摘要:舒适的作业环境是人员高水平作业能力维持的重要保障,为实现载人潜水器舱室操作系统作业舒适度的定量评价,依据载人潜水器操作系统中显控界面、操作面板和通讯设备3个子系统的舒适性特征,提出潜航员认知效能驱动的载人潜水器舱室操作系统作业舒适度评价方法。该方法基于潜航员作业实际,分析潜航员认知流程,形成潜航员认知表现-效能-舒适度对应关系；依托操作系统作业舒适度实验数据,运用效用函数构建潜航员认知效能模型；采用支持向量机模型综合考虑子系统特征属性以及潜航员认知效能、年龄、学历等因素对子系统作业舒适度感知的影响；结合专家权重调查法,实现子系统作业舒适度耦合,确定操作系统作业舒适度。结果表明:当显控界面亮度、对比度和自然饱和度分别界于[-5,0],[-50,-25],[-5,0]范围,操作面板设计具有合理的布局参数和待布区形心相对位置,以及通讯设备中环境噪声频率较低和通信语音采样频率为48 000 Hz时,操作系统具有较高的舒适度。本研究表明,潜航员认知效能与主观舒适度具有相同的变化趋势,基于潜航员认知效能判断舱室操作系统作业舒适度的方法可行。

摘要:为解决动态环境下无人机导航系统姿态估计易受传感器噪声和运动加速度干扰的难题,提出一种考虑运动加速度干扰的无人机姿态估计算法。首先,建立运动加速度估计模型,根据基于卡尔曼滤波的加速度误差模型和由外部传感器提供的速度信息实现对运动加速度的精确估计,利用运动加速度估计模型获得的运动加速度对加速度计的原始值进行修正,降低动态环境下运动加速度对姿态估计的干扰。随后,搭建基于互补滤波的姿态估计模型,利用磁力计信息和修正后加速度信息构建陀螺仪修正量,对陀螺仪原始值进行修正,设计互补滤波器滤除来自加速度计和磁力计的高频噪声和来自陀螺仪的低频噪声,避免传感器噪声信号对姿态估计的干扰。最后,利用无人机试飞过程中采集的传感器信息对该算法进行实验验证。实验结果表明,该算法可以精确估计无人机机动过程中所产生的运动加速度,有效减弱传感器噪声和运动加速度对姿态估计的干扰,该算法显著提高了无人机导航系统在动态环境下姿态估计的精度和抗干扰能力。

摘要:为化解敌方空袭的威胁,提高中等规模防空火力任务分配问题的求解效率,提出一种性能优越的链式多种群遗传算法(CMPGA)。首先建立改进的防空火力任务分配模型,综合考虑目标威胁程度、可拦截性判断等因素。目标威胁程度考虑目标的高度、速度、射程以及相对距离等威胁因素。可拦截性判断考虑时间约束、空间约束和性能约束,并将其融入杀伤概率的计算中,以简化模型的约束条件。其次提出CMPGA算法求解中等规模防空火力的最优任务分配方案。算法中综合运用了种群重复个体的数量限制策略、适应度相近个体的交叉变异策略、陷入局部极值时部分较优解的删除策略、链式环中种群当前最优解的传递策略。算法充分利用多种群并行搜索的优点,加快收敛速度,持续保持种群多样性,避免陷入局部极值。在标准测试函数的仿真以及防空火力任务分配问题的应用中,通过与几种典型优化算法的对比分析,结果表明CMPGA算法的性能优势较大,能以较高的概率快速地搜寻到最优解,从而验证了该算法的有效性和优越性。

摘要:为研究气囊蒙皮梯形撕裂行为及其破坏机制,针对典型经编织物气囊蒙皮膜材,考虑其纱线细观结构及材料非线性,建立系列参数下膜材梯形撕裂数值模型。首先,将得到的数值结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。其次,通过数值模拟结果分析了梯形撕裂的破坏形态及典型偏轴角度下的撕裂破坏历程。然后,探讨了膜材梯形撕裂力学行为及与破坏强度受切缝长度及纱线偏转等关键参数的影响机制。最后,纳入剪切影响因素,提出了梯形偏轴撕裂破坏强度预测理论。结果表明:裂缝邻域内应力集中翼型区域形状、范围的变化对撕裂扩展方向、撕裂抗力起控制作用,而切缝长度及纱线偏轴是影响应力集中翼型区形状演变的主因;缘于裂缝长度可干扰膜面外变形、裂纹前端区域形态及其纱线应力水平,随裂缝长度增加,断裂位移下降明显,而在轴初始撕裂抗力非减反增;纱线偏转可对翼型区及纱线受载水平施加复杂效应,纱线偏转角度的增加导致撕裂强度呈倒“V”型规律。所得结论及研究方法可为经编织物气囊蒙皮裂纹止裂分析及气囊结构安全性评估提供有益参考。

