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自由运动状态下二维机翼入水问题研究

华中科技大学学报(自然科学版) 2024年

作者：董力阳魏照宇姚宝恒连琏上海交通大学海洋学院上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

采用全非线性边界元理论方法，对二维NACA0012翼型自由运动状态下的入水过程进行仿真研究。物面形状与自由液面均为全非线性边界条件，采用在时域步进的局部坐标系方法对曲面边界与时变自由液面的交点进行更新，并用截断方法处理射流区... 详细信息

采用全非线性边界元理论方法，对二维NACA0012翼型自由运动状态下的入水过程进行仿真研究。物面形状与自由液面均为全非线性边界条件，采用在时域步进的局部坐标系方法对曲面边界与时变自由液面的交点进行更新，并用截断方法处理射流区域。首先，对不同约束条件下机翼的入水过程展开数值模拟。然后，对不同密度、弦长工况的模拟结果进行对比，给出了自由液面变形、压力分布、受力、附加质量、速度、加速度等结果。结果表明，在入水过程后期，自由入水工况下机翼的压力与受力均大于匀速工况，同一位置的自由液面变形差距较小；不同密度的机翼入水的自由液面变形、受力与压力分布的差别较小，但运动加速度差距较大；弦长更大的机翼入水的运动速度增大越快，受力和首部压力也越大；无因次附加质量仅与机翼入水的浸深有关。

关键词：二维全非线性边界元法入水砰击 NACA机翼自由落体

基于ASNLS算法的智能浮标浮潜模型参数辨识

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中国舰船研究 2024年第2期19卷 13-20页

作者：钟一鸣于曹阳曹军军姚宝恒连琏上海交通大学海洋学院上海200030 上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海200240

[目的]针对智能浮标大深度浮潜模型难以精确量化的问题,提出一种抗数据饱和及测量噪声的最小二乘算法(ASNLS),以实现浮潜多参数识别及深度预测。[方法]首先,在智能浮标浮潜运动灰箱模型中引入其执行机构的非线性动作特性以契合实际模型... 详细信息

[目的]针对智能浮标大深度浮潜模型难以精确量化的问题,提出一种抗数据饱和及测量噪声的最小二乘算法(ASNLS),以实现浮潜多参数识别及深度预测。[方法]首先,在智能浮标浮潜运动灰箱模型中引入其执行机构的非线性动作特性以契合实际模型,并将连续型浮潜运动方程转化为离散模式以匹配实际离散的数据采样方式;然后,将离散型运动方程构造为基于相关函数的表达形式,以减弱噪声对参数辨识的影响;最后,通过调整协方差矩阵的取值,实现该浮潜参数辨识算法的抗数据饱和功能。[结果]基于2021年智能浮标在南海的大深度试验数据,开展了浮潜运动模型参数辨识及深度预测,验证结果表明:相较于传统的最小二乘算法及支持向量机算法,ASNLS算法的收敛速度更快(较最小二乘算法提高了31.8%)、深度预测误差更小(不同深度下的平均绝对百分比误差均小于9%)。[结论]ASNLS算法可为智能浮标的深度控制和预报提供有效的浮潜模型支撑。

关键词：智能浮标参数辨识抗数据饱和及测量噪声的最小二乘算法运动预测数据饱和

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基于机器学习的弯管固液两相流流动特性研究

力学学报 2024年第3期56卷 613-625页

作者：肖盛鹏朱宏博周岱包艳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

管道水力输送是工业中常见运输方式,具有运输距离长、安全性高、运营和维护成本低、环境友好和布置灵活的优点,当前关于管道系统内水平、倾斜和垂直管道的两相流流动特征研究较多,而关于系统内弯曲段管道研究较少,亟需明确该段的两相流... 详细信息

