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列维噪声下基于随机共振的甚低频地震波检测技术研究

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列维噪声下基于随机共振的甚低频地震波检测技术研究

作者：马石磊西北工业大学

学位级别：硕士

建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分,社会主义新时代要建立强大的海军,对水下目标的被动探测是获取作战优势的先决条件。随着水下航行器消磁、消声降噪等措施的不断完善,其本身的自防护能力不断提高,尤其是安静型水下航... 详细信息

建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分,社会主义新时代要建立强大的海军,对水下目标的被动探测是获取作战优势的先决条件。随着水下航行器消磁、消声降噪等措施的不断完善,其本身的自防护能力不断提高,尤其是安静型水下航行器无人潜航器等水下移动目标辐射噪声与回波特征不断削弱,极大地增加了传统方法对水下航行器等水下移动目标探测难度,甚低频地震波信号作为水下大型航行器探测信号,携带水下航行目标的关键特征,可以不受水文条件的影响而通过海底传播,具有衰减慢、作用距离远且很难被抑制的特点。因此利用甚低频地震波信号进行水下目标探测,是实现对水下航行器远程探测的有效技术手段,是水下被动探测系统远距离感知目标的重点发展方向之一。本文针对甚低频地震波信号在复杂海洋低频环境噪声下探测难的问题,研究了基于非线性随机共振的微弱信号检测方法,以期提高复杂海洋环境下检测与提取目标关键特征的能力,本文的主要研究内容与创新性如下:(1)建立了列维分布的海洋甚低频环境噪声模型,并给出了基于对数矩的列维分布参数估计方法。分析了海洋甚低频环境噪声的各类来源和特点,进一步研究了列维噪声的生成方法,并与实测低频复杂环境噪声进行比较,验证了列维分布模型来描述海洋低频环境噪声的准确性与合理性。(2)提出了用随机共振方法来检测复杂海洋环境噪声下甚低频地震波信号的方案。研究了列维噪声激励下的一阶、二阶双稳态随机共振系统,改进了列维噪声下的随机共振系统输出求解方法,仿真结果表明二阶系统的输出稳定性和频率适用性要优于一阶系统,选取二阶随机共振方法来进行后续的研究,最后对比不同参数下的二阶双稳态随机共振系统输出性能,表明了通过调节系统参数来提高系统输出性能的可行性。(3)提出了列维背景噪声下的二阶匹配随机共振检测方法。根据产生随机共振的条件和系统输出的最优信噪比这两个因素,推导了列维噪声下随机共振系统匹配参数;在此基础上建立了列维噪声下基于匹配随机共振的甚低频微弱信号信号检测器,进行了系统输出仿真实验,表明了本文所提出的匹配参数随机共振系统相比于非匹配参数系统输出性能的优越性,最后用二阶双稳态匹配随机共振检测系统与直接检测和相关检测器的检测性能进行比较,验证了在复杂列维噪声背景下二阶双稳态匹配随机共振检测弱周期信号的可行性和有效性。(4)设计并搭建了甚低频地震波探测试验系统。在湖北漳河某水域进行了外场湖试试验,试验结果验证了用二阶匹配随机共振系统在复杂海洋低频环境噪声下进行水下航行器甚低频地震波探测的可行性和有效性。

关键词：地震波列维噪声随机共振甚低频水下目标探测

不确定性MDO在驱动桥壳轻量化设计中的应用

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不确定性MDO在驱动桥壳轻量化设计中的应用

作者：马石磊山东大学

学位级别：硕士

轻量化设计技术的开发应用是提高汽车性能、降低汽车油耗、减少汽车尾气排放的有效措施。零部件的轻量化设计方案往往要满足使用过程中的多个性能约束,而各个性能约束又涉及多个学科领域,因此多学科设计优化的思想被引入进来,除此之外,... 详细信息

