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壁湍流摩阻时空信号无接触测量实验研究

实验流体力学 2024年第4期38卷 66-74页

作者：陈纪仲田海平丁俊飞马国祯陈怡纯太原理工大学航空航天学院太原030024 太原理工大学力学国家级实验教学示范中心太原030024

壁湍流摩擦阻力的产生机理与实验测量是壁湍流基础研究中的重要课题,关系到流动减阻发展和工程技术变革。在壁湍流复杂相干结构迁移演化过程中,会引起内外区强烈的动量交换,使黏性底层速度梯度呈现时空变化,即局部摩擦阻力与相干结构迁... 详细信息

壁湍流摩擦阻力的产生机理与实验测量是壁湍流基础研究中的重要课题,关系到流动减阻发展和工程技术变革。在壁湍流复杂相干结构迁移演化过程中,会引起内外区强烈的动量交换,使黏性底层速度梯度呈现时空变化,即局部摩擦阻力与相干结构迁移演化呈现时空关联特性。目前鲜有实验测量技术能同时对摩擦阻力时空信号及与其关联的湍流结构发展演化过程进行精准、同步的测量。作为一种无接触的流场测量方法,PIV在摩擦阻力测量方面不断被寄予厚望。本文基于高时空分辨率2D2C TRPIV时序流场的粒子图像数据,开发了一种可调时空分辨率互相关算法(Adjustable Spatio-Temporal Resolution Cross Correlation,ASTRCC)。利用该算法计算了具有高时空分辨率的壁面摩擦阻力,探究了摩擦阻力的空间波动性与时间延迟性,并从时空演化角度探索了壁湍流相干结构与局部流场摩擦阻力的时空关联特性,验证了该算法的正确性。

关键词：壁面摩擦阻力时空演化湍流相干结构粒子图像测速可调时空分辨率互相关算法

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神秘“海底怪圈”背后的流体力学智慧

力学与实践 2024年第1期46卷 216-221页

作者：陈怡纯金梓谦姜楠田海平太原理工大学力学国家级实验教学示范中心太原030024 天津大学力学系天津300072

神秘“海底怪圈”是白斑窄额鲀为求偶、繁衍而在海底创作的异常精美的鱼类巢穴。文章介绍了“海底怪圈”的结构特点及形成过程,结合其他鱼类巢穴,对比探讨了其背后的流动奥秘,并进一步畅谈了该结构形貌可能的工程应用场景。

关键词：海底怪圈白斑窄额鲀巢穴流动特性

结构参数对射流振荡器流体动力学特性影响的数值研究

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太原理工大学学报 2024年

作者：郭敏慧田海平马国祯范时金太原理工大学航空航天学院太原理工大学力学国家级实验教学示范中心

【目的】射流振荡器是一种依靠自身结构产生周期性射流的流动控制装置，其流动特性与外形结构密切相关。【方法】采用数值方法研究了长径比α、缩放比β、入口喉道宽度比γ以及反馈通道宽度比?等4种不同结构参数对射流振荡器流动特性的... 详细信息

【目的】射流振荡器是一种依靠自身结构产生周期性射流的流动控制装置，其流动特性与外形结构密切相关。【方法】采用数值方法研究了长径比α、缩放比β、入口喉道宽度比γ以及反馈通道宽度比?等4种不同结构参数对射流振荡器流动特性的影响。同时，开发了一种评估涡流随时间发展演化的方法，用于从旋涡动力学角度探索关键结构参数对射流振荡器的影响机制。【结果】结果表明：某一类结构参数变化时，入口速度不影响该结构参数变化规律；长径比α与缩放比β对射流振荡器振荡频率的影响较为敏感，而入口喉道宽度比γ以及反馈通道宽度?则不明显。长径比α3时为周期性振荡平稳区。缩放比β与振荡频率在研究区间1力学分析显示：随着长径比α的增大，射流振荡器中反馈流对改变主射流方向的能力减弱且涡流发展演化的能力减弱，因此振荡频率随之减小。而随着缩放比β增大，射流振荡器内外部涡流面积增大，因此其涡流生成演化的时间变长，从而引起振荡频率减小。【结论】结构参数研究对射流振荡器的个性化优化设计及应用提供了理论基础。

关键词：射流振荡器结构参数振荡频率长径比缩放比

改进的基于贝叶斯框架和Lamb波的复合材料损伤定位方法

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应用力学学报 2024年第3期41卷 499-508页

作者：范朝珠李志强刘鹏王菡太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学航空航天学院太原030024 太原理工大学力学国家级实验教学示范中心太原030024

