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颗粒物沉积与平板气膜冷却耦合效应的数值研究

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航空动力学报 2024年第5期39卷 107-118页

作者：伍赫郝子晗杨星丰镇平西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 西安交通大学陕西省叶轮机械及动力装备工程实验室西安710049

基于颗粒物沉积模型与动网格技术,研究了不同冷气质量流量比与颗粒物直径下气膜冷却平板表面的沉积特性及颗粒形成沉积物后对平板气膜冷却性能的影响。结果表明:在颗粒速度较低时,冷气射流对颗粒的吹拂作用使其难以在气膜孔下游沉积,且... 详细信息

基于颗粒物沉积模型与动网格技术,研究了不同冷气质量流量比与颗粒物直径下气膜冷却平板表面的沉积特性及颗粒形成沉积物后对平板气膜冷却性能的影响。结果表明:在颗粒速度较低时,冷气射流对颗粒的吹拂作用使其难以在气膜孔下游沉积,且冷气射流结构对颗粒的阻隔与卷吸作用使得气膜孔下游两侧形成明显的脊状沉积带;平板表面的沉积效率随颗粒直径的变化呈现双峰分布;在较大的质量流量比下,冷气射流两侧拢起的脊状沉积带会使得气膜冷却效率显著提高,相比沉积前最大提升了6.15%;同时,颗粒沉积物能增强冷气的横向扩散,使得横向平均冷却效率有一定程度的提升。总体而言,颗粒沉积物对气膜冷却性能的影响由沉积分布特征与沉积量共同决定。

关键词：颗粒物沉积气膜冷却冷气质量流量比斯托克斯数动网格

等离子体作用下不同脉冲数超快激光烧蚀过程中化学反应机制的数值模拟

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机械工程学报 2024年第8期60卷 94-106页

作者：张春波吴成军袁浩天西安交通大学机械工程学院西安710049

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型... 详细信息

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型。模型考虑了等离子体对入射激光能量的吸收和散焦作用以及温度变化对表面反射率和分层吸收系数的影响,采用Maxwell-Stefan理论模拟了多元组分间的扩散现象,并利用配分函数法拟合了热化学反应速率。采用240 fs脉冲激光进行相同功率、不同脉冲数下的激光打孔试验,验证了仿真模型的有效性。试验结果表明,随着脉冲数的增加,等离子体对激光的屏蔽作用增强,烧蚀后材料表面微孔结构的直径逐渐增大,烧蚀区域的氧化物含量逐渐上升。通过仿真结果与试验结果对比可知,在表面微孔结构的直径方面,两者间的相对误差不超过5%,在表面氧化物含量方面,相对误差控制在12%以内。并且分析出当脉冲数较小时,等离子体作用较弱,热效应在激光能量中所占比例比较大,使得仿真与试验的氧化物占比误差较大。将等离子体与化学反应模块相结合,采用配分函数法求解了热化学反应速率,能够预测材料表面氧化物含量。

关键词：超快激光烧蚀多元组分扩散热化学反应等离子体

多层级异质异构吸波超材料功能化设计及熔融沉积3D打印

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机械工程学报 2024年第3期60卷 319-327页

作者：杨贞梁庆宣段玉冰刘攀王昕李涤尘西安交通大学机械工程学院西安710049

针对吸波材料向工程应用方向发展需具备轻质和宽带吸波的关键需求,提出了一种有损谐振结构和功能化介质层调控的多层级复合异质异构吸波超材料,通过对介质层进行仿生结构化设计实现吸波超材料轻量化和宽带吸波性能。将热塑性聚合物材料... 详细信息

针对吸波材料向工程应用方向发展需具备轻质和宽带吸波的关键需求,提出了一种有损谐振结构和功能化介质层调控的多层级复合异质异构吸波超材料,通过对介质层进行仿生结构化设计实现吸波超材料轻量化和宽带吸波性能。将热塑性聚合物材料和银铜合金复合制备了特定电导率的复合材料,通过优化银铜合金重量比和复合材料的打印工艺实现了谐振结构电导率的精确控制。基于此,设计了两层有损谐振结构层来调控宽带阻抗匹配和欧姆损耗,利用双材料熔融沉积3D打印工艺实现了多层级异质异构吸波超材料的可控制备。所制备的吸波超材料等效密度为0.3 g/cm3,电磁性能测试结果表明在垂直入射条件下,吸波超材料在3.8~19.24GHz频段实现了高效吸波性能。同时,电磁波在横电波(Transverse electric,TE)和横磁波(Transverse magnetic,TM)模式下、入射角在50°范围内时,吸波超材料都具有良好的宽带吸波性能。这种多层级异质异构吸波超材料的设计和制造方法为推动吸波材料向工程应用化方向发展提供了技术支撑。

关键词：多层级异质异构吸波超材料 3D打印

融合多小波分解的深度卷积神经网络轴承故障诊断方法

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西安交通大学学报 2024年第5期58卷 31-41页

作者：陶唐飞周文洁况佳臣徐光华西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049 西安交通大学机械工程学院西安710049

