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2022年  第48卷  第4期

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2022年, 第48卷, 第4期
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论文
机场跑道水泥混凝土道面板尺寸分析
张献民, 李梦晓, 陈宇, 李长辉, 徐博庆
2022, 48(4): 551-559. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0646
摘要:

中国机场通常采用板宽不超过5 m的水泥混凝土道面板,国际上已有机场采用板宽6 m以上的水泥混凝土道面板。相比大尺寸水泥混凝土道面板,小尺寸道面板容易产生病害。为了研究道面板尺寸对道面性能的影响,基于弹性层状理论体系建立道面结构有限元模型,通过改变水泥混凝土道面板平面尺寸,研究了考虑温度梯度时飞机荷载作用下道面板内的应力变化。通过某机场实例分析了温度梯度和飞机荷载共同作用下道面板平面尺寸对道面使用寿命的影响,结果表明:道面板内应力受温度梯度影响较大,常见机型荷载作用下,夏季道面板内拉应力25%以上是由温度梯度荷载造成;不同尺寸道面板在相同荷载作用下,道面产生的损伤量不同,设计过程中加入道面板温度应力计算,选择合适的道面板尺寸,可以显著提高水泥混凝土道面的预期使用寿命。

基于自编码器和HMM的民机接地点远事件检测
霍纬纲, 李继龙, 王慧芳
2022, 48(4): 560-568. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0649
摘要:

已有的飞行品质监控(FOQA)标准仅由地速的积分距离判定接地点远事件(LTE)的发生,无法结合多个快速存取记录器(QAR)参数检测并解释发生该事件的原因。通过滑动窗口对包含多个参数的QAR样本进行分段,按照分段位置形成若干分段样本集。由长短时记忆网络(LSTM)自编码器得到QAR样本分段及分段内向量的特征表示,采用K-means分别对这些表示向量进行聚类处理,实现QAR样本及其分段的符号化。使用正常航班QAR样本集的符号序列建立隐马尔可夫模型(HMM),以检测包含接地点远事件的航班。由发生及未发生接地点远事件的QAR样本各个分段的符号序列构建HMM后,采用Viterbi算法确定接地点远事件在QAR样本分段内的具体位置。在真实QAR数据集上的实验结果表明,与其他多维时间序列异常检测方法相比,所提方法不仅能有效检测接地点远事件,而且可以获得多个QAR参数的异常值,辅助领域专家分析发生该事件的原因。

含孔隙缺陷三维五向编织复合材料偏轴拉伸力学性能分析
杨志贤, 张明, 李昂, 张超
2022, 48(4): 569-577. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0615
摘要:

针对孔隙缺陷对材料力学性能的重要影响,在材料细观模型中引入随机分布的孔隙缺陷,研究了含孔隙缺陷三维五向编织复合材料的偏轴拉伸力学性能。基于2种典型编织角试件,讨论了孔隙率对材料正轴力学性能的影响,通过与实验数据对比,确定了材料的孔隙率。结合周期性边界条件施加偏轴拉伸载荷,获取了不同偏轴角度下材料的应力-应变曲线,并预测了材料的强度性能。模拟了典型偏轴角度下材料的细观损伤起始、演化过程,分析了材料的失效机理,为其他复合材料结构孔隙缺陷问题及偏轴载荷问题数值分析提供了一定的参考。

颅缝早闭手术中颅骨切割方案生成方法
罗杨宇, 贺佳宾, 谢东升, 陆珅宇, 宫剑
2022, 48(4): 578-585. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0631
摘要:

为实现颅缝早闭手术方案制定的规范化,提出一种结合深度学习、立体视觉和点云处理技术的颅骨切割轨迹生成方法,用于建立切割方案模板库和生成新的病例切割方案。该方法将深度学习应用于颅骨外表面的实例分割中,利用Mask R-CNN对手术区域进行检测和分割,利用简化轮廓提取算法提取切割轨迹,并结合点云处理技术将切割轨迹坐标进行2D-3D映射,实现切割轨迹自动化提取;在此基础上建立典型病例模板库,通过模板匹配方法自动生成新病例的切割方案。实验证明:该轨迹提取方法可以准确高效地检测出颅骨切割轨迹,并将轨迹坐标进行3D映射,点云深度测量误差小于3 mm,达到临床可用标准;模板匹配方法也有效生成新病例的切割轨迹,符合资深医生的手术方案。

电力场景下基于无人机视觉的运动目标追踪方法
冯雪, 杜猛俊, 向新宇, 钱锦, 张敏
2022, 48(4): 586-594. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0613
摘要:

随着人工智能技术的发展,面向电力系统的运动目标追踪技术逐渐得到关注,现有方法虽有一定成效,但是大多基于固定摄像头的监控视频录制,不能灵活追踪运动目标,当运动目标离开摄像头视野时,存在运动目标丢失问题。为此,利用无人机设备,并基于深度学习和核相关滤波技术,提出了一个电力场景下基于无人机视觉的运动目标追踪方法(MTTS_UAV)。所提方法采用改进的目标追踪方法与目标检测方法相结合的方式来追踪运动目标隐患,并引入2种无人机飞行控制模块:启发式和数据驱动式,使得无人机的飞行速度和方向可以根据目标移动情况自适应地调节。在真实变电站的安全帽人员数据集上进行了大量实验,对所提方法的追踪效果进行评估,结果表明:所提方法在真实数据集上的平均像素误差(APE)和平均重叠率(AOR)分别可达到2.37和0.67,验证了方法的有效性。

复杂曲面上的自动铺放路径规划方法
赵安安, 何大亮, 王晗, 郭俊刚, 柯映林
2022, 48(4): 595-601. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0619
摘要:

自动铺丝是一种先进的复合材料自动制造技术,广泛应用于制造形面复杂的复合材料构件。大曲率区域丝束的压实质量较差、铺放路径的方向偏差和转弯半径难以同时满足等问题,导致了各种铺放缺陷。研究了曲面曲率对路径性能的影响,建立了分区域路径规划机制。采用压辊到曲面的距离来表征丝束压实情况,并根据曲面曲率估算可压实丝束的数量。建立了局部方向偏差和转弯半径计算方法,并在路径密化过程中实时评价,在路径性能超出约束时进行分区。考虑了丝束压实、方向偏差及转弯半径对铺放路径的约束,保证了整张曲面的铺放质量和铺放效率。在翼梢小翼曲面上完成了路径规划方法的仿真和实验验证,结果表明:所提方法能够在复杂曲面上获得满足性能要求的铺放路径。

水下燃料组件转运系统耦合振动分析
袁占航, 李运华, 刘昊东
2022, 48(4): 602-608. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0640
摘要:

核动力厂燃料组件转运系统运行的平稳性和系统结构的可靠性对确保燃料组件安全至关重要。为了解运行过程中系统的振动情况,建立了考虑水影响的梁-小车+刚性杆-质量+弹簧+阻尼的耦合系统动力学模型,推导了系统的非线性运动微分方程。在此基础上,采用数值算法计算了小车在不同行走速度下系统的响应。研究结果表明:运行过程中,小车行走速度越小系统振动越弱,相对越平稳;由于静变形,即使小车行走速度很低,吊篮仍会承受一定的横向力作用,需注意吊篮薄弱部位的强度;导轨支撑附近位置为吊篮的相对危险位置,必要时可以在此设置监测点以保证燃料组件安全。

下肢康复机器人动力学建模约束违约抑制
徐亚茹, 李克鸿, 刘佳, 刘荣, 张建成
2022, 48(4): 609-619. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0628
摘要:

U-K理论为获得约束多体系统的解析动力学方程提供了新的理念,但由于数值近似和截断误差等因素的影响,动力学方程在位置和速度层面上存在约束违约。Baumgarte约束违约稳定法(BSM)通过约束修正得到稳定的动力学方程。然而,Baumgarte参数的选择通常涉及一个试错过程,可能会出现失效的仿真结果。为此,利用经典的四阶Runge-Kutta法研究了Baumgarte参数选取问题,创建了基于BSM修正后的U-K理论的机器人系统解析动力学方程。以下肢康复机器人为研究对象仿真分析,结果表明:利用所提方法可以有效抑制约束违约,关节角度误差控制在-5×10-3(°)~5×10-3(°)范围内;关节角速度误差控制在-2×10-4~2×10-4 rad/s范围内;机器人末端执行器运行轨迹能够很好地贴近系统预定的目标。

纤维素类生物质水热法制备航油前驱物能耗分析
董升飞, 黄星华, 杨晓奕
2022, 48(4): 620-631. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0644
摘要:

生物质制备航空替代燃料对于全球碳减排和控制温室气体排放发挥十分重要的影响。纤维素类生物质来源广、年产量大成为其作为生物质原料的显著优势。结合目前纤维素类生物质研究的最新成果,深入研究了纤维素类生物质制备航油前驱物(糠醛(FF)、5-羟甲基糠醛(5-HMF)、乙酰丙酸(LA))关键工艺单元的工艺参数和产率,通过Aspen Plus工艺模拟,研究比较了糠醛与乙酰丙酸制备工艺、糠醛与5-羟甲基糠醛制备工艺过程的物质流和能流,得出了不同工艺参数对产率的影响,并进行了能耗分析,为提高平台化合物的产率和降低能耗提供了理论基础。