摘要:为准确量化车用动力电池老化程度,提升其行业利用率,实现电池的全生命周期剩余寿命（Remaining useful life, RUL）的精确预测,提出一种基于多系数模型的车用动力电池全生命周期寿命预测方法。该方法融合重组了传统的经验指数模型和改进后的多项式回归模型,重组后的模型能在实验数据分析的基础上追踪电池全生命周期内的寿命退化趋势。该方法采用粒子滤波（Particle filter, PF）思想在线调整模型参数,设计了针对动力电池不同状态,不同容量种类的算例预测电池的RUL,通过改进多项式回归模型,传统经验指数模型以及多系数模型的预测精度对比评估模型。实验结果表明:相较于经验指数模型和改进后的多项式回归模型,本文提出的多系数模型针对电池容量衰减具有更好的拟合能力；结合粒子滤波算法,该模型无论是对在役电池还是退役电池均具有高精度的寿命预测结果。该方法对不同容量的动力电池均能准确预测电池失效时间,在电池梯次利用行业具有一定的适用性。

摘要:为有效清除太空垃圾,模拟空间中对废弃卫星的回收过程,采用半物理实验技术对绳系收放装置进行地面试验考核,验证绳系收放控制系统的性能。半物理仿真是一种通过实物或物理模型与数学模型相结合进行仿真的技术,通过地面半物理仿真实验对空间任务进行先验,大大减少了空间实验的成本,可有效指导空间任务的设计与控制。首先,对绳系卫星拖拽过程进行动力学建模,明确了拖拽过程的任务目标,确立了绳系拖拽半物理系统的机械组成。其次,设计了全物理仿真单元为被动加载单元,卫星质量采用等效惯量转台模拟。然后,为模拟目标在绳系拖拽作用下的动力学状态,仿真加载单元由半物理仿真方式设计。最后,针对实际试验过程中存在的张力测量误差扰动,设计了基于模型预测控制的控制策略,为了对拖拽过程的张力和绳长精确控制,实验使用双闭环电机联合控制,通过模型预测控制的方式联合张力位置双电机仿真。结果表明,基于模型预测控制的张力误差精度为5%,从而验证了绳系收放控制系统对拖拽过程的控制有效性。

摘要:为解决测试性设计过程中的退化状态测试问题,提出了基于结构和功能的多状态系统测试建模与测试点选取方法。首先,结合多状态系统中对性能状态的描述,明确了以结构和功能为对象的多状态系统测试建模的总体思路,并对模型中的结构、功能和测试相关描述进行了分析；其次,对状态测试问题进行了分析,并对单个测试能够检测的状态集与测试集组合能够检测的状态集的计算方法进行了研究,并提出状态检测率的概念对系统状态的测试指标进行量化；最后,考虑到系统测试性设计与分析中包含故障的测试性问题,结合故障检测率、故障隔离率和状态检测率,提出了测试代价约束下的多状态系统测试点选取方法。结果表明:多状态系统测试建模方法不仅能够对故障的测试性进行分析还能够对退化状态的测试性进行分析；相较于二态系统测试选择方法得到的最佳测试集,在测试代价限制的情况下,多状态系统测试选择方法得到的最佳测试集能够获得较高的状态检测率；在测试代价无限制的情况下,多状态系统测试选择方法得到的最佳测试集不仅能够获得较高的状态检测率,还能获得与二态系统相同的最大故障检测率和故障隔离率。

摘要:为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S₁₁的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明:在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好；在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主频,通过对该响应频率进行反演,实现了对被测目标直径尺寸的估计；仿海豹胡须夹角的大小会影响传感器涡激振动的产生,增加扰动信号,但对运动轨迹方向的估算及被测目标尺寸的估计无明显影响。

