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含局部缺陷的成对角接触球轴承接触载荷分析

航空动力学报 2024年第9期39卷 348-363页

作者：许恩典徐腾飞杨利花李子航胡禧龙王浩泽西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 西安交通大学陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049 西安交通大学航天航空学院西安710049

建立了外滚道含局部缺陷的成对角接触球轴承(DACBBs)准静态力学模型,并考虑了缺陷深度、周向宽度以及轴承的时变特性。在此基础上,对纯径向和联合载荷两种工况下局部缺陷的尺寸和位置对DACBBs内部接触载荷的影响进行了系统研究。结果表... 详细信息

建立了外滚道含局部缺陷的成对角接触球轴承(DACBBs)准静态力学模型,并考虑了缺陷深度、周向宽度以及轴承的时变特性。在此基础上,对纯径向和联合载荷两种工况下局部缺陷的尺寸和位置对DACBBs内部接触载荷的影响进行了系统研究。结果表明:接触载荷对缺陷非常敏感,当左右列轴承分别或共同含局部缺陷时,轴承两列的载荷分布有较大差异。含缺陷的那列轴承载荷分布会产生局部突变现象,突变的幅值和宽度随缺陷尺寸的增大而增大,而不含缺陷的另一列轴承突变很小。另外,成对轴承应视为整体进行研究分析,不同安装方式下,缺陷产生的影响也有较大差异。当前研究对揭示DACBBs的失效机制、可靠性分析以及设计具有重要意义。

关键词：成对角接触球轴承(DACBBs) 局部缺陷接触载荷分布接触角分布安装方式

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微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

力学学报 2024年第5期56卷 1317-1327页

作者：申峰张杰艾明珠张越东刘赵淼北京工业大学数学统计学与力学学院北京100124 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微... 详细信息

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

关键词：微流控技术粒子分选微凹槽粒子捕获涡胞

颗粒材料各向异性弹性波速与微观组构CT试验研究

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岩土工程学报 2024年第7期46卷 1398-1407页

作者：梁晓敏顾晓强翟崇朴魏德亨同济大学地下建筑与工程系岩土与地下工程教育部重点实验室上海200092 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西西安710049 Institute of Geomechanics and Underground Technology RWTH Aachen UniversityAachen 52074

针对颗粒材料的各向异性力学特征,利用带有两对弯曲元波速传感器的GDS圆柱扭剪仪,从宏观上研究了不同应力条件下聚氯乙烯颗粒试样中不同方向压缩波和剪切波的波速特征及波速各向异性程度的演化规律。同时,结合X射线CT扫描技术重构试样... 详细信息

针对颗粒材料的各向异性力学特征,利用带有两对弯曲元波速传感器的GDS圆柱扭剪仪,从宏观上研究了不同应力条件下聚氯乙烯颗粒试样中不同方向压缩波和剪切波的波速特征及波速各向异性程度的演化规律。同时,结合X射线CT扫描技术重构试样的三维结构模型,提取了接触配位数、接触法向、颗粒长轴方向等微观组构参数,并分析了其随应力状态改变的变化规律,从微观层面揭示了宏观波速各向异性演化的内在机理。研究结果表明:等向固结应力条件下,试样中波速呈现出显著的初始各向异性,即水平向波速大于竖向波速,与颗粒长轴分布对波速的影响程度大于接触法向有关;在水平向应力不变的不等向固结应力条件下,竖向波速随竖向与水平向应力比的增加而增加,水平向波速则随应力比增加先保持不变后减小,波速的减小与接触配位数的降低有关。同时,随应力比增加,应力修正后竖向波速与水平向波速的比值先基本不变后逐渐增加并趋近于1.0,这与颗粒长轴及接触法向各向异性的演化有关。