轻量化设计技术的开发应用是提高汽车性能、降低汽车油耗、减少汽车尾气排放的有效措施。零部件的轻量化设计方案往往要满足使用过程中的多个性能约束,而各个性能约束又涉及多个学科领域,因此多学科设计优化的思想被引入进来,除此之外,在汽车的设计、制造和使用过程中广泛存在的不确定性因素不可避免地影响着轻量化设计方案的有效性。因此,基于不确定性的多学科设计优化方法已成为汽车重要部件轻量化技术的重点研究内容。不确定性多学科设计优化方法融合了多学科设计优化思想和不确定性设计优化理论,其主要内容包括：系统分析与优化,学科分析与优化,试验设计,近似模型技术,不确定性建模与传递分析方法,可靠性约束等效处理方法,优化结果搜寻策略等。不确定性多学科设计优化可衍生出两类设计问题,即稳健性多学科设计优化问题和可靠性多学科设计优化问题。本文以某轻型载货汽车驱动桥壳为研究对象,以不确定性多学科设计优化理论为指导对驱动桥壳的轻量化设计开展了系统研究：（1）将适合处理高维计算问题的稀疏网格方法应用于高维近似模型的建立过程,研究了其确定样本空间的方法和建立近似模型的过程,并以Haupt函数和NASA减速器设计优化实例验证了其在拟合高维近似问题时的效率和精度。（2）建立驱动桥壳有限元模型,系统地归纳了驱动桥壳静强度试验和疲劳试验资料,将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证了该有限元模型在仿真静强度和疲劳寿命方面的精度。补充进行了驱动桥壳的模态频率测试试验,并与有限元分析结果对比,最终获得了各指标仿真精度均符合要求的驱动桥壳有限元模型。（3）建立了驱动桥壳轻量化设计的总体优化模型,以各设计变量的灵敏度分析为基础划分学科模型,分别界定各个学科的范围,确定不确定性多学科设计优化问题的数学描述,并初步建立了各个设计变量的不确定性分布模型。然后以学科划分为基础,分别建立了系统级和学科级不确定性多学科设计优化模型。（4）为得到比较合理的驱动桥壳轻量化设计方案,以多学科优化软件Optimus为平台,利用有限元分析软件ANSYS Workbench得到的响应面数据,搭建基于协同优化方法的不确定性多学科设计优化工作流程,最终获得具有稳健性和可靠性的驱动桥壳轻量化设计最优解。（5）轻型载货汽车其它关键部件的轻量化设计也会集成多种分析软件、多种试验设计方法、多种近似模型技术,本课题中提出的基于不确定性的多学科设计优化流程可以其轻量化方案的获取提供一定参考。

关键词：轻量化设计不确定性多学科设计优化稀疏网格近似模型驱动桥壳

基于稀疏网格的近似模型及其在轻量化设计中的应用

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机械工程学报 2013年第7期49卷 43-50页

作者：马石磊李方义李剑峰何洋山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室济南250061

在复杂工程系统的多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization,MDO)中,由于学科种类和设计变量多,学科分析中存在计算量大和优化效率低等难题。将稀疏网格方法引入多学科近似模型的建立过程,该方法集试验设计和近似模型建立... 详细信息

在复杂工程系统的多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization,MDO)中,由于学科种类和设计变量多,学科分析中存在计算量大和优化效率低等难题。将稀疏网格方法引入多学科近似模型的建立过程,该方法集试验设计和近似模型建立于一体,可以缓解样本点数目对设计空间维度的指数依赖,因此在处理高维问题时仍有较高的效率,同时在近似模型的拟合精度方面具有先验性。将该近似模型应用于Haupt函数预测和NASA减速器优化设计实例,与传统多项式和Kriging近似模型方法进行对比分析,结果证明了该方法在拟合高维问题时的精确性、高效性和在高维优化设计中的适用性。构建基于稀疏网格近似模型的多学科设计优化流程,并以此为基础对某型驱动桥壳进行轻量化设计,所得设计方案减轻了驱动桥壳的质量,前六阶模态频率变化较小,且满足驱动桥壳静强度指标和疲劳寿命指标。

关键词：稀疏网格近似模型多学科优化轻量化设计

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采用新型电磁动平衡装置的动平衡研究

西安交通大学学报 2012年第3期46卷 21-26页

作者：马石磊裴世源王琳徐华张什永西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049 中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230031