针对卷积神经网络及其与信号降噪预处理集成方法面临高噪声环境和低质量数据挑战时难以有效地提取信号有用特征的问题,提出了一种融合Geronimo-Hardin-Massopust多小波分解的深度卷积神经网络模型(GHMMD-DCNN)。该模型思想是将多小波包... 详细信息

针对卷积神经网络及其与信号降噪预处理集成方法面临高噪声环境和低质量数据挑战时难以有效地提取信号有用特征的问题,提出了一种融合Geronimo-Hardin-Massopust多小波分解的深度卷积神经网络模型(GHMMD-DCNN)。该模型思想是将多小波包分解与卷积神经网络深度融合,即设计多个一级多小波分解层以提取信号的低频分量和高频分量,再将多个一级多小波分解层与卷积层交替联接,使模型能够多尺度地提取并学习信号有用的时频域信息,信号分解和特征学习交替执行,进而实现强噪声鲁棒特征提取。在不同工况下的航空高速轴承振动数据上进行测试,结果表明:所提模型训练时能够快速达到稳定收敛,并且识别准确率均能达到99.9%以上;提出的方法在强噪声干扰下的故障辨识准确度和识别稳定性均优于对比方法,验证了其优秀的抗噪声干扰能力;在少训练样本测试中,提出的方法在单类训练样本数量为60时的平均诊断准确率高达91.19%,相比于其他方法最低提升了13.19%,验证了GHMMD-DCNN模型具有更优的低样本泛化能力。

关键词：多小波分解卷积神经网络深度学习轴承故障诊断

涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性研究

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西安交通大学学报 2024年第7期58卷 170-178页

作者：范博超张小栋熊逸伟黄鑫戴飞西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049

针对叶尖定时故障诊断方法在检测叶片裂纹时仅关注一维信息、提取故障特征有限的不足,利用叶尖间隙具有三维特征的特点,提出了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统的三维叶尖间隙(3D-BTC)有限元模型。以该模型为基础,分析了航空发动机涡轮... 详细信息

针对叶尖定时故障诊断方法在检测叶片裂纹时仅关注一维信息、提取故障特征有限的不足,利用叶尖间隙具有三维特征的特点,提出了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统的三维叶尖间隙(3D-BTC)有限元模型。以该模型为基础,分析了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角对三维叶尖间隙的影响规律。首先,建立了航空发动机涡轮叶-盘-轴耦合系统有限元模型;其次,在叶片尾缘处引入贯穿裂纹,通过瞬态动力学分析计算了在不同横滚角、俯仰角裂纹作用下叶片的变形;最后,采用三维叶尖间隙计算方法获取了叶片三维叶尖间隙时域波形及频谱,研究了航空发动机涡轮叶片裂纹方位角的三维叶尖间隙动态响应特性。计算结果表明:裂纹的出现会降低叶片刚度,从而影响叶片的三维叶尖间隙;叶片三维叶尖间隙随裂纹横滚角的增大而减小,随裂纹俯仰角的增大先减小后增大;随着裂纹两类方位角变化,不同测点位置的叶尖径向间隙基本谐波分量峰值变化率的差值最大为6.1%,周向滑移角和轴向偏转角基本谐波分量峰值变化率的差值小于0.12%,可见综合三维叶尖间隙能够更准确地反映裂纹信息。

关键词：涡轮叶片裂纹三维叶尖间隙动态响应特性有限元分析

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装配体结构与装配界面材料刚度协同优化方法

机械工程学报 2024年第11期60卷 53-61页

作者：周意葱林起崟王晨邵衡洪军西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049 西安交通大学机械工程学院西安710049

接触问题的高度非线性使得同时实现装配结构高材料利用率与接触界面均匀应力分布并非易事,现有考虑接触界面应力分布的结构拓扑优化大多需要较复杂的处理过程及较大的计算资源。针对该问题,提出装配体结构与材料刚度协同优化思路;采用... 详细信息

接触问题的高度非线性使得同时实现装配结构高材料利用率与接触界面均匀应力分布并非易事,现有考虑接触界面应力分布的结构拓扑优化大多需要较复杂的处理过程及较大的计算资源。针对该问题,提出装配体结构与材料刚度协同优化思路;采用先结构拓扑优化后材料刚度优化的顺序优化策略,先通过结构拓扑优化实现装配结构的高材料利用率,再以结构拓扑优化后的输出作为材料刚度优化的输入,通过材料刚度优化实现接触界面的均匀应力分布;该思路具有可直接采用成熟拓扑优化方法而无须进行复杂处理以考虑接触非线性的特点。进一步建立接触问题中的结构拓扑与材料刚度协同优化模型,提出基于Von Mises应力的结构拓扑与材料刚度协同优化方法,优化过程中无须进行敏度分析。最后以典型弹性-刚性装配结构与弹性-弹性装配结构为设计对象,进行结构拓扑与材料刚度协同优化应用验证。

