一个连续非奇异终端滑模姿态跟踪控制器。Lyapunov理论分析表明,本研究所提观测器、滑模面和控制器的收敛时间上界以及收敛完成以后姿态跟踪的误差上界均显式存在于观测器、滑模面和控制器的有关参数中,因而可以在控制器设计过程中很方便地对其进行调节,且不受初始条件的制约。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的性能。仿真结果表明,无论是收敛速度还是跟踪精度,预设值都是一个比较宽松的上界,实际性能有可能远远优于预设值,并且此算法对系统的建模不确定性也有比较好的鲁棒性。

摘要:载人航天器密封舱是载人航天任务航天员在轨安全工作和生活的重要保障,为掌握载人航天器密封舱防护结构易损特性、准确获取密封舱防护结构易损性模型,基于二级轻气炮,开展了某载人航天器玄武岩/芳纶纤维填充式防护结构试验件撞击试验,获取了3类防护结构试验件撞击极限直径,完成了防护屏、填充层和舱壁结构撞击损伤特性分析,结果表明,相同撞击速度下,防护屏穿孔孔径与弹丸直径正相关,玄武岩/芳纶纤维填充层对弹丸和碎片云有较强破碎作用和能量分散作用,降低对密封舱结构损伤,沿主撞击方向碎片云能量是引起舱壁结构花瓣形裂纹穿孔的主要因素。针对试验数据,采用遗传算法和多元线性/非线性回归方法对NASA Christiansen方程、W-S穿孔方程进行修正,提升了预示精度,其中总体预测率从59.1%提升到100%,安全预测率从81.8%提升到100%,准确建立了适用于中国某大型载人航天器玄武岩/芳纶纤维填充式防护结构的撞击极限经验方程和穿孔经验方程等两类易损性模型,为在轨任务风险工程评估提供依据和奠定基础。

摘要:为提升并行化求解Navier Stokes方程的效率,构建了高阶有限元单元及单元边界映射线程结构和对应的各类GPU核函数,成功地把RKDG方法移植到GPU架构,发展出RKDG有限元GPU并行算法。算法数据访存能兼容GPU快慢不一的存储器,尤其在结构网格上,算法涉及的数据依赖区结构有序,能较好满足GPU对齐合并访问的要求。但在非结构网格上,非结构化的数据依赖区,影响到访存效率。基于此提出一种适合高阶有限元算法框架的单元分层重排加速技术,致力于网格的层化结构,提升GPU访存效率。具体基于初始网格拓扑,创建单元或单元边界对应的分层结构,逐层重排,汇总形成适合GPU对齐合并访问的数据存储结构。文中结合排序实例,给出了这一重排加速技术的具体实施过程。算例表明,发展的算法逼近的阶数符合预期,计算结果能与现有文献或实验结果接近,且最大GPU加速比可达67.47。此外,非结构网格算例证实,算法可处理较为复杂的几何边界,且所提重排技术可进一步赢得重排加速。

摘要:为实现微小卫星快速协同工作,满足星间通信链路对扩频信号捕获算法提出的高灵敏度与快速捕获的要求,对常用捕获算法的原理进行分析,针对传统信号捕获方法存在的捕获灵敏度低、捕获时间长、信噪比要求高等缺陷,提出一种适用于星间链路的FFT快速捕获算法,该算法在传统FFT码相位捕获法的基础上通过多路并行架构、特殊同步序列、降速率抽取、非相干累加等优化策略对传统算法的捕获灵敏度及捕获速度进行改善。基于对改进算法的可行性进行检验,首先通过理论公式推导了算法的极限灵敏度、抗干扰能力与理论捕获时间,其次,在MATLAB软件中设置典型任务环境对算法的各项性能进行仿真,最终通过搭建硬件测试平台对算法进行性能实测。仿真及硬件测试表明:该算法相对于传统捕获算法性能有明显提升,改进算法的极限捕获灵敏度可达-130 dBm,捕获时间小于100 ms,符合卫星通信环境设计需求,并已在自主研制的天平二号卫星的星间通信机中验证了其可行性；改进算法还可通过调节算法的并行路数、非相干累加次数等算法要素兼容不同应用环境需要。