针对高速转子不平衡产生振动超标的问题,设计了一种基于静磁场的电磁在线动平衡装置;详细讨论了该动平衡装置的基本工作原理和设计方法;通过有限元软件ANSYS建立实体模型,计算并分析了设计参数对该装置所施加电磁力的影响.以转子的动力... 详细信息

针对高速转子不平衡产生振动超标的问题,设计了一种基于静磁场的电磁在线动平衡装置;详细讨论了该动平衡装置的基本工作原理和设计方法;通过有限元软件ANSYS建立实体模型,计算并分析了设计参数对该装置所施加电磁力的影响.以转子的动力学有限元模型为基础,通过缩减不平衡响应与不平衡量之间的关系矩阵,采用无试重法识别出转子集中不平衡量的大小,最后通过搭建动平衡试验台实现了转子的动平衡,从而验证了该新型电磁动平衡装置的有效性.研究结果表明,该动平衡装置可以产生用于动平衡的电磁力,并且能够根据无试重法识别出的不平衡量值施加电磁力于高速转子,有效地抑制振动幅值.由于受结构和工作原理的限制,该电磁动平衡装置更适用于高速精密转子的在线动平衡.

关键词：高速转子电磁动平衡装置动力学模型

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换热器单侧换热系数分离方法研究

电站辅机 2022年第4期43卷 1-5,14页

作者：马石磊杨志刚董昊然上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂上海200090

因环境保护、工艺要求、能源危机和市场需求,各种新型换热器层出不穷,这些新型换热器在内部宏观和微观结构、换热介质以及设备材质方面与传统管壳式换热器均存在较大差异,原热工设计方法均已不再适用,需要设计新的热工试验来测定其实际... 详细信息

因环境保护、工艺要求、能源危机和市场需求,各种新型换热器层出不穷,这些新型换热器在内部宏观和微观结构、换热介质以及设备材质方面与传统管壳式换热器均存在较大差异,原热工设计方法均已不再适用,需要设计新的热工试验来测定其实际换热性能,拟合验证新的热工设计方法。目前现有的换热器单侧换热器系数的分离方法均有各自的适用范围和优缺点。鉴于此,提出了一种适用于该种情况的新型单侧换热器系数的分离方法,可以更精确快速地拟合出符合要求的单侧换热系数计算关联式。

关键词：单侧换热系数分离方法牛顿换热公式直接求得法威尔逊图解法修正威尔逊图解法等雷诺数法

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深海甚低频水声与地震波场的联合探测试验

哈尔滨工程大学学报 2021年第7期42卷 1009-1014页

作者：董海涛王海燕申晓红马石磊西北工业大学航海学院陕西西安710072 海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室(西北工业大学) 陕西西安710072 陕西科技大学电子信息与人工智能学院陕西西安710021

为我国深海水中兵器甚低频声场与地震波场联合引信技术提供可行性依据,设计并研制了深海自容式三分量地震波传感系统,利用深海坐底潜标搭载在我国南海海域(布深1825 m)开展了实船目标特性感知试验。通过设置走航测线,获取了目标深海甚... 详细信息

为我国深海水中兵器甚低频声场与地震波场联合引信技术提供可行性依据,设计并研制了深海自容式三分量地震波传感系统,利用深海坐底潜标搭载在我国南海海域(布深1825 m)开展了实船目标特性感知试验。通过设置走航测线,获取了目标深海甚低频水声场与地震波场实测数据,对比分析结果表明了舰船甚低频水声场与地震波场对目标探测的贡献具有共性与差异性。水声场因包含更丰富的周期窄带信息而更具主导性,而地震波场用于检测目标近场通过时明显优于水声场,甚至存在水声场无法感知的独特谱线,对三分量地震波场的实船噪声包络解调分析亦表明其用于感知螺旋桨轴频和叶频关键特征的优势。鉴于此,联合舰船甚低频水声场与地震波场对水中兵器探测目标、抗扫、抗诱骗等具有积极作用,发展深海甚低频联合引信技术是必要且可行的。

