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2024年 第50卷  第11期

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2024年, 第50卷, 第11期
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永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制
刘欣, 王正阳, 王晓远
2024, 50(11): 3297-3309. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0833
摘要:

为提高传统预测电流控制下永磁超环面电机系统的稳态输出性能,研究了永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制(OTV-MPCC)策略。基于永磁超环面电机的结构原理,在旋转坐标系下建立该电机具有时变参数的数学模型,分析结构参数对电机输出的影响。针对含有时变参数的永磁超环面电机系统,采用永磁超环面电机OTV-MPCC策略,在一个采样周期内作用3个电压矢量,同时通过遍历5种三矢量组合选取第二最优电压矢量,减少电流预测迭代。将永磁超环面电机OTV-MPCC策略与占空比模型预测电流控制(DR-MPCC)策略、双矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)策略进行仿真对比,结果表明:OTV-MPCC策略可有效降低永磁超环面电机的电流与转矩脉动,提高稳态输出性能。

基于离散事件模拟的航站楼运行韧性分析
程国勇, 陈实
2024, 50(11): 3310-3318. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0825
摘要:

提高航站楼运行韧性是减少偶然事件下人员财产损失、减轻破坏程度、尽快恢复功能的最佳办法。目前,对航站楼缺乏基于运行性能指标时变过程的韧性定量分析理论与技术。基于此,提出综合体现鲁棒性、快速性与系统性能损失的航站楼系统综合韧性指标的航站楼运行韧性理论框架,基于离散事件模拟,得出航站楼运行系统在设备损坏、人员缺席2种扰动情景及不同扰动时间、旅客到达率下的韧性变化规律,并提出提高安检效率及设备冗余率2种韧性提升策略。结果表明:系统鲁棒性指标、性能损失指标均与扰动时间及旅客到达率呈负相关;对于设备损坏和人员缺席2种情景,提升安检效率使系统综合韧性水平分别从原有的0.325、0.054提升至0.834、0.913,提升设备冗余率使系统综合韧性水平从0.22提升至0.638。

基于SAW-PCL的输电线路缺销螺栓弱监督检测方法
赵振兵, 马迪雅, 丁洁涛, 翟永杰, 赵文清, 张珂
2024, 50(11): 3319-3326. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0832
摘要:

螺栓作为输电线路中不可或缺的紧固件,其缺销必然会引起重大的安全隐患。针对螺栓目标较小、标注难度大的问题,提出了一种基于SAW-PCL的输电线路缺销螺栓弱监督检测方法。该方法通过图像级标注信息即可定位到螺栓目标。在主网络中引入卷积块注意模块(CBAM),抑制无用的背景特征,提取螺栓精细特征,提高螺栓的检测能力。针对弱监督检测中缺销螺栓的检测精度远低于正常螺栓及不平衡性问题,提出自适应加权损失函数(SAW),动态调节模型对不同类别样本的学习程度,均衡不同类别之间的检测精度,并定义了平均类间检测精度差(ADPD)来评价不平衡性。构建的自适应加权损失函数可以提升缺销螺栓的检测精度,对正常螺栓和缺销螺栓的检测精度有一定的均衡能力,定义的ADPD可以评价模型检测性能的平衡度。在自建数据集V1上的实验结果表明:改进方法的平均准确率均值(mAP)提高了19.7%,ADPD值降低了21.8,在mAP和ADPD双重指标评估下的模型表现出了更好的缺销螺栓检测能力。

基于多任务监督学习的室内空间布局估计模型
邹一波, 李涛, 陈明, 葛艳, 赵林林
2024, 50(11): 3327-3337. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0834
摘要:

室内空间布局估计作为当下计算机视觉领域的研究之一,在目标检测、增强现实和机器人导航等任务中发挥着重要的作用。为更加有效地感知室内场景的布局关系,提出了一种基于多任务监督学习的室内空间布局估计方法,端到端地提取出室内场景的空间分割图。针对室内图像的分割特点,设计编码器-解码器的网络结构,并引入多任务监督学习,从而推理出室内空间布局和各区域的语义边缘结果;定义联合损失函数,在模型训练过程中不断优化分割效果;为更好地表达出各区域之间的布局关系,通过各区域的边缘预测结果,对网络模型的输出进行局部精细化处理,以推理出室内场景空间的最终布局。在公共数据集LSUN和Hedau上进行实验,所提方法能够有效地优化室内空间布局估计效果,分别获得7.54%和7.08%的像素误差,总体上优于对比方法。