研究了一种改进的在贝叶斯框架下将椭圆轨迹法与概率成像法进行概率集成的重构算法,通过研究Lamb波在复合材料层合板上的传播特性,对重构算法进行改进,解决了原有算法对于传感器网络边缘的分层损伤定位不准确的问题。本研究还以曲面复... 详细信息

研究了一种改进的在贝叶斯框架下将椭圆轨迹法与概率成像法进行概率集成的重构算法,通过研究Lamb波在复合材料层合板上的传播特性,对重构算法进行改进,解决了原有算法对于传感器网络边缘的分层损伤定位不准确的问题。本研究还以曲面复合材料层合板为例,进行了几种不同分层损伤工况下的有限元分析,提出了权重系数β,为该方法应用在曲面复合材料层合板上提供了可靠的解决方法。结果表明,改进的重构算法可以实现对传感器网络边缘分层损伤和曲面复合材料板分层损伤的精准定位,定位的绝对误差小于1 cm。

关键词：复合材料分层损伤贝叶斯损伤成像信号处理

氢燃料重卡的动力电池LSTM温度预测模型研究

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机械设计与制造 2024年

作者：李昊孙桓五刘世闯闫志远太原理工大学机械与运载工程学院太原理工大学煤炭资源开采利用与装备工程国家级实验教学示范中心

氢燃料电池重卡动力源多采用燃料电池为主，动力电池为辅的形式，因其工况复杂，导致动力电池表面温度难以及时预测，本文采用Adam与模拟退火衰减学习率复合优化长短期记忆神经网络(LSTM)，建立了以动力电池外表面温度为对象的预测模型... 详细信息

氢燃料电池重卡动力源多采用燃料电池为主，动力电池为辅的形式，因其工况复杂，导致动力电池表面温度难以及时预测，本文采用Adam与模拟退火衰减学习率复合优化长短期记忆神经网络(LSTM)，建立了以动力电池外表面温度为对象的预测模型。由于LSTM神经网络其自身独特的门控机制和全局处理能力，将动力电池的外表面温度与电流的大小、充放电时间、温度（环境、历史）建立非线性关系。经过7种环境温度下的模拟工况实验，验证了该模型可以准确的预测电池表面温度，减少了BP神经网络模型和RNN神经网络模型中的梯度消失和梯度爆炸现象，并解决了在频繁大电流充放电循环中的预测模型误差偏大、损失函数收敛较慢等问题。本研究采用了一种全新的方法对动力电池表面温度进行了预测。

关键词：氢燃料重卡长短期记忆网络锂离子电池温度预测模型深度学习

7075-T6铝合金在Taylor冲击实验中的宏观力学响应及细观结构演化

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热加工工艺 2024年第14期53卷 79-86页

作者：赵英杰胡广马胜国张团卫赵聃王志华太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所山西太原030024 材料强度与结构冲击山西省重点实验室山西太原030024 太原理工大学力学国家级实验教学示范中心山西太原030024

将实验和晶体塑性有限元(CPFEM)方法相结合,研究了7075-T6铝合金在Taylor冲击实验中的宏观力学响应以及其细观结构的演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对实验前7075-T6铝合金的细观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则在CPFEM... 详细信息

将实验和晶体塑性有限元(CPFEM)方法相结合,研究了7075-T6铝合金在Taylor冲击实验中的宏观力学响应以及其细观结构的演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对实验前7075-T6铝合金的细观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则在CPFEM模型中引入位错密度作为内部状态变量,并结合动态压缩实验得到的应力-应变曲线确定7075-T6铝合金相关的模型参数。结果表明:考虑位错密度的CPFEM模型可有效地描述7075-T6铝合金在不同速度Taylor冲击实验中的宏观和微观力学响应。与实验结果对比,CPFEM模型合理地预测了冲击后子弹的外部轮廓变化,其预测的撞击面半径和子弹剩余长度与实验结果误差均在10%以内。此外,CPFEM模型预测7075-T6铝合金冲击后的织构演化同动态冲击后结果大致相同,均表现为生成了较多的R-Cube织构和Goss织构,而Cube织构和Cu织构大量减少。随着冲击速度的增加,R-Cube织构、S织构的体积分数逐渐增大,Cube织构、Cu织构和Brass的体积分数逐渐减少。同时,CPFEM模型预测到撞击后子弹颈缩段的产生。随着冲击速度的增加,子弹的对数应变和位错密度均有上升,最大值均出现在撞击面;在同一速度下,撞击面上外表面处平均位错密度的值小于轴心处的值。