关键词：结构拓扑优化材料刚度优化协同优化接触应力

联合经验模式分解和混沌理论的稳态视觉诱发电位脑电识别

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西安交通大学学报 2024年第6期58卷 34-42页

作者：郭晓冰徐光华李辉谢杰仁江翰立张四聪西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室西安710049 西安交通大学第一附属医院西安710061

针对多目标稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号识别准确率低、线性识别方法抑制噪声的同时也会抑制信号本身特征等问题,基于经验模式分解对信号的降噪特性、达芬混沌系统对微弱周期信号的敏感性及噪声的免疫特性,提出了一种非线性多目标SSVEP... 详细信息

针对多目标稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号识别准确率低、线性识别方法抑制噪声的同时也会抑制信号本身特征等问题,基于经验模式分解对信号的降噪特性、达芬混沌系统对微弱周期信号的敏感性及噪声的免疫特性,提出了一种非线性多目标SSVEP信号识别算法。首先,采用共平均参考算法将多通道SSVEP信号融合成单通道信号,通过傅里叶变换求得SSVEP信号的相位谱,为达芬混沌系统周期策动力添加相位;接着,采用经验模式分解降噪,将获得的第一个本征模函数输入到达芬混沌系统中,利用基于频谱差异的混沌系统状态判别方法,求解各目标的刺激频率幅值;最后,根据最大刺激频率幅值确定刺激目标,实现了对多目标SSVEP信号的识别。研究结果表明:相较于典型相关分析法,所提非线性信号处理方法的平均识别准确率提高了7.3%,平均信息传输速率提高了3.84bit/min。该研究为探究非线性SSVEP信号解码算法提供了新方向。

关键词：稳态视觉诱发电位达芬混沌系统非线性信号处理经验模式分解

面向航空复杂零件智能工艺规划的孪生工艺模型构建与应用研究

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机械工程学报 2024年第6期60卷 32-43页

作者：张超周光辉李晶晶魏智博秦天宇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710054

针对航空制造企业以人工经验为主的试错型工艺规划方式及工艺设计与加工过程缺乏协同导致的航空复杂零件工艺方案设置不合理、加工过程调整不及时、几何精度与物理性能指标调控难等问题,通过引入数字孪生技术,构建面向航空复杂零件智能... 详细信息

针对航空制造企业以人工经验为主的试错型工艺规划方式及工艺设计与加工过程缺乏协同导致的航空复杂零件工艺方案设置不合理、加工过程调整不及时、几何精度与物理性能指标调控难等问题,通过引入数字孪生技术,构建面向航空复杂零件智能工艺规划的新型孪生工艺模型及其参考框架。据此,从实测数据、质量信息和工艺知识融合的角度,提出孪生工艺模型数据空间、虚拟空间和知识空间的构建方法,明晰加工过程几何误差与物理性能指标使能的孪生工艺模型多维空间协同演进机制,实现工艺设计与加工过程的联动优化。进一步以航空薄壁件为例,实现孪生工艺模型的原型开发,并探索孪生工艺模型的典型应用场景,为航空制造企业革新工艺规划方式、实现工艺设计与加工过程的联动优化提供支撑。

关键词：数字孪生智能工艺规划孪生工艺模型质量调控航空复杂零件智能决策

压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置研究

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西安交通大学学报 2024年第1期58卷 178-186页

作者：陈敬李敏何国璎张超宙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

为解决手康复训练中指尖触觉刺激装置刺激形式单一、体积与质量过大、刺激效果不佳的问题,提出了一种压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置。首先,分析人体指尖曲面特征,设计多接触面的气动压觉反馈装置,包括中央、指尖、两侧共计4... 详细信息

为解决手康复训练中指尖触觉刺激装置刺激形式单一、体积与质量过大、刺激效果不佳的问题,提出了一种压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置。首先,分析人体指尖曲面特征,设计多接触面的气动压觉反馈装置,包括中央、指尖、两侧共计4个气室;然后,设计电极阵列模块,采用电刺激实现滑觉、粗糙度的反馈,建立人体阻抗模型确定供电电压等电刺激参数,并通过仿真验证;最后,采用柔性材料分别打印制作气动压觉执行器和电极阵列,集成的触觉反馈装置质量为14.8 g,尺寸为40 mm长、30 mm宽。实验结果表明,气动压觉反馈装置的线性度较高、迟滞小,单腔力反馈最大为12 N;电刺激装置的粗糙度识别准确率达到100%,滑觉粗糙识别率超过80%。设计的装置可以同时提供给用户指尖精确的压觉、滑觉以及粗糙度的触觉反馈,并且质量轻、体积小、反馈力大,对多模态触觉反馈装置具有一定的参考价值,有应用于脑卒中患者康复训练的潜力。

关键词：触觉反馈电刺激气动压觉反馈多模态