摘要:为了在提高轻量级密码算法(Lightweight cipher algorithm,LWCA)电路安全性的同时降低功耗,提出了一种磁隧道结 (Magnetic tunnel junction,MTJ)/CMOS混合结构查找表(Look up table,LUT)电路,该结构通过与感测放大器逻辑(Sense amplifier based logic, SABL)元件配合可以实现完整的PRESENT-80加密算法电路。设计将MTJ器件引入防护电路设计中,进而提出了一种基于混合MTJ/CMOS结构的双轨查找表(Look-up table,LUT)电路结构。首先,基于40 nm CMOS工艺库和MTJ器件仿真模型,使用新提出的双轨查找表结构设计了加密算法电路工作过程中所需要的关键S-box电路并通过了仿真验证。然后,利用该电路和敏感放大器逻辑元件电路结构组合设计了PRESENT-80密码算法的完整电路。最后对所设计的电路模型进行了相关性功耗分析攻击(CPA)攻击,同时为了方便进行对比研究,还对使用传统CMOS单轨和SABL双轨结构实现的PRESENT-80加密算法电路模型进行了相同条件下的仿真和功耗分析研究。对比仿真结果表明,基于新结构实现的电路具有良好的抗功耗攻击性能,能够抵御10 000条功耗迹下的CPA攻击,同时新结构的电路在工作时的平均功耗要明显低于经典的SABL电路。

摘要:针对抽水蓄能电站管道内水力瞬变问题,采用二阶有限体积法（Finite Volume Method, FVM）Godunov格式进行数值建模和模拟。首先根据有限体积法将数学模型的控制方程进行离散,采用Riemann求解器进行通量计算。为了得到二阶精度的Godunov格式,避免数据重构时产生虚假振荡,引入并分析比较了3种不同的斜率限制器。机组全特性曲线采用改进的Suter变换,在边界处加入虚拟边界,并与机组边界控制方程相结合,实现了管道内部控制体与边界处计算的统一性。将本研究所建数学模型计算结果与传统特征线法（Method of Characteristics, MOC）计算结果、实测值进行对比,并分析了相关参数的敏感性。结果表明:在库朗数等于1时,二阶FVM与MOC计算结果相同,当库朗数小于1时,FVM计算结果比MOC更准确、更稳定;针对抽蓄机组甩负荷过程,二阶FVM的机组转速计算值与实测值基本吻合,且比MOC计算结果更接近实测值;在抽水蓄能电站水力瞬变计算中,MOC需要对不同特性的管道内水锤波速进行调整,不仅增加计算复杂性,也会产生计算误差；而FVM只需降低库朗数,计算简单方便,且精度更高。因此,本研究提供了一种稳定、精确的水力瞬变计算方法。

摘要:为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。

摘要:为有效提升吸波材料的电磁吸收强度和有效吸收带宽,采用球磨法对球状Fe-Si-Cr进行扁平化处理,通过机械共混法将不同形貌Fe-Si-Cr和羰基铁粉（Carbonyl iron powder,CIP）复合,研究不同质量比对复合材料电磁参数和微波吸收性能的影响。实验结果表明,大长径比可以提高材料的介电常数和磁导率,并使反射率峰值向低频移动。片状Fe-Si-Cr和CIP的低频吸波性能优于球形粒子。实验制备的复合材料中,样品I的最大反射损耗为-45.92 dB,有效吸收带宽为1.5 GHz。样品L的最大反射损耗为-22.11 dB,有效吸收带宽大于6.2 GHz。吸波剂的形貌对材料的电磁吸收性能有显著影响。将不同形貌的CIP和Fe-Si-Cr按不同配比复合后,可以得到不同频率下性能优良的吸波体。利用阻抗匹配函数可以从理论上预测出反射损耗峰值对应的吸波剂厚度和频率。双层吸波材料相比于单层吸波材料,其有效吸收带宽更大,可以通过改变匹配层、吸收层的厚度来获得不同频率下吸波性能优良的吸波体,更易满足新型吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。

摘要:低渗透气藏改建的地下储气库注气过程,渗透率和孔隙度随着地层压力变化显著。为更准确的模拟计算低渗透气藏地下储气库的注采过程,必须掌握储气库渗透率和孔隙度随地层压力的变化规律。首先基于地质统计学中的变差函数理论,以井点已知信息为条件,确定储层物性参数的初始分布。基于反问题理论,利用地层压力的测量值和计算值之差构造目标函数,将储层物性参数的反演识别问题转化为最优化问题。通过地层压力对孔隙度和渗透率变化率的求解,利用共轭梯度法实现了对储层物性参数的反演。通过案例证明了模型的正确性。以储气库中的某一区域为研究对象进行反演分析,结果表明:虽然渗透率和孔隙度在初始时在储层中的分布规律基本一致,但是在注气结束时各位置的渗透率和孔隙度变化率都不相同,二者之间的相关性不再一致。其中渗透率变化最大的位置出现在5#注采井附近,其值由1.66×10^-3 μm²增加到2.81×10^-3 μm²,增加了近70%。并利用最小二乘法拟合得到了渗透率和孔隙度与地层压力之间的函数关系式。本研究成果可以为低渗透气藏改建地下储气库的注采模拟提供理论依据。