关键词：晶体塑性有限元 Taylor冲击位错密度织构

腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合

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机械工程学报 2024年第5期60卷 107-118页

作者：周祖意杨玉维齐文耀龚健超李照童天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学) 天津300384

针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合... 详细信息

针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合性能优化及其方法研究。首先,基于相关离体生物力学实验数据,构建人体腰椎仿生等效复合刚度力学模型,进而于人体矢状面内搭建人机穿戴并联系统多刚-柔体正动力学模型;其次,旨在腰部外骨骼机器人性能优化综合的有效实现,提出一种新型动力学综合性能评价指标——仿生承载舒适度;再次,相对于柔性逆动力学频域法求解的非因果复杂性,提出一种通过正动力学线性优化迭代逼近多刚-柔体动力学逆解的等效方法,以实现外骨骼机器人穿戴前后人体胸椎运动轨迹的一致性;最后,深入开展人机穿戴并联多刚-柔体系统仿生综合性能优化研究,进而得到外骨骼机器人最优设计参数组。仿真结果表明:外骨骼机器人穿戴前后,在保障人体胸椎在矢状面内弯曲角度轨迹误差极小(4.5×10^(-6)(^(o)))工况下,人体等效受力较穿戴前得到明显改善;优化后的外骨骼机器人穿戴舒适性指标明显提升,从而证明了腰部外骨骼机器人具有较好的动力学仿生综合性能,以及所采用研究方法的合理有效性。同时,优化后的系统设计参数对后续腰部外骨骼机器人物理样机的建造及相关实验的开展具有重要意义。

关键词：腰部无动力外骨骼机器人多刚-柔体正动力学等效逆动力学仿生承载舒适度综合性能优化

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融合滑动注意力机制的钢带缺陷检测算法

太原科技大学学报 2024年第3期45卷 263-270页

作者：赵文晶太原理工大学工程训练国家级实验教学示范中心太原030024

针对工业钢带表面缺陷检测存在的小目标识别率差、检测精度低等问题,提出一种融合滑动注意力机制的钢带缺陷检测算法。首先,构建融合滑动注意力主干网络,建模局部自注意力机制全局上下文;其次,提出基于内容重组的上采样算子,通过模型感... 详细信息

针对工业钢带表面缺陷检测存在的小目标识别率差、检测精度低等问题,提出一种融合滑动注意力机制的钢带缺陷检测算法。首先,构建融合滑动注意力主干网络,建模局部自注意力机制全局上下文;其次,提出基于内容重组的上采样算子,通过模型感受野的提升捕获目标周围特征信息;最后,通过可自适应学习的参数引导特征融合模块,抑制模型在训练过程中由于梯度反传而导致的不一致性。工业钢带数据集NEU-DET上的实验结果表明,所提检测算法能够在牺牲较少检测速度的情况下,提升均值平均精度至83.2%.

关键词：缺陷检测注意力机制钢带自适应空间特征融合

基于三周期极小曲面法骨小梁支架的设计与性能研究

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生物医学工程学杂志 2024年第3期41卷 584-594页

作者：门玉涛汤绍灿陈炜刘福龙张春秋天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384

三周期极小曲面(TPMS)可以通过公式精确地控制多孔支架的形态而被广泛应用。本文构建一种I型包装(I-WP)型多孔支架,采用有限元法研究壁厚和周期与支架形态和力学性能的关系,并进行压缩和流体性能的研究。研究发现,不同壁厚(0.1~0.2 mm)... 详细信息

三周期极小曲面(TPMS)可以通过公式精确地控制多孔支架的形态而被广泛应用。本文构建一种I型包装(I-WP)型多孔支架,采用有限元法研究壁厚和周期与支架形态和力学性能的关系,并进行压缩和流体性能的研究。研究发现,不同壁厚(0.1~0.2 mm)、不同周期(I-WP 1~I-WP 5)的I-WP型支架孔隙率在68.01%~96.48%范围内,等效弹性模量为0.655~18.602 GPa;随着周期和壁厚的增加,支架应力分布趋于均匀;拓扑优化后I-WP型支架等效弹性模量基本不变,渗透性提升52.3%。综上,对于I-WP型支架可以先调控周期参数,后调控壁厚参数,结合拓扑优化来达到设计要求。本文构建的I-WP型支架具有良好的力学性能,且满足修复人体骨组织的需求,为人工骨小梁支架的设计提供一种新选择。

关键词：三周期极小曲面多孔支架拓扑优化结构强度渗透性