关键词：组构弹性波速各向异性 X射线CT扫描三维重构应力比

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乘员行为对客舱流场与温度场分布的影响

工程热物理学报 2024年第1期45卷 255-262页

作者：余忠豪张超肖光明杜雁霞桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展... 详细信息

飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础,由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题,目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法 (HTLBM)和GPU加速技术,发展了工程适用的舱内混合对流数值模拟方法,并开展了典型算例验证。以某民航飞机客舱为研究对象,对比分析了乘员行为对客舱内流场及温度场分布的影响规律。结果表明,过道位置有乘员站立时显著改变大尺度环流,增大了乘客位置自锁区域的形成,并进风口射流轨迹偏转,导致热量在过道附近聚集。

关键词：客舱气流组织混合热格子玻尔兹曼方法乘员行为热羽流气流自锁

基于离散元-机器学习的铝土矿矿柱强度预测方法

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煤炭学报 2024年第7期49卷 3038-3050页

作者：朱德福王德玉于彪彪太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024 西安交通大学航天航空学院陕西西安710049 广铝集团有限公司广东广州510450

矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸... 详细信息

矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸参数(长、宽、高)作为影响因子,开发了Grasshopper参数化建模电池组,实现了等块体密度的矿柱黏合块体模型(BBM)的参数化构建,结合矿体节理分布特征实测结果,利用3DEC程序构建了300组黏合块体-离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱离散元数值模型,开展了矿柱承载特性试验,监测并建立了机器学习数据集,且验证了此数据集的可靠性;分别以支持向量机(SVM)、BP神经网络、随机森林(RF)、高斯过程回归(GPR)4种算法构建了矿柱强度预测模型,根据回归类模型评价指标(判定系数R2、可解释方差E_(EVS)、平均绝对误差E_(MAE)、均方误差E_(MSE))开展了最优模型的评选,结合改进的量子粒子群智能优化算法(IQPSO)进一步优化模型,利用该模型建立了矿柱影响因子与强度之间的非线性映射关系。研究表明:由矿柱强度参数化模拟结果可知,随着矿柱宽高比增加强度显著提升,长宽比对强度影响幅度相对较小,当矿柱高度和横截面积相同时,不同截面矿柱承载能力依次为:正方形>长方形;当矿柱宽高比大于1时,方形截面矿柱强度影响因子敏感性主次顺序为:矿柱宽(长)度>矿柱高度;根据机器学习算法指标综合评价,SVM模型是矿柱强度预测的最佳模型(R^(2)=0.953、E_(EVS)=0.953、E_(MAE)=0.608、E_(MSE)=0.551),结合IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.985、E_(EVS)=0.986、E_(MAE)=0.373、E_(MSE)=0.239);将IQPSO-SVM矿柱强度预测值与3种经典硬岩矿柱强度公式计算结果进行了讨论分析,得出了Hedley公式针对铝土矿强度计算不适用,Krau-land公式适用于宽高比小于4时,Esterhuizen公式可通过调整不连续因子(F)进行较为准确的强度计算。研究成果为硬岩矿柱强度的预测提供了一种解决方案,拓宽了矿柱(群)稳定性评价的思路。

关键词：铝土矿矿柱强度离散元方法机器学习矿柱(群)稳定性

各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响

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空气动力学学报 2024年第1期42卷 55-66,I0002页

作者：张超孔祥壮杜雁霞王娴肖光明西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049 空天飞行空气动力科学技术全国重点实验室绵阳621000

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速... 详细信息

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性Kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小Kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

关键词：各向异性 Kelvin泡沫流动阻力综合传热因子

基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计

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航空学报 2024年

作者：姜璐璐潘鑫蒋伟冯瑞陈刚机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安交通大学航天航空学院北京空间机电研究所

超声速降落伞作为提供气动阻力和稳定性的重要气动减速系统，其设计好坏直接影响着探测器着陆任务的成败。适应不同气动性能需求的降落伞结构参数通常是相互矛盾的，为了解决火星降落伞在外形设计时的结构参数矛盾，以及设计周期长、计... 详细信息