摘要:为解决传统中低温余热回收系统循环热效率低、冷凝热难以利用的问题,提出了一种并联型有机朗肯循环与喷射式热泵联合循环系统结构。通过并联布置热机子循环与热泵子循环,并增设外部换热器,可回收全部冷凝热量用于制备辐射采暖水,同时系统输出的热电比在一定范围内可调节。建立了系统能量分析模型和分析模型,对比分析了联合循环与有机朗肯循环的热力性能。研究了部件损失与系统流特性,并分析了工质流量比和蒸发温度对系统热力性能的影响规律。结果表明:联合循环热回收效率和效率比有机朗肯循环分别提高了60.83%和30.76%。损失最大的两个部件分别是发生器和外部换热器,造成外部换热器效率低的主要原因是内部传热温差较高。工质流量比对系统热力性能影响显著,当蒸发温度低于25.2 ℃时,工质流量比的可调节范围最大。本研究成果可为高性能中低温余热回收系统的研发提供指导。

摘要:为研究中深层地埋管换热器的取热稳定性及其热影响半径,建立了非稳态数值传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,通过示范工程现场实测数据验证数值求解结果的正确性。在此基础上,研究长期运行下中深层套管式地埋管换热器的出水温度以及岩土的温度变化,并对影响中深层套管式地埋管换热器热扰的参数进行了敏感性分析。结果表明:经过15 a运行,中深层套管式地埋管换热器的出水温度较为稳定,从第11 a开始出水温度基本处于准稳态阶段,其周围核心取热区域的岩土最大温降比例仅为6.5%；随岩土热扩散率的增加,中深层地埋管换热器的热影响半径在前期增加速率较快,而后期较慢,当热扩散率a由1.43×10^-6 m²/s增加到2.01×10^-6 m²/s时,热影响半径r由82.69 m增加到99.23 m,增加率为20%,两者之间的关系呈指数规律变化,并且满足关系式r=-151.99×exp[-a/(5.14×10^-7)]+98.14,其中R²=0.97。本研究对中深层地埋管换热器的设计具有一定的参考意义。

摘要:为解决目前常用评估室外平均辐射温度(Mean radiant temperature,MRT)的黑球温度计法的观测缺陷,提高夏热冬暖地区室外辐射热环境估算精度,提出了一种针对黑球温度计法估算MRT的直接修正方法。首先,在广州采用六向辐射法对3种不同下垫面场地的辐射特征进行了观测和分析,明确了下垫面反照率对辐射环境的影响。其次,根据六向辐射法和黑球温度计法的估算结果和统计分析,确定了50、150 mm规格黑球温度计合适的响应时间分别为5、20 min。最后,验证了直接修正方法的地区适用性。以观测方法估算MRT的统计结果为依据,构建了不同气候条件下两种规格黑球温度计法的多项式修正模型,在相应天气条件验证了模型准确性。研究结果表明:直接修正方法适用于相同气候条件区域；根据不同天气条件回归函数修正后的黑球温度计法MRT与六向辐射法MRT之间的拟合方程、决定系数R²和均方根误差RMSE均得到较大程度改善,两种规格黑球的偏差范围分别改善61.35%和68.71%。本研究可为广州为代表的夏热冬暖地区室外辐射环境估算提供理论依据。

摘要:为研究住宅建筑中人员适应性调节及热舒适需求动态变化对其全年建筑供暖、供冷能耗影响,首先通过分析夏热冬冷地区典型城市-重庆住宅全年热环境调研数据（样本量2 151份）,揭示了居民全年舒适温度随室外温度呈S型变化特性,进而得到了基于人员适应性和动态热舒适的住宅全年供暖、供冷起止时间和动态温度设计参数。结合EnergyPlus建立了典型样本建筑模型（三人户,建筑面积105 m²）,分析了在执行JGJ134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》基础上,基于人员热适应和温度动态调节下的住宅全年供暖、供冷节能潜力。模拟结果表明:住宅全年自然通风情况下室内热环境处于舒适区间（18～26 ℃）的比例仅占32.2%,采用传统供暖、供冷设定温度（18～26 ℃）下住宅全年舒适小时比例增加至62.87%,而基于人员适应性的供暖、供冷温度动态调节下舒适比例进一步增加5.45%；采用传统温度设计下住宅全年供暖、供冷单位面积能耗分别约为8.93、17.18 kWh/m²,相比采用温度动态调节下全年单位面积供暖、供冷能耗显著降低,分别为7.78、12.96 kWh/m²,节能量达20.6%,且供冷节能潜力更大。