基于Duffing振子的伪码调相线性调频复合调制引信干扰设计
闫晓鹏, 安泰, 郝新红, 赵文龙, 代健
2024, 50(11): 3338-3347. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0843
摘要:

针对现代战场伪码调相与线性调频(LFM)复合调制引信干扰技术的迫切需求,在研究伪码调相与线性调频复合调制引信信号激励的Duffing振子输出信号特性的基础上,提出了基于Duffing振子阵列同步性和频率变化关系特性的复合调制引信参数估计方法,并在参数估计的基础上进一步提出了复合调制引信干扰波形的设计方案。在仿真与实验分析中,将基于Duffing振子的参数估计方法与典型复合调制引信信号参数估计方法进行对比,分析了基于所提参数估计方法重构出的干扰信号对复合调制引信的作用效果,并与传统欺骗式干扰方法进行半实物实验对比和验证。仿真与实验结果表明:所提参数估计方法在−35 dB信噪比(SNR)下能得到较高精度的参数估计结果,且重构出的引信干扰信号在−20 dB信噪比下优于其他传统的欺骗式干扰信号。

双轴冗余旋转惯导系统精对准方法
王丽芬, 邹涛, 任元, 王卫杰, 朱挺
2024, 50(11): 3348-3357. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0818
摘要:

冗余旋转惯导系统(RRINS)相比捷联惯导系统可在提高可靠性的同时通过旋转调制技术减小惯性器件常值误差对导航性能的影响。针对该类系统高精度初始对准需求,以正四面体RRINS为例,对其精对准进行研究。建立每3个陀螺仪和3个加速度计组合方式下系统精对准误差模型;设计卡尔曼滤波器及双轴转位方案;将每种组合方式下的精对准结果及陀螺仪和加速度计零偏的均值作为最终估计结果。仿真结果表明,加速度计零偏估计相对误差在0.2%以内,陀螺仪零偏估计相对误差在0.1%以内。精对准实验结果表明,同等时间内,所提方法的精对准误差相比静基座减小75%以上,将实验中估计出的零偏补偿惯性器件测量信息后,导航解算姿态误差减小65%以上,导航性能得到有效提高。仿真和实验结果表明,所提方法可有效提高精对准精度,并可准确估计惯性器件的零偏。

基于GLCNet的轻量级语义分割算法
马素刚, 陈期梅, 侯志强, 杨小宝, 张子贤
2024, 50(11): 3358-3366. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0822
摘要:

多数基于卷积神经网络的语义分割算法伴随庞大的参数量和计算复杂度,限制了其在实时处理场景中的应用。为解决该问题,提出了一种基于全局-局部上下文网络(GLCNet)的轻量级语义分割算法。该算法主要由全局-局部上下文(GLC)模块和多分辨率融合(MRF)模块构成。全局-局部上下文模块学习图像的全局信息和局部上下文信息,使用残差连接增强特征之间的依赖关系。在此基础上,提出了多分辨率融合模块聚合不同阶段的特征,对低分辨率特征进行上采样,与高分辨率特征融合增强高层特征的空间信息。在Cityscapes和Camvid数据集上进行测试,平均交并比(mIoU)分别达到69.89%和68.86%,在单块NVIDIA Titan V GPU上,速度分别达到87帧/s和122帧/s。实验结果表明:所提算法在分割精度、效率及参数量之间实现了较好的平衡,参数量仅有0.68×106

基于椭圆方向和半轴长度的多伯努利扩展目标跟踪
孙可, 胡青霜, 郑翔飞, 吴孙勇
2024, 50(11): 3367-3376. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0869
摘要:

针对杂波环境下扩展目标外形难以估计、新生目标先验信息未知等问题,在扩展目标势均衡多目标多伯努利(ET-CBMeMBer)滤波器的基础上,开展基于椭圆方向和半轴长度(OAL)的参数化多扩展目标跟踪研究。借助乘性噪声构造考虑目标空间信息的显式量测方程,并推导OAL-CBMeMBer滤波器高斯混合实现的封闭形式解;基于显式的量测方程,利用已知的量测数据自适应构造考虑了质心位置和外形状态的新生目标先验信息,并提出自适应新生OAL-CBMeMBer滤波器。仿真实验结果表明:所提OAL-CBMeMBer滤波器提高了目标数目和状态的估计精度,能够有效地对多扩展目标进行跟踪。