摘要:为解决传统F类功率放大器受晶体管输出电容和输出电感影响,导致调谐匹配网络结构复杂的问题,提出了一种紧凑型的输出调谐匹配电路结构。通过分析基波匹配电路的阻抗特性,在谐波频率处可将其等效为一段有限的到地电抗。在设计谐波匹配电路时,将该电抗元件与谐波匹配电路进行协同设计,避免引入多余的元件来消除基波匹配网络对谐波匹配网络的影响,减小了功放的整体面积。最后,仅引入一个LC串联谐振网络,实现对输出二次\\三次谐波的控制以提高输出效率。基于该电路结构,采用0.25 μm GaN HEMT管芯设计了一款L波段高效率功率放大器,并且使用内匹配技术在7 mm×8 mm铜-钼-铜载片上实现。实测结果表明,在漏源电压28 V、10%占空比的脉冲输入的工作条件下,该功率放大器在1.18~1.42 GHz频带内实现饱和输出功率48.1~48.4 dBm,功率附加效率61%~63%,功率增益大于26 dB。该结构在提高效率的同时,降低了电路复杂度。

摘要:为保证变体飞行器在传感器故障情况下的稳定飞行性能和良好跟踪效果,提高故障诊断准确度和容错控制能力,针对变体飞行器传感器故障诊断与容错控制问题,提出一种基于考虑属性可靠度的置信规则库(BRB-r)专家系统在线主动容错控制方法。首先,给出变体飞行器的气动参数模型和纵向非线性动力学模型,综合考虑外界扰动和传感器故障,利用最小二乘拟合方法和雅克比线性化方法,建立变体飞行器的切换线性变参数(LPV)故障模型；然后,基于BRB-r专家系统构建变体飞行器传感器故障诊断与容错控制模型,通过统计方法对传感器监测指标进行可靠性分析,并引入证据推理(ER)解析算法,提高故障诊断精度和容错控制效果；最后,利用基于投影算子的协方差矩阵自适应优化策略(P-CMA-ES)算法优化故障诊断与容错控制模型,降低系统的复杂度,提高了故障诊断效率。仿真结果表明,变体飞行器传感器故障诊断精度能够达到98.75%,当传感器故障程度小于50%时,所提方法能够有效克服传感器故障和外界扰动,保证变体飞行器的稳定飞行,具有较强的容错控制能力和鲁棒性能。

摘要:为研究T型橡胶减振器的结构型式和材料性能对其非线性动力学特性的影响,并提高其对飞行环境的适应能力,改善其在恶劣环境下的使用性能,提出了一种含分段线性刚度及阻尼和立方刚度的双层级非线性动力学模型。首先,对T型橡胶减振器进行了简化建模,并采用等价线性化方法,推导得到了分段线性系统的等效刚度和等效阻尼。其次,利用谐波平衡法分别数值模拟了等幅值外力载荷正弦扫频激励下分段线性刚度系统和立方刚度系统的非线性频响函数,验证了构建模型的有效性。最后,进行了T型橡胶减振系统在基础位移正弦扫频条件下的传递特性试验,并与数值计算结果进行了比对。研究结果表明,针对T型橡胶减振器,较低激励载荷即可导致结构型式的渐进软化,较高激励载荷才能引发材料性能的动态软化；该模型能够较好的模拟T型橡胶减振器具有的渐软刚度和渐小阻尼的非线性特性。此外,从航天工程应用的角度出发提出了针对大过载、强振动环境进行预压缩量设计的方法。

摘要:为充分挖掘电力负荷历史数据的潜在特征,提高短期负荷预测模型的预测精度,提出了一种由改进残差网络（ResNetPlus）、注意力机制（Attention mechanism,AM）和双向长短期记忆网络（Bi-directional long short-term memory,Bi-LSTM）结合而成的残差AM-Bi-LSTM预测模型。该模型将历史负荷、温度和所预测日期的特征作为输入,在Bi-LSTM模型基础上,引入多层改进残差网络提取输入数据的隐藏特征,有效克服了网络隐藏层数加深导致的网络退化问题,使模型的反向传播能力大幅提升；加入注意力机制,分析网络中输入信息与当前负荷的相关性并突出重要信息的影响,从而提高模型的速度与准确率；使用Snapshot策略集成收敛于不同局部极小值的多个模型,以提升模型的准确率和鲁棒性。最后,使用美国ISO-NE数据集进行模拟预测,测试结果表明:所提模型的平均预测精度达到98.27%；在连续的12个月中采用该模型的平均预测精度相比于LSTM模型提高了2.87%；在不同季节下采用该模型的平均预测精度相比于AM-Bi-LSTM和ResNetPlus模型分别提高了1.05%和1.16%。说明所提模型相较于对比模型具有较高的准确率、鲁棒性以及泛化能力。