管道水力输送是工业中常见运输方式,具有运输距离长、安全性高、运营和维护成本低、环境友好和布置灵活的优点,当前关于管道系统内水平、倾斜和垂直管道的两相流流动特征研究较多,而关于系统内弯曲段管道研究较少,亟需明确该段的两相流流动机理及辨明该段的磨损机制,并作出准确预测.本研究首先采用欧拉-拉格朗日框架下的CFD-DEM耦合方法,针对弯曲管道压降和磨损率,探究了弯曲角度、弯曲半径、输入速度、颗粒直径和颗粒浓度等5个因素的影响;并基于上述5个变量,通过Pairwise配对法进行工况组合并进行数值模拟计算,得到数百个可用数据;基于此数据集,开发了6个机器学习模型进行训练,比较了各自模型的准确率并得到各特征对于预测结果的相对重要性.结果表明,弯管的压降随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲角度增大而增大,与弯曲半径关系较小;磨损率随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲半径的增大而增大,随弯曲角度的增大,在90°前先略有下降,在90°后增大.最佳的机器学习模型对压降和磨损率的预测准确率评估指标R2(越接近1越准确)分别在0.96和0.99左右,具有较好的预测能力,可用于多参数影响下的弯曲管道固液两相流水力压降及管壁磨损率的预测,且计算发现输入速度和颗粒浓度分别是对压降和磨损率预测的影响程度最大的因素.

关键词：弯管水力输送 CFD-DEM 机器学习压降磨损率

基于振动信号PSD-SVM方法的不定负荷下柴油机气阀间隙异常故障诊断

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振动与冲击 2024年第2期43卷 299-305页

作者：聂浩淼车驰东上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

针对许多基于振动信号的故障诊断方法在不同负荷下的诊断不全面的问题。提出了一种基于功率谱密度(power spectral density,PSD)与支持向量机(support vector machine,SVM)的故障诊断方法。该方法将振动信号功率经过滑动平均滤波(moving... 详细信息

针对许多基于振动信号的故障诊断方法在不同负荷下的诊断不全面的问题。提出了一种基于功率谱密度(power spectral density,PSD)与支持向量机(support vector machine,SVM)的故障诊断方法。该方法将振动信号功率经过滑动平均滤波(moving average filter,MAF)处理,计算样本中每个周期的标准化信号的功率谱特征,再使用核方法SVM进行特征分类,从而实现故障诊断。经过柴油机实机测试,该方法对于不同负荷下的故障识别率达到96.72%,能有效识别不同负荷下的柴油机进排气阀间隙增大故障。

关键词：故障诊断振动测试信号处理支持向量机(SVM)

基于二阶链式子区的金属拉伸试验DIC辅助测试方法

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工程力学 2024年第4期41卷 237-246页

作者：李得睿周焕新程斌上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面... 详细信息

为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面形状变化而自由变形的柔性链条来表征各阶段的试件形变。进一步通过设置多个连续且等尺寸的DIC二阶链式子区,采用DIC亚像素算法得到任意变形时刻的链式子区角点坐标,并进一步得到沿试件长度方向的柔性离散链形变结果,实现对试件各处应变、颈缩极值点等的求解,从而建立了一套完整的金属拉伸试验DIC辅助测试方法。开展了多个标准金属试件的拉伸试验,通过与引伸仪、靶标图像测量等传统方法对比,验证了该文方法对颈缩效应、弹性模量、极限伸长率、真实应力-应变曲线等金属材性指标具备较高测量精度及有效性,同时该文方法能够实现高度自动化测量,可在金属拉伸试验领域进行工业化推广普及。

关键词：金属拉伸试验数字图像相关真实应力-应变曲线颈缩效应二阶形函数

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

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振动与冲击 2024年第4期43卷 239-249页

作者：徐鸿雷波刘锦阳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discre... 详细信息

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

关键词：离散元方法(DEM) 多体动力学(MBD) 月球车耦合建模高效接触检测

计算机辅助空间结构节点智能优化设计与3D打印

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建筑结构学报 2024年第4期45卷 131-141页

作者：左文康陈满泰程斌赵金城上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室上海200240

为解决空间结构节点拓扑优化与3D打印设计制造方法参数化程度低的问题,提出了一套完整的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)工作流,用于空间结构节点智能化拓扑优化设计、数值分析和3D打印制造。首先基于... 详细信息