摘要:为进一步揭示外掠管束间蒸发冷却传热传质及压降特性,综合考虑了管束壁面水膜的形成及湿空气-喷淋水间传质过程,采用DPM(Discrete phase model)与水膜耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了外掠管束间空气-水蒸发冷却传热传质及压降特性分析模型。首先,采用文献实验数据验证了模型的可靠性,其误差在1%范围内；然后,采用模拟方法,研究了外掠管束间传热传质及压降沿竖直高度方向的变化特征。结果表明:由于湿空气焓差和饱和空气焓差的变化,导致传质系数沿盘管高度方向发生波动,但总体呈降低趋势；在同一工况下,湿空气焓差对传质系数的影响较大,传质系数的波动主要是湿空气焓变化造成的；外掠交错管束间喷淋水膜温度并非保持恒定不变,而是随盘管高度的降低而降低,即沿下落方向液膜温度逐渐降低；交错管束底部区域喷淋水蒸发量最大,沿盘管高度方向,喷淋水蒸发量降低；喷淋水发过程主要发生在管束表面及管束尾流区,通过在管束间增加挡板或者减小管间距,可以强化管束表面及尾流区流场扰流作用,增强喷淋水的蒸发冷却作用；交错管束间传热系数在换热盘管中间稳定区域变化较小,其受进气温度、喷淋水温度及相对湿度的影响较小；交错管束间压力损失沿盘管高度变化较小,在换热盘管空气进口过渡区压力损失最大。上述研究成果,为外掠交错管束间空气-水蒸发冷却传热传质及压降性能设计提供理论依据。

摘要:为获取适用于海洋性气候条件下关键节能气象参数的逐时化方法,针对温度、露点温度、相对湿度、风速、大气压5种节能计算气象参数,通过对比内陆代表城市和沿海代表城市,分析了线性插值、三次样条插值、分段三次Hermite插值、Akima插值和径向基插值法在海洋性气候条件下的适用性及特点。研究表明:海洋性气候条件下,冬季温度最佳插值法为三次样条插值,湿度为Akima插值,夏季温度和湿度的最佳插值法同为分段三次Hermite插值; 露点温度的最佳插值法在冬、夏两季同为线性插值法、风速和大气压的最佳插值法在冬、夏两季同为Akima插值法; 不同气象参数的插值准确性在相同的季节整体变化趋势相同,夏季插值精度由小到大为风速、露点温度、湿度、温度、大气压,冬季为露点温度、风速、湿度、温度、大气压。露点温度、湿度和风速插值精度受地域影响程度较大,三者受地域影响由小到大依次为湿度、露点温度和风速。温度、大气压数据插值精度受地域影响小。

摘要:为解决太阳辐射数据缺失导致无法准确地进行建筑能耗模拟、建筑节能等相关分析,以西安市为例,研究太阳辐射数据缺失时典型气象年（TMY）挑选与逐时辐射预测。首先,通过相关性分析得出容易获取的日照时数与太阳辐射相关性最高,因此在传统Sandia方法的基础上采用日照时数替代辐射的方法挑选TMY,并对挑选结果进行参数对比分析,验证了新参数挑选出TMY的准确性。其次,通过主要太阳辐射影响参数对比,选择合理的预测输入参数,选用处理泛化问题能力较强的神经网络及其优化算法进行逐时辐射预测研究,并将得到的结果与统计模型和观测数据进行对比分析。最后,参照中国建筑节能设计标准建立办公建筑模型,并利用本研究提出的方法得出的气象数据进行建筑能耗模拟验证,分别分析了建筑采暖与制冷能耗的变化情况。结果表明,提出的TMY挑选方法可以很好地解决辐射数据缺失地区挑选TMY的难题,神经网络算法可以对逐时辐射数据进行较精准的预测,为辐射数据缺失研究建筑节能提供新思路。