复合压电材料虚拟仿真实验软件的设计与开发
耿志挺, 赵鉴侨
2024, 50(11): 3377-3381. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0826
摘要:

复合压电材料是学习压电理论的优秀载体,但是用于复合压电材料虚拟实验教学的仿真软件仍有待开发。基于此,开发一款基于多孔碳酸钡和聚偏二氟乙烯(BTO@PVDF)复合压电材料模型的虚拟仿真实验教学软件,帮助学生理解基础压电理论、探究复合材料的压电响应特点。该软件整合材料设计、制备、表征的完整流程,设计多项可调参数、多层次展示结果,使学生更灵活地去自主实现复合压电材料综合性虚拟仿真,完成基于复合压电材料的虚拟实验。该软件添加了视频讲解、互动问答、知识点提示等互动,提高教学趣味性的同时,可培养学生独立思考的能力。

基于滑模理论的轧机异步电机模型预测电流控制
方毅芳, 吴达远, 刘涛, 杨盼盼, 李文博
2024, 50(11): 3382-3390. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0576
摘要:

小型热连轧机异步传动电机具有生产效率高、操作简单等特点,但由于其经常处于高温、高压、粉尘等恶劣的工作环境中,对控制器的抗干扰性要求较高。针对小型热连轧机异步传动电机,结合滑模控制理论和模型预测控制,运用自适应滑模控制器(ASMC)作为转速外环控制器,且运用全阶滑模磁链观测器(SMRFO)观测并计算转子磁链,设计控制系统。仿真结果表明:该系统能够有效地控制小型热连轧机异步传动电机,相较于传统的模型预测电流控制系统,其响应速度和精度得到显著提升;当电机负载转矩突变时,该系统能够快速重新追踪给定速度,进一步提升抗干扰能力。

高超飞行器热化学非平衡及稀薄滑移流动模拟
李鹏, 陈坚强, 丁明松, 梅杰, 江涛, 董维中
2024, 50(11): 3391-3401. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0870
摘要:

稀薄滑移效应对高超飞行器气动特性产生重要影响。基于HyFLOW软件构建适用于热化学非平衡流动模拟的速度滑移和温度滑移边界条件,同时分别选取猎户座(Orion)飞船返回舱、OREX试验飞行器及类“哥伦比亚号”(OV102)航天飞机等典型高超飞行器,开展稀薄滑移流动模拟及其相关气动特性预测分析。研究表明:HyFLOW软件的稀薄滑移边界模型计算可靠,在预测热化学非平衡及稀薄滑移耦合效应相关的气动力、气动热特性方面具有较高的计算精度,能够满足工程复杂外形的仿真应用需求;稀薄滑移效应可显著降低热流峰值和减小热流峰值分布区域大小,相比于无滑移条件,其在类OV102航天飞机外形中预测的头部热流峰值最大降低了约45%,机翼前缘热流峰值最大降低了约20%。

面向终端区的航空器绿色轨迹优化
任广建, 何家兴
2024, 50(11): 3402-3409. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0830
摘要:

航空运输是中国综合交通领域的重要支柱,其绿色运行的研究对于可持续发展的意义重大。以绿色优化为核心,以减少碳排放为目标,面向终端区对航空器的轨迹进行优化研究,有效减少了碳排放,并得出有效结论。探索终端区飞行对于环境的影响,建立发动机排放模型;基于现有的广播式自动相关监视(ADS-B) 数据和航空器A321机型巡航性能,对数据进行分析归纳;建立划分航段的整数规划模型,研究飞机在航段内的具体情况,结合飞机改变高度、平飞2种状态对航段区间水平距离长短进行分类讨论,得到航迹排放模型,依据模型假设和航行规则建立约束,利用粒子群优化(PSO) 算法进行求解,模型增加了高度层改变约束,优化飞行状态,减轻管制负荷,使优化后航迹的碳排放较优化前降低了8.45%。通过对比优化前后航迹发现,在减少污染物排放的目标下,连续下降的进近策略比梯度下降策略更加高效。

高速折叠翼飞行器气动布局优化设计
袁亚, 刘君, 余家泉, 张程, 任鹏飞
2024, 50(11): 3410-3416. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0849
摘要:

为解决在内部载荷和外部发射装置约束条件下高速复杂折叠翼飞行器气动布局优化设计问题,提出基于类型函数/形状函数转换(CST)技术和直接参数结合的折叠翼飞行器参数化建模方法,开发了基于物面法矢量快速修正的黏性气动特性快速计算方法,并围绕飞行器气动性能的多目标优化设计,构建了基于克里金代理模型-遗传算法(Kriging-GA)的高速折叠翼飞行器多目标优化算法框架和优化流程,实现高速折叠翼飞行器气动布局的优化设计,获得了多目标多约束下的优化解集,可指导高速折叠翼飞行器气动布局优化设计。

磁悬浮控制敏感陀螺转子系统在线动平衡方法
夏长峰, 王小乐, 李智, 蒋成伟, 王卫杰, 程富强
2024, 50(11): 3417-3425. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0852
摘要:

为改善磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子质量分布,减小转子偏转系统动不平衡振动,提出基于电流响应的磁悬浮转子在线动平衡方法。分析了磁轴承-转子系统的工作原理;确定了质量分布不平衡条件下转子几何轴与惯性轴间的关系模型,对转子静不平衡和动不平衡进行了定量分析;在此基础上,提出利用洛伦兹力磁轴承(LFMB)线性特性的优势,采用二次修正法推导转子校正质量与控制电流间的关系式,对转子不平衡质量进行在线校正,进而改善转子质量分布,从根源上减小转子系统不平衡振动。在线动平衡实验结果表明:所提方法可将转子系统动不平衡振动峰值降低67.7%,验证了方法的有效性。

基于自回归模型的机翼柔性基线在线预测方法
刘艳红, 黄艳, 谭浩, 叶文, 董希旺
2024, 50(11): 3426-3433. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0865
摘要:

机翼柔性动态形变制约分布式位置姿态系统(POS)传递对准精度的提升,光纤光栅传感器可精确测量柔性基线,然而光纤光栅传感器测量的应变转化为基线过程需要时间,这导致测量得到的基线不能实时用于传递对准。针对该问题,在光纤光栅传感器柔性基线测量的基础上,提出基于自回归模型的柔性基线在线预测方法。利用过去一段时间内实测应变值转换的基线数据来超前预测当前时刻的基线值,用于子节点实时传递对准量测匹配误差补偿,其中,模型参数可随输入实测基线数据在线递推更新,使得基线预测更加精确。在模拟机翼平台上进行振动实验,结果表明:所提方法实现了基线的精确预测,预测误差在0.051 mm之内,且具有很强的实时性。

挠性陀螺EMD-ARIMA漂移模型设计与应用
蔡曜, 司玉辉, 王玉琢, 黄涛, 张亚静, 杨晓龙
2024, 50(11): 3434-3444. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0871
摘要:

为降低挠性陀螺的漂移率,提高挠性陀螺的精度,基于经验模态分解(EMD)、求和自回归移动平均(ARIMA)2种信号处理工具,提出EMD-ARIMA漂移模型。设计野点剔除算子,避免EMD过程中出现过冲、欠冲问题;对本征模态函数(IMF)辨识进行讨论,制定各阶IMF的使用原则;设计自适应定阶寻优算子,避免依靠技术人员判读自相关图、偏自相关图进行ARIMA建模,实现对多个信号(或多阶IMF)进行EMD-ARIMA建模的批处理功能。将重构的拟合信号和原始信号进行对比。工程实践表明:最终重构的拟合信号较原始信号漂移率降低了12.8%;Allan方差各项误差源均降低,MAPE为3.6×10−3RMSE为5.1×10−3,残差趋于白噪声;漂移模型在挠性陀螺漂移建模中,具有同路重复性、两路一致性、不同个体通用性。

行星借力地木转移轨道优化与星历模型下中途修正设计
陆鹏飞, 王悦, 齐征, 刘建辉
2024, 50(11): 3445-3455. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0819
摘要:

木星系探测具有重要的科学意义与战略价值,而地木转移是实现木星系探测的关键基础。基于行星借力飞行技术对地球木星转移轨道进行了优化设计,并在高精度星历模型中针对实际飞行可能存在的轨道误差设计了中途修正策略。基于Tisserand图分析行星借力飞行序列;以进入环木轨道探测器质量最大化为目标,构建考虑行星星历的借力飞行转移轨道优化非线性规划模型;针对实际飞行误差设计多次借力飞行轨道的中途修正策略;以中国木星系探测任务论证为背景,以2034—2036年为发射窗口,在长征5号运载火箭发射能力下,得到了多种借力转移序列的最优与次优转移方案。结果表明:金星-地球-地球借力转移的最优解可以使进入目标环木轨道的探测器质量达到4340.8 kg,相比霍曼转移提高约1300 kg,而后在星历模型下用蒙特卡罗仿真验证中途修正策略,结果显示,在各种误差情况下终端B平面脱靶量小于50 km,且修正脉冲消耗较小,证明所设计的行星借力转移轨道和中途修正策略能够在高精度力学环境中实现地木转移任务,可为中国木星系探测任务设计提供参考。

变马赫数下的内并联式TBCC模态转换控制
于华锋, 郭迎清, 王佳美
2024, 50(11): 3456-3462. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0827
摘要:

随着高超声速技术的发展,涡轮基组合循环(TBCC)发动机越来越受到重视。模态转换是制约TBCC发动机投入实用的障碍之一,有必要对这个过程中的控制方式进行研究。提出一种模型综合方式,实现一维进气道、冲压发动机及涡轮发动机的综合迭代,基于MATLAB/Simulink环境构建了适用于控制系统设计的TBCC模型。对单模态控制系统进行分析,在最小改动原则上提出模态转换控制器架构;通过线性矩阵不等式(LMI)工具给出控制器设计方法。给出变马赫数仿真的意义,通过2.5~3马赫数下的模态转换仿真验证了控制系统。仿真结果表明:控制系统可以保证TBCC发动机处于安全状态,变马赫数模态转换阶段推力波动小于4.2%。

基于可达区在线预测的GPI中制导协同拦截策略
王鹏, 赵石磊, 陈万春
2024, 50(11): 3463-3476. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0856
摘要:

针对临近空间高超声速滑翔目标防御中存在目标机动能力强、机动意图不明确的问题,提出一种基于可达区在线预测的滑翔段拦截器(GPI)中制导协同拦截策略。基于滑翔弹道解析解给出针对目标横程机动的可达区在线预测方法。利用多项式拟合和反向传播(BP)神经网络给出GPI标控弹道的纵程可达区在线预测方法,并利用弹道解析解进一步给出拦截弹的横程可达区在线预测方法。通过对目标和拦截弹可达区在线预测,引入多弹协同思想,实现拦截弹可达区对目标可达区的覆盖,完成协同拦截策略的设计。拦截仿真分析表明:所提协同拦截策略可有效应对目标的倾侧反转机动。

自动驾驶水平对驾驶行为稳定时间的影响分析
翟俊达, 鲁光泉, 陈发城
2024, 50(11): 3477-3483. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0863
摘要:

紧急事件发生后,不同自动驾驶水平下驾驶人的状态恢复对交通安全有重要影响。为研究自动驾驶水平对紧急事件后驾驶人工作负荷和驾驶绩效稳定时间的影响,提出了基于样本均值置信区间的信号稳定时间计算方法,设计并开展了手动驾驶(MD)、自适应巡航控制(ACC)和高级自动驾驶(HAD)3个自动驾驶水平与前车制动、前车换道2种紧急事件的模拟驾驶试验。试验有效被试者为53人,结果表明,相比于MD,HAD条件下2种紧急事件的心率稳定时间平均增加了4.56 s。自动驾驶水平对前车制动紧急事件后车辆速度、合成加速度和车道位置标准差稳定时间的影响均不显著,相比于MD,ACC和HAD条件下,前车换道紧急事件后驾驶绩效的稳定时间平均分别增加了3.2 s和5 s。研究成果对自动驾驶控制权切换模式和切换时刻的设计提供了理论依据。

激波与湍流边界层干扰流动的马赫数效应
吴正园, 高振勋, 陈新民, 蒋崇文, 李椿萱, 葛航
2024, 50(11): 3484-3494. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0857
摘要:

激波与湍流边界层相互干扰(SWTBLI)现象可诱导形成复杂的流场结构和气动力热分布特性,其干扰机制和影响机理至今仍未被充分掌握。为分析超/高超声速SWTBLI流动的机理,开展了来流马赫数为3、5、11条件下压缩拐角流动的直接数值模拟(DNS)研究。结果显示,SWTBLI使干扰区内的速度、压强等物理量的脉动显著增强,且增强幅值随来流马赫数升高而增大;同时,上游边界层中的温度、压强等物理量的脉动也随来流马赫数的增大而增强。在SWTBLI作用下,流动的可压缩效应明显增强,干扰区内压力膨胀项和膨胀耗散项不再可忽略。在高超声速条件下,上游边界层中的压力膨胀项和膨胀耗散项也比较重要。此外,SWTBLI诱导的壁面压强平均值和脉动均方根值的分布存在共性。在所有来流马赫数下,干扰区内的壁面压强脉动相比上游边界层均显著增强,并形成明显的峰值。流动发生显著分离时,将分别形成位于平均分离点和再附点附近的壁面压强脉动峰值。

基于时频转换的管路时域随机振动分析方法
王彤晖, 王延荣, 魏大盛
2024, 50(11): 3495-3506. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859
摘要:

减振结构的阻尼效果是管路振动设计的重点,传统频域随机振动计算方法考虑阻尼卡箍非线性因素较为困难。基于时频转换理论,提出了利用时域随机化方法将随机振动载荷谱转换为满足高斯分布的时域振动信号后进行动态计算的管路时域振动分析方法。利用简支梁模型计算了频域随机振动结果与时域随机振动结果,验证了时域随机振动分析方法的可行性,采样位置振动应力均方根值与频域结果误差在5%以内。针对实际管路结构分析了时域方法与频域方法的结果差异,并通过等效阻尼比的计算证明了时域方法在实际设计中的应用优势,采用时域方法分析了阻尼卡箍的摩擦系数、预紧力和不同卡箍构型对管路振动应力均方根值的影响,结果表明,构型和预紧力对振动影响较大,而摩擦系数影响较小,时域随机振动分析方法的参数设定更加灵活,能够差异化研究各类结构参数对管路振动的影响,提高管路减振结构设计效率。

横风环境下方形建筑迎风面雨滴收集率特性分析
许晨豪, 皮思源, 胡姝瑶, 蒋崇文, 李椿萱
2024, 50(11): 3507-3520. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0862
摘要:

现有建筑风驱雨研究主要关注不同环境和建筑外形条件下,建筑表面风驱雨量的分布结果,但缺乏对风驱雨量分布产生原因的分析。利用有限区域计算方法,对典型条件下方形建筑迎风面收集率分布进行计算,分析了雨滴轨迹包络区域的变化规律,说明了收集率分布的产生原因。结果表明,从轨迹起点平面至终点平面,轨迹包络区域存在拉伸和扭转2种效应。在风向角为0°、参考风速为10 m/s时,高度和宽度方向拉伸率均呈现“上小下大”、“两侧小中间大”的特点。高度方向边界扭转角呈现从中间到两侧逐渐增大的趋势,宽度方向边界扭转角呈现从角点到中间区域逐渐减小的趋势。随参考风速增大,高度方向拉伸率由正变负,宽度方向拉伸率逐渐减小,高度方向扭转角在靠近地面区域逐渐增大、在建筑上部逐渐减小,宽度方向扭转角在靠近建筑顶部区域逐渐增大、在建筑下部逐渐减小。风向角为30°时,从上风侧到下风侧,高度方向拉伸率、高度和宽度边界扭转角均逐渐增大,宽度方向拉伸率则从两侧到中间逐渐增大。研究结果为分析建筑外形对收集率分布的影响和建筑防雨结构设计提供了进一步的理论依据。

风影响下航空器多目标最优控制航迹优化方法
常哲宁, 胡明华, 张颖, 杨磊, 邹润原
2024, 50(11): 3521-3531. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0836
摘要:

风影响下的四维航迹优化问题约束复杂,多目标四维航迹优化模型难以求解。基于最优控制方法研究固定水平航路下考虑风影响的航迹垂直剖面多目标优化问题的建模和求解。以飞行时间和飞行油耗最小化为双目标建立航迹最优控制模型;设计了梯形配点结合ε-约束方法的模型求解方法,并针对按高度层飞行场景下的航迹优化提出两阶段求解方法;建立了四维航迹仿真模型用于对轨迹优化效果的仿真验证;选用长航线实际飞行计划数据作为算例进行算法性能分析,并区分自由高度飞行和按高度层飞行2种场景进行航迹优化效果验证。实验结果表明:所提模型和所提方法相比其他2种常用算法能获得更优的Pareto前沿解,按高度层飞行场景下采用所提方法能获得更优的前沿解;自由高度飞行和按高度层飞行2种场景下求得的前沿解中最小燃油耗航迹分别比飞行计划仿真航迹的油耗降低了6.33%和5.94%,最短飞行时间航迹分别比飞行计划仿真航迹的飞行时间降低了10.16%和10.01%。