超声速降落伞作为提供气动阻力和稳定性的重要气动减速系统，其设计好坏直接影响着探测器着陆任务的成败。适应不同气动性能需求的降落伞结构参数通常是相互矛盾的，为了解决火星降落伞在外形设计时的结构参数矛盾，以及设计周期长、计算误差大的问题，本研究提出了一种面向探测器-降落伞双体模型的融合代理优化策略。融合代理模型集成了插值型代理模型和回归型代理模型的优点，能够在相同样本的条件下具备更高的气动力系数预测精度。通过采用融合代理模型替代长耗时的CFD计算过程，能够缩短设计周期，提高设计效率。结合多目标遗传算法对探测器-盘缝带伞双体模型进行了优化设计，结果表明，采用融合代理优化策略能够平衡伞体的阻力性能及稳定性能，在满足结构及气动约束的前提下提升盘缝带伞的综合减速能力，具有良好的实用性和可行性。文章的研究结果可为未来新一代火星探测用超声速降落伞的设计研制提供一定的理论参考和技术储备。

关键词：融合策略火星降落伞优化设计代理模型超声速

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含纵向裂纹飞机内压壁板裂纹扩展行为研究

机械强度 2024年第3期46卷 559-567页

作者：秦剑波王锋吕品侯成范学领中航工业第一飞机设计研究院西安710000 西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室西安710000

飞机机身壁板裂纹扩展分析是飞机损伤容限设计的重要任务之一。从损伤容限试验与有限元仿真两方面分析了含纵向裂纹飞机机身内压壁板的裂纹扩展行为与剩余强度特征。采用卧式自平衡试验装置对机身壁板施加内压载荷,以分析壁板的损伤容... 详细信息

飞机机身壁板裂纹扩展分析是飞机损伤容限设计的重要任务之一。从损伤容限试验与有限元仿真两方面分析了含纵向裂纹飞机机身内压壁板的裂纹扩展行为与剩余强度特征。采用卧式自平衡试验装置对机身壁板施加内压载荷,以分析壁板的损伤容限特性。并基于有限元方法模拟内压壁板裂纹尖端的应力场分布,基于断裂力学理论计算得到不同长度裂纹的等效应力强度因子和裂纹扩展分析结果。将裂纹扩展结果与试验结果进行对比,证明了分析方法的可行性,为飞机机身内压壁板的损伤容限分析提供参考。

关键词：裂纹扩展损伤容限机身内压壁板应力强度因子

考虑数据补偿的光流算法及其在核电管道振动监测中的应用

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工程力学 2024年

作者：张一鸣李广徐自力覃曼青何孟夫西安交通大学航天航空学院西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室核电安全监控技术与装备国家重点实验室中广核工程有限公司

针对核电管道振动监测中传统接触式传感器存在质量负载效应、测量空间分辨率低等问题，在结合光流算法和相机标定算法的基础上，考虑地基振动问题，引入数据补偿思想，提出了一种用于非接触式核电管道振动监测的考虑数据补偿的光流算法... 详细信息

针对核电管道振动监测中传统接触式传感器存在质量负载效应、测量空间分辨率低等问题，在结合光流算法和相机标定算法的基础上，考虑地基振动问题，引入数据补偿思想，提出了一种用于非接触式核电管道振动监测的考虑数据补偿的光流算法。在实验室环境下开展了模拟现场管道振动测量实验，与传统加速度传感器和激光位移传感器相比，所提算法测量得到的振动响应RMS值相对误差不超过2.8%，主频率相对误差不超过2.2%，并进行了地面噪声条件下的鲁棒性验证，针对柔性地基条件下的极端测量场景，分析了数据补偿的必要性；在核电厂现场开展了润滑油管道振动测量实验，所提算法测量得到的振动响应RMS值相对误差不超过4%，主频率相对误差不超过0.5%，并进行了振动异常捕捉。结果表明，所提算法能够在非接触、无标记条件下实现核电管道振动响应的高精度测量，在地面噪声环境中仍然具有较高的可靠性，且具有良好的振动异常识别能力。

关键词：振动监测核电管道光流算法相机标定数据补偿