关键词：兵器科学与技术深海潜标传感系统被动探测舰船甚低频特性水声场地震波场联合引信

冷焊工艺参数对HT250表面修复层性能的影响

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机械工程学报 2013年第7期49卷 101-105页

作者：徐庆钟李方义秦顺顺马石磊山东大学机械工程学院济南250061

冷焊技术是一种新型金属零件表面修复技术,具有精密、经济、便捷等优点,已应用在发动机再制造等领域。利用冷焊技术对发动机缸体材料HT250表面缺陷进行修复,采用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和拉伸试验机等设备对修复区域的微观组... 详细信息

冷焊技术是一种新型金属零件表面修复技术,具有精密、经济、便捷等优点,已应用在发动机再制造等领域。利用冷焊技术对发动机缸体材料HT250表面缺陷进行修复,采用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和拉伸试验机等设备对修复区域的微观组织、硬度和结合强度进行测试分析,同时揭示不同冷焊工艺参数对修复层性能的影响。研究结果表明:基体与修复层结合良好,无孔隙和裂纹,熔合区存在元素扩散,说明修复层与基体间是微区冶金结合;修复层硬度低于基体硬度,便于后续加工处理,热影响区较小;冷焊修复技术能提高修复对象的抗拉强度。同时,热影响区宽度和硬度随冷焊时间和能量工艺参数的增大而增大;抗拉强度的变化随冷焊时间和能量工艺参数的增大先有减小趋势,后逐渐增大。

关键词：冷焊再制造发动机工艺参数

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高速动静压轴承支承主轴系统动特性测试研究

西安交通大学学报 2011年第5期45卷 52-58页

作者：马石磊马求山王琳徐华赵万华西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

以自行设计的高速主轴水润滑动静压轴承为基础,采用不平衡质量法识别出转子系统支撑轴承的动特性系数,通过轴承性能测试实验得到了供水压力、主轴转速等运行参数对轴承-转子系统动特性的影响.结果表明:轴承-转子系统动特性系数随系统供... 详细信息

以自行设计的高速主轴水润滑动静压轴承为基础,采用不平衡质量法识别出转子系统支撑轴承的动特性系数,通过轴承性能测试实验得到了供水压力、主轴转速等运行参数对轴承-转子系统动特性的影响.结果表明:轴承-转子系统动特性系数随系统供水压力和主轴工作转速的增加而增大;在供水压力较低时,工作转速对轴承动特性影响较小;当供水压力升高到一定程度时,工作转速对轴承的动特性产生较大影响,此项研究对轴承-转子系统结构参数的改进以及不同工况下最佳运行参数的确定具有一定的指导意义.

关键词：动静压轴承动态性能参数识别

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复杂海洋环境噪声下甚低频声信号检测方法

兵工学报 2020年第12期41卷 2495-2503页

作者：马石磊王海燕申晓红何轲董海涛西北工业大学航海学院陕西西安710072 海洋声学信息感知重点实验室(西北工业大学) 陕西西安710072 陕西科技大学电子信息与人工智能学院陕西西安710021

针对复杂海洋环境中的探测潜艇目标问题,开展复杂海洋环境噪声下的甚低频信号检测研究。采取更加符合实际的列维分布描述复杂海洋低频环境噪声,并基于对数矩法估计实测噪声的分布参数,为后续的系统参数选取提供先验知识;提出随机共振来... 详细信息

针对复杂海洋环境中的探测潜艇目标问题,开展复杂海洋环境噪声下的甚低频信号检测研究。采取更加符合实际的列维分布描述复杂海洋低频环境噪声,并基于对数矩法估计实测噪声的分布参数,为后续的系统参数选取提供先验知识;提出随机共振来检测复杂海洋环境噪声下的甚低频信号,分析列维噪声下的2阶随机共振方法;推导列维噪声下随机共振系统匹配参数,建立2阶双稳态匹配随机共振信号检测系统。仿真实验结果表明:2阶匹配随机共振检测器比传统相关检测器的检测性能优越很多;在虚警概率0.01条件下要使得检测概率达到0.9,比相关检测器所需输入信噪比降低10 dB.通过外场湖中试验,验证了该系统对水下移动航行器产生甚低频声信号的有效检测。

关键词：潜艇海洋环境甚低频信号水下目标探测水声信号处理列维噪声随机共振