基于胎内应变分析的重载轮胎垂向力与侧偏力联合估计算法
刘钇汛, 刘志浩, 高钦和, 马超群, 刘相新, 张佳林
2024, 50(11): 3532-3541. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0816
摘要:

为实现对轮胎侧偏力的估计,提出一种基于胎内周向应变分析的重载轮胎垂向力与侧偏力联合估计算法。以16.00R20重载轮胎为研究对象,建立了轮胎有限元模型,并开展了垂向刚度和振动特性试验验证了模型的有效性。基于轮胎内衬层周向应变信号分析,建立了周向应变曲线峰值间距角与接地角和接地长度的关联性模型,对比了静载、滚动、侧偏等工况下的表征精度;通过胎内对称点位周向应变分析,提取侧偏力表征特征,分析了垂向力与侧偏力表征特征的线性关系;建立了基于支持向量回归机的垂向力与侧偏力联合估计模型,先以接地角和接地长度为输入识别特征实现对垂向力的估计,进而通过侧偏力表征特征结合垂向力估计对侧偏力进行估计,通过有限元试验验证了模型估计精度。结果表明:以应变曲线零阶和一阶峰值间距角均值对接地角与接地长度的表征误差在4.5%以内;所提算法适用于静载、滚动、侧偏工况,能准确估算垂向力和侧偏力,估计值与有限元仿真值误差小于3%。

太阳能飞艇刚性电池阵列接收能量分析
刘思宇, 高健, 孙康文
2024, 50(11): 3542-3552. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0820
摘要:

太阳能飞艇能量全部来自太阳能电池阵列,阵列接收的太阳辐射能量大小决定了飞艇的续航能力。对用于飞艇的刚性晶体硅电池和柔性薄膜电池进行建模,考虑实际电池板单元的尺寸和形状,对比刚性电池的斜平面阵列和柔性电池的曲面阵列在接收能量上的差异,并分析飞艇尺寸对这2种阵列接收能量的影响。对于刚性电池设置4种斜平面阵列布置形式,比较斜平面阵列中电池板的尺寸和形状对接收能量的影响。结果表明:中低纬度处刚性电池的斜平面阵列在全年各天中接收的太阳辐射能量都高于柔性电池的曲面阵列,在高纬度地区则相反。对于刚性电池,电池板在飞艇圆周方向上的尺寸会显著影响斜平面阵列接收的太阳辐射能量。在低纬度地区应增大电池板在圆周方向上的长度以获得更多的辐射能量,而在高纬度地区则应减小长度。

分流板与侧壁缝隙对TBCC排气系统性能影响研究
张世杰, 葛建辉, 马钊, 徐惊雷
2024, 50(11): 3553-3565. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0842
摘要:

为研究涡轮基组合循环(TBCC)排气系统的分流板与侧壁之间的缝隙对其性能的影响,利用数值仿真方法研究不同缝隙长度和宽度下喷管性能参数变化规律,针对涡轮通道和冲压通道在不同工作状态下有无缝隙对喷管性能的影响进行研究。结果表明,在喷管双通道均为欠膨胀状态时,分流板与侧壁之间存在缝隙漏气的情况下,对于漏出气体的涡轮通道,随着缝隙长度的增加,其推力系数下降、升力增加,而冲压通道推力系数几乎无变化,但升力增加。缝隙宽度变化对喷管性能的影响与长度的影响规律一致。此外,通过对不同喷管工作状态的研究发现,缝隙的存在会降低推力系数,缝隙的相对宽度为0.033、相对长度为0.31时,2.8%的漏气量能造成超过1%的推力系数的损失。

基于传递矩阵法的柔性微定位平台动态特性研究
徐伟胜, 许添旗, 马慧欣, 曹毅
2024, 50(11): 3566-3577. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0845
摘要:

随着精密微定位技术的发展,对柔性微定位平台的动态特性研究越发重要。传递矩阵法(TMM)作为分析多体系统动力学的一种有效方法,具有建模方便、计算精度高等优势。为此,基于传递矩阵法建立微定位平台的动力学模型,以分析其动态特性。介绍传递矩阵法的基本思想并建立柔性机构的传递方程,推导了其在任意激励下的瞬时动力响应;基于柔性铰链和柔性梁设计了一种XY柔性微定位平台并推导出其支链及平台整体的传递矩阵;基于振动理论推导了平台主要特征单元的传递矩阵;最后,为验证理论模型的有效性,分别基于传递矩阵法、有限元法(FEM)及等效质量法(EMM)开展了对该平台固有频率和瞬时动力响应的研究。结果表明:基于传递矩阵法程式化地构建传递矩阵即可分析平台动力学特性,无须建立烦琐的动力学方程;相较于等效质量法,传递矩阵法可计算平台的高阶固有频率;平台固有频率理论值同仿真值最大相对误差仅为2.4%,动力响应理论值与仿真值基本吻合,证明了基于传递矩阵法所建模型的有效性。

飞机燃油箱水污染物数值建模
杨文举, 邵垒, 刘卫华, 贺佳伟, 陈博涵
2024, 50(11): 3578-3586. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0850
摘要:

为系统研究初始温度、初始相对湿度、载油率和溶解水相对饱和度对溶解水、冷凝水、析出水和游离水生成量的影响,基于传热传质方程建立水污染物生成模型。研究结果表明:在这4种因素中,初始温度对水污染物生成的影响最大,随着初始温度的增加,冷凝水呈现先减少后增多的趋势,游离水呈现增多的趋势,初始温度310 K生成的游离水较270 K增加了177%;初始相对湿度的影响最小,随着初始相对湿度的增加,冷凝水呈现增多的趋势,初始相对湿度100%时生成0.68 L冷凝水,为初始相对湿度40%时0.619 L的1.1倍;载油率的增加会导致燃油在下降阶段产生“回吸现象”,且随着载油率的增加“回吸现象”加强,冷凝水量呈现减少的趋势,而游离水量呈现增加的趋势,载油率100%时共生成游离水1.009 L,为40%时0.561 L的1.79倍;溶解水相对饱和度的增加会导致析出水量的增多,从而使游离水总量增加,溶解水相对饱和度100%总共生成游离水0.793 L为初始溶解度40%时0.335 L的2.37倍。

基于信号变分分解的无线电引信抗干扰方法
蔡鑫, 陈齐乐, 孔志杰, 乔彩霞, 郝新红
2024, 50(11): 3587-3594. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0860
摘要:

脉冲多普勒引信在受到扫频式干扰时,引信接收机信道被干扰信号饱和从而导致引信出现早炸或瞎火。脉冲多普勒引信通过波形设计及多维度特征识别可以避免因干扰信号而错误启动,但如何在扫频式干扰压制下检测真实目标仍是一个难题。针对上述问题,建立了扫频式干扰作用下脉冲多普勒引信中频信号模型,并提出了基于信号变分分解的引信抗扫频式干扰方法。所提方法利用全变分正则化将中频信号分解为脉冲、低频正弦波和高频噪声3个分量,保留并处理对应目标回波信号的脉冲分量即可检测真实目标。通过仿真验证了方法的有效性,结果表明:所提方法在0~20 dB的干信比条件下仍能有效分离目标回波及干扰信号,大大提高了脉冲多普勒引信在扫频式干扰作用下的目标检测能力。

基于IPSO-AM-LSTM的飞机地面空调能耗预测
刘涵, 林家泉
2024, 50(11): 3595-3602. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0872
摘要:

作为一个复杂的热力系统,飞机地面空调能耗受到多种因素的影响,包括各种天气数据和时间特征。为提升飞机客舱使用地面空调制冷时地面空调能耗预测精度,构造了一种基于长短时记忆网络(LSTM)的地面空调能耗预测模型。该模型融合长短时记忆网络和注意力机制构建预测部分,用于提取和利用数据中的时序信息,并以预测精度作为算法的适应度函数,提出一种基于改进粒子群优化(IPSO)算法的超参数优化方法,与标准粒子群优化(PSO)算法相比,该优化算法将迭代次数与适应度相结合,构建了惯性权重的动态调节函数,对其进行动态调节,并引入粒子到全局最优位置的距离参数,提出一种粒子交叉策略,提高粒子群的多样性。所提方法在实际数据集上的仿真预测结果的均方误差为4.394,平均绝对百分比误差为0.774%,决定系数为0.968。与其他预测方法进行对比,结果表明:所提方法有更高的准确度。