为解决空间结构节点拓扑优化与3D打印设计制造方法参数化程度低的问题,提出了一套完整的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)工作流,用于空间结构节点智能化拓扑优化设计、数值分析和3D打印制造。首先基于参数化平台Grasshopper建立空间结构节点的参数化一体化拓扑优化CAD程序,自动生成优化节点模型;利用Abaqus/CAE平台对优化节点进行有限元结构分析;通过Fusion 360的CAM模块完成3D打印设计仿真和生成制造文件。结合单层网壳和双层网架结构的节点实例,验证了提出的工作流的适用性。分析结果表明:智能生成的节点较传统形式节点更美观独特且具有轻质高强的特性,在相同受力工况下,优化节点的体积仅为传统空心球节点的40%~60%,其柔度、峰值位移和峰值应力等各项力学性能指标即可优于空心球节点;采用316L不锈钢材料,基于选区激光熔融3D打印工艺可实现该高性能节点的精密制造。

关键词：空间结构节点计算机辅助技术拓扑优化 3D打印

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转捩模型的离散格式对计算结果的影响研究

海洋工程 2024年

作者：麻子涵韩盼盼尤云祥上海交通大学海洋工程全国重点实验室上海交通大学海南研究院

离散格式的选取对转捩模型的计算结果具有很大的影响，尤其会影响转捩点的预测，目前鲜有文献对这一现象进行研究。为此，基于经典的转捩模型—SST γ-Reθ及SST γ开展数值计算，对经典研究算例T3A-、T3A及13.3°攻角A翼型绕流分别进... 详细信息

离散格式的选取对转捩模型的计算结果具有很大的影响，尤其会影响转捩点的预测，目前鲜有文献对这一现象进行研究。为此，基于经典的转捩模型—SST γ-Reθ及SST γ开展数值计算，对经典研究算例T3A-、T3A及13.3°攻角A翼型绕流分别进行讨论，系统性探究离散格式对转捩模型计算结果的影响。结合试验结果，对壁面摩擦阻力系数分布进行分析，评估不同离散格式对转捩过程的预测优劣。研究表明：根据离散格式的影响程度，物理量可分为三类，即速度、湍流量及转捩量。其中，速度对离散格式非常敏感，应采用二阶格式；湍流量中湍动能对离散格式不敏感，比耗散率对离散格式较为敏感，分别推荐使用一阶及二阶格式；转捩量对离散格式不敏感，推荐使用一阶格式。

关键词：转捩模型离散格式 SSTγ-Re 湍流模型 SSTγ湍流模型

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楔形物作用下加筋板结构的耐撞性

上海交通大学学报 2024年第7期58卷 1057-1066页

作者：陈虹廷赵延杰周红雨王德禹上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学海洋装备研究院上海200240 中国船舶科学研究中心江苏无锡214082 深海技术科学太湖实验室江苏无锡214082

为了预报楔形物偏心垂向准静态压载作用下船舶加筋板结构的抵抗能力,提出了新的简化解析方法,将矩形板的塑性变形区域划分为非对称的8个板块,将骨材划分为非对称的2个部分,矩形板、骨材各部分均采用直线的变形模式,从船舶碰撞内部动力... 详细信息

为了预报楔形物偏心垂向准静态压载作用下船舶加筋板结构的抵抗能力,提出了新的简化解析方法,将矩形板的塑性变形区域划分为非对称的8个板块,将骨材划分为非对称的2个部分,矩形板、骨材各部分均采用直线的变形模式,从船舶碰撞内部动力学的角度,基于刚塑性理论,考虑膜拉伸作用和弯曲作用,推导了矩形板、骨材在楔形物偏心垂向作用下发生变形损伤的抵抗力与横向变形之间的简化解析计算方法.利用非线性有限元软件Abaqus的仿真计算结果对该简化解析方法进行验证.结果表明,该简化解析方法具有较高的计算精度,从而可用于船体结构设计阶段快速预报船舶舷侧结构的耐撞性能.

关键词：结构耐撞性楔形物加筋板简化解析方法