摘要:为实现入水过程的精细数值仿真,解决入水问题数值模拟所面临的关键技术问题,围绕结构入水过程中固体移动边界的合理描述、自由液面的准确捕捉及流固耦合作用的精细刻画等核心难题,融合计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）、浸入边界法（IBM）及改进的守恒式Level Set（ICLS）方法,提出了一种CFD-DEM-IBM方法。采用固定的笛卡尔网格离散计算域,分别通过CFD与DEM描述流体与结构运动,引入IBM追踪固体移动边界并获取准确的流固耦合作用力,采用ICLS方法在保证守恒性的同时隐式捕捉自由液面,并通过分区算法,在一个时间步内进行数次交错迭代以反映流固两相间的强耦合效应,建立了高解析度的CFD-DEM-IBM数值模型。通过圆柱常速入水、楔形体对称及非对称入水和多体入水现象仿真分析研究,结果表明,CFD-DEM-IBM方法能够考虑多块体间的相互作用,在准确反映流固耦合效应的同时能够获得高解析度的流场,在多体入水问题处理方面优势显著。

摘要:为解决燃料电池混合动力公交车中基于优化的能量管理策略难以实车应用的问题,在分析燃料电池公交车(Fuel cell hybrid bus,FCHB)行驶路线的固定性和片段性的基础上,提出了一种基于SOM-K-means(Self-organized mapping K-means)工况识别的能量管理策略。首先,根据公交车站点将行驶路线划分为多个行驶片段,在车辆停站时,运用SOM-K-means二阶聚类模型完成工况识别,获取车辆下一行驶片段的识别协态变量；当车辆在下一个行驶片段运行时,运用识别协态变量完成基于庞特里亚金极值原理(Pontryagins maximum principle,PMP)求解的能量管理策略的实时应用。其次,建立基于公交车实际运行数据的仿真实验,最后建立硬件在环实验,将所提出的策略移植入整车控制器(Vehicle control unit,VCU)中进行实验。实验结果表明,与基于规则的能量管理策略相比,本研究提出的能量管理策略降低了19.77%的平均等效氢气消耗。且该策略在VCU中每一步的计算时间大约为30 ms,计算结果与仿真结果完全一致,满足车辆对能量管理策略的时效性和准确性的要求。

摘要:为准确识别坦克自动装弹机中的机电系统故障,提出了一种结合函数型数据分析(Functional data analysis,FDA)和多层核极限学习机(Multi-layer kernel extreme learning machine,ML-KELM)的故障识别方法。首先,以函数的视角对机电系统运行过程中具有平滑特性的时序数据进行特征信息挖掘,利用函数型主成分分析和主微分分析从不同空间将时序数据的变化特性表征为特征参数；其次,对提取的多传感器时序数据的特征进行Relief-F特征筛选,得到与分类强相关的特征；最后,采用ML-KELM对强相关特征进行深度特征学习,获取更抽象的特征表达,进而实现准确的故障识别。结果表明: 采用与某坦克自动装弹机中的链式输送机原理一致的实验装置进行故障识别实验,函数型主成分分析和主微分分析能够从不同的特征空间中提取时序数据中的有效故障特征,并且两种方法提取的特征具有互补性; 基于多传感器时序数据特征中的强相关特征,使用3层隐含层的ML-KELM能够实现较为准确的故障识别,所提方法具有可行性和有效性,为坦克自动装弹机中的机电系统故障识别的研究提供了一种参考。