基于SINS/RFID的隧道列车高精度定位方法
张辰东, 王兆瑞, 金声震, 艾国祥
2022, 48(4): 632-638. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0647
摘要:

为了获取高速铁路列车在隧道这种导航卫星不可见环境下的定位信息,提出一种基于捷联惯性导航系统(SINS)和射频识别技术(RFID)的组合定位方法。通过响应时间模型来计算标签的定位精度,依据实际轨道环境增加标签对列车姿态校准的能力,同时结合惯性导航系统解算得到连续的定位数据。仿真结果表明:在30 km长的隧道利用射频识别标签位置信息进行校准,可以很大程度地减小惯性导航系统的误差积累,提高定位精度。引入姿态信息后,可以在陀螺仪性能与标签间隔的多种组合中保持隧道全线定位精度在米级,最高能够达到0.5 m。

一种基于地转风模型的平流层风场插值方法
胡康, 周江华, 张晓军
2022, 48(4): 639-646. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0625
摘要:

平流层风场水平分量的数据精度和密度对高空气球实验的轨迹预测精度和飞行控制精度有着直接的影响。面向平流层风场,提出一种基于地转风模型的插值方法。该方法通过改进科里奥利频率公式,并用二维卷积计算地转风模型,提升了地转风模型的计算效率和低纬度地区风场精度,再用迭代二元线性回归和改进的自适应观测场偏差权重矩阵减小了观测误差对插值结果的影响。实验结果表明:所提插值方法能有效提升平流层风场插值计算速度,并对平流层风场水平分量的插值精度有显著提升。

基于双重属性信息的跨模态行人重识别算法
陈琳, 高赞, 宋雪萌, 王英龙, 聂礼强
2022, 48(4): 647-656. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0614
摘要:

通过对跨模态检索问题的研究,属性信息的使用可以增强所提取特征的语义表达性,但现有基于自然语言的跨模态行人重识别算法对行人图片和文本的属性信息利用不够充分。基于双重属性信息的跨模态行人重识别算法充分考虑了行人图片和文本描述的属性信息,构建了基于文本属性和图片属性的双重属性空间,并通过构建基于隐空间和属性空间的跨模态行人重识别端到端网络,提高了所提取图文特征的可区分性和语义表达性。跨模态行人重识别数据集CUHK-PEDES上的实验评估表明,所提算法的检索准确率Top-1达到了56.42%,与CMAAM算法的Top-1(56.68%)具有可比性,Top-5、Top-10相比CMAAM算法分别提升了0.45%、0.29%。针对待检索图片库中可能存在身份标签的应用场景,利用行人的类别信息提取属性特征,可以较大幅度提高跨模态行人图片的检索准确率,Top-1达到64.88%。消融实验证明了所提算法使用的文本属性和图片属性的重要性及基于双重属性空间的有效性。

单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法
王辉, 何天宇, 都显琛, 王春洁
2022, 48(4): 657-664. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0616
摘要:

星载抛物面天线在轨运行时由于姿态调整或环境因素变化,可能产生振动,从而降低其工作性能。为了减弱振动的影响,需采取加装张紧绳索的方法来提升天线刚度。提出了一种新型张紧绳索多层设计方法,通过将抛物面天线划分为多层,调整各层绳索的张紧力,从而提高天线结构刚度,同时尽量降低张紧力引起的形面误差。为了验证所提方法的有效性,建立了天线的有限元模型。在此基础上进行了有限元分析,研究了不同张紧力参数配置下的结构刚度和形面误差,并以提升结构刚度的同时降低张紧力引起的形面误差为目标,对张紧力参数进行了优化设计。为了提高计算效率,采用响应面法建立代理模型参与优化迭代计算。采用非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成优化迭代计算,优化后的张紧力参数使天线的性能得到了进一步的提升,为构架式可展开抛物面天线的设计提供理论指导。

柔性翼气动力和变形特性的实验研究
王涵斌, 贺曦, 王晋军
2022, 48(4): 665-673. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0617
摘要:

微型飞行器在军、民用领域具有广阔的应用前景,柔性翼是提升微型飞行器的气动性能的有效方法。为了更好地对柔性翼进行控制,对柔性翼变形和振动特性及其对气动力的影响进行了同步测量。研究结果表明,相比于刚性翼,柔性翼使失速迎角推迟了6°,最大升力系数提升了47.4%,升阻比提高了17.8%。柔性翼的周期性振动除了迎角0°~2°呈现大振幅、小静变形特征外,振动的振幅随着迎角增加经历无明显波峰、三波峰到单波峰的转换。升力系数最大时对应的薄膜变形、振动振幅均达到最大。此外,变形最大的弦向位置随迎角的变化决定了俯仰力矩的特性。据此提出了施加弯度和特定频率的振动激励来提升气动性能的主动控制策略。

基于联合分布适配的智能电表运行状态评价
许丹, 李游, 李贺龙
2022, 48(4): 674-681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0621
摘要:

针对智能电表运行状态评价中经常存在带标签的数据采集困难且不同地区的数据分布不一致的问题,在智能电表的运行状态评价领域引入迁移学习中的联合分布适配(JDA)算法。该算法寻找一个最优化的变换矩阵,使得在变换后的空间中不同地区数据的边缘分布和条件分布距离最小化。针对条件分布适配中目标域没有数据标签的问题,采用伪标签迭代的方法使得目标域伪标签不断接近真实标签。变换后空间数据中训练得到的分类模型可以运用于新的地区,实现迁移。实验结果证明了JDA算法在智能电表运行状态评价中的有效性。

底凹结构减阻效应数值分析
李彪, 王良明, 杨志伟
2022, 48(4): 682-690. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0623
摘要:

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。

基于QZSS L1信号的岸基GNSS-R码延迟海面测高
储倜, 贺凯飞, 高凡, 贺匀峤, 孟馨悦, 徐天河
2022, 48(4): 691-697. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0630
摘要:

为了探究GNSS L1波段中信号不同调制方式的GNSS-R码相位延迟海面的测高性能,开展了双天线岸基GNSS-R海面测高实验,收集了采样率为40 MHz的原始中频数据。利用自主开发的GNSS-R测高软件接收机和反演软件对实验数据进行了处理分析,同时获得了基于QZSS L1C/A码和L1C码的GNSS-R海面测高结果,并分别与岸基同步观测的雷达高度计的测高值进行对比,以对反演结果进行精度评定。实验结果表明:基于QZSS L1C/A码和L1C码的海面测高精度最优可达0.63 m和0.4 m,L1C码的延迟GNSS-R测高精度明显高于L1C/A码。此外,GNSS-R测高精度会随着卫星高度角的增加而有所增加。

复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析
张超, 方鑫, 刘建春
2022, 48(4): 698-707. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0636
摘要:

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学(SPH)法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。

账户型区块链可扩展存储模型
张栩豪, 牛保宁, 弓婷
2022, 48(4): 708-715. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0638
摘要:

区块链数据持续线性增长,最终导致单个节点无法提供足够的存储资源,产生存储可扩展性问题。轻节点模型虽然极大地降低了对存储资源的需求,但是也导致全节点减少、去中心化程度降低,威胁区块链网络的安全。账户型区块链尚未有成熟的可扩展存储方案提出。考虑到状态数据的使用频率远远高于区块数据,提出一种基于账户型区块链的可扩展存储模型(SSMAB)。SSMAB以完全冗余的方式保存状态数据,保证其交易验证功能;以分片方式存储区块数据,降低冗余度;采用经济激励机制,在保证数据可用性的前提下,减少存储的消耗。实验结果表明:SSMAB模型能够保证数据的可靠性与可用性,将存储数据量降低到全节点模型的13%。

低复杂度自适应容积卡尔曼滤波算法
李春辉, 马健, 杨永建, 甘轶
2022, 48(4): 716-724. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0642
摘要:

确定采样型滤波算法中的容积卡尔曼滤波(CKF)算法滤波性能优良,但是却难以克服目标模型不确定性或者目标状态突变带来的影响。构造强跟踪CKF能有效改善算法的自适应性,但是在求解渐消因子时大大增加了计算量。为此,提出一种低复杂度自适应CKF算法,通过设立基于新息的自适应修正判决准则和修正方式,直接对状态预测值进行修正,使滤波算法能及时跟上目标真实状态,以提高滤波精度。使用浮点操作数计算并分析了CKF算法、强跟踪CKF算法及所提算法的复杂度,同时将3种算法应用在建模不准确的目标跟踪中,并进行仿真验证。仿真结果表明:在目标建模不匹配的情况下,低复杂度自适应CKF算法和强跟踪CKF算法都能保持较好的滤波精度和数值稳定性,同时所提算法在算法复杂度上有明显改善。

常见问答