摘要:为解决传统采用化学清洗、机械打磨和喷砂的除漆方法存在产生有害废弃物、损伤基底材料、效率低及劳动强度大等问题,基于飞机的结构形状及除漆要求,开发了一套用于飞机表面的机器人激光除漆系统,该机器人激光除漆系统由全向移动单元、四自由度机械臂单元、激光清洗单元和测控单元组成。首先根据DR-5无人侦察机的外形对激光除漆机器人进行了机械本体和控制架构设计,并采用D-H法对机械臂进行了运动学分析和工作空间分析,验证了机械臂的可达性；接着对该机械臂进行了重复性测试,其中Z向重复度利用激光位移传感器定量评价,X、Y向重复度采用误差圆评价；最后基于弓字形路径对DR-5无人侦察机机身的部分平面及曲面开展了激光除漆实验,并根据激光除漆后表面漆层残余厚度对除漆效果进行了评价。研究结果表明,激光除漆机器人的Z向重复度为0.039 mm,X、Y向重复度小于±2.000 mm；机身平面除漆实验残余厚度平均值为6.5 μm,曲面除漆实验残余厚度平均值为21.3 μm。

摘要:为克服实际应用中缺乏足够的结构统计信息,获得结构参数和响应的极限值,提出了一种基于加速度频响函数的区间有限元模型修正方法。首先,将频响函数小波变换,提取低频小波系数作为模型修正的响应特征量,以待修正参数和响应特征量分别为输入和输出构建径向基代理模型并采用鲸鱼优化算法来优选径向基模型方差值；其次,根据区间重叠率和巴氏距离分别构造两步求解待修正参数区间的两个目标函数和同步求解待修正参数区间的一个目标函数,以评估两个样本区间分布的相似性和相异性；然后,由灰色数学方法估计径向基模型预测响应特征量的区间,运用花朵授粉算法分别实施待修正参数区间中点和半径的两步和同步求解；最后,通过两个数值算例和一个试验算例验证了所提方法的可行性。结果表明,所提区间有限元模型修正方法能够有效地修正结构参数的区间中点和半径,且在不同试验响应区间下对参数区间的修正具有鲁棒性,同时可以有效地解决小样本的不确定性模型修正问题。

摘要:为能够准确地对高斯双模态随机过程的疲劳损伤进行评估,提出了一种名为改进频带法的疲劳损伤频域计算方法。该方法从功率谱分割的角度出发,首先分别将低频模态和高频模态的功率谱密度函数分割成很多份极窄的频带,利用损伤等效原则进行等效转换,得到相应的等效窄带过程。然后,将高频等效窄带过程向低频等效窄带过程再次进行等效转换。在此过程中,为考虑低频模态与高频模态之间的相互作用,引入与一个高、低频模态频率比、能量比以及S-N曲线材料参数m有关的修正因子对总零阶谱矩进行修正。最后,利用窄带过程疲劳损伤解析解即可计算高斯双模态过程的总疲劳损伤。以时域雨流计数法计算的疲劳损伤结果作为基准,分别采用理想矩形双模态谱和真实双模态谱进行数值试验,将该方法与多种现有频域疲劳损伤分析方法进行了对比。研究结果表明,提出的改进频带法与传统频域方法相比,具有计算精度更高并且易于编程的优点,该方法在实际工程应用中将具有很大的潜力。

摘要:在天然气开采过程中,液态水沉积会对输气管线产生严重威胁,故气液分离设备在天然气集气系统中有着广泛应用。折流板作为气液分离闪蒸撬分液侧中重要的分离元件,为研究其分离特性,搭建了折流板分离特性研究的试验平台,针对不同型式的折流板设计了正交试验,以折流板分离效率和压降为试验指标,通过分析常温时多工况下分液侧内部构件对分离性能的影响规律,确定主要影响因素及最佳组合方案。研究结果表明,对于分离效率指标而言,选用折流板型式为水平梯形或蜂窝型、导流板结构参数为180/102/105或120/102/105、液气比为2.083‰~2.917‰、连通管状态为关闭时,分离效率较高；同时,折流板型式是影响分离效率的重要因素。对于折流板压降指标而言,选用折流板型式为蜂窝型或垂直梯形、导流板结构参数为180/102/105或120/102/105、液气比为3.750‰~4.583‰、连通管状态为关闭时,整个气液分离过程中的压降较小；同时,上述4种因素对于压降影响均不显著。