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轮轨激励与气动载荷对高速列车转向架结构载荷的分量贡献研究

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中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1120-1136页

作者：袁征陈贤佳纪占玲李岑罗为李强孙守光杨国伟魏宇杰北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190 中国铁道科学院集团有限公司机车车辆研究所北京100081 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 中国科学院大学工程科学学院北京100049

准确认知高速列车的结构载荷来源是开展疲劳可靠性设计的基础,本文聚焦于厘清高速列车转向架结构载荷中来自轮轨激励与气动作用的分量贡献.首先通过气动-多体动力学耦合计算,得到了单列车明线运行和单列车通过隧道工况不同外载作用下的... 详细信息

准确认知高速列车的结构载荷来源是开展疲劳可靠性设计的基础,本文聚焦于厘清高速列车转向架结构载荷中来自轮轨激励与气动作用的分量贡献.首先通过气动-多体动力学耦合计算,得到了单列车明线运行和单列车通过隧道工况不同外载作用下的高速列车转向架结构载荷,进而通过计算不同外载作用下的结构载荷特征差异分析了外部载荷等因素对结构载荷特征的影响.研究表明来自轮轨的激励是决定转向架结构载荷幅值的主因,而气动载荷是引起结构载荷均值变化的关键.本文进一步通过信号分析理论中的时域贡献网络求解方法量化了不同载荷来源对结构载荷的分量贡献,发现轮轨激励在明线和隧道工况下都是转向架结构载荷的主要分量贡献;同时也注意到隧道工况下,气动载荷对结构载荷的贡献显著上升.本文厘清了不同载荷来源在两种工况下对结构载荷的影响,相关结论可为高速列车关键结构的抗疲劳设计提供依据.

关键词：高速列车转向架结构载荷分量贡献轮轨激励气动载荷气动-多体动力学耦合

带有双球面摆和变绳长效应的桥式起重机轨迹规划

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自动化学报 2024年第5期50卷 911-923页

作者：李刚马昕李轾李贻斌山东大学控制科学与工程学院机器人研究中心济南250061

带有双球面摆和变绳长效应的桥式起重机具有多输入多输出以及欠驱动的动力学特性,目前仍缺乏有效的控制策略.在台车移动、桥架移动、负载升降同步作业过程中,吊钩和负载两级球面摆动特性更为复杂,各状态量之间的非线性耦合关系更强,桥... 详细信息

带有双球面摆和变绳长效应的桥式起重机具有多输入多输出以及欠驱动的动力学特性,目前仍缺乏有效的控制策略.在台车移动、桥架移动、负载升降同步作业过程中,吊钩和负载两级球面摆动特性更为复杂,各状态量之间的非线性耦合关系更强,桥式起重机的防摆控制更具挑战性.不仅如此,现有方法无法保证桥式起重机系统全状态量的暂态控制性能.为解决上述问题,提出一种基于多项式的优化轨迹规划方法.首先,在未进行近似简化的前提下,使用拉格朗日方法建立带有双球面摆和变绳长效应的7自由度(Seven degree-of-freedom,7-DOF)桥式起重机的精确动力学模型.在此基础上,构造一组包含各状态量的辅助信号,将施加在台车、桥架、绳长以及吊钩、负载摆动上的约束转化为对辅助信号的约束,从而将桥式起重机的轨迹规划问题转化为与辅助信号相关的时间优化问题,并使用二分法求解.该轨迹规划方法不仅缩短了吊运时间,而且确保了全状态量满足约束条件.最后,仿真结果证明了动力学模型的准确性和轨迹规划方法的有效性.

关键词：欠驱动起重机多输入多输出系统轨迹规划防摆控制

基于直接概率积分法的水下航行器随机动力响应高效分析

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力学学报 2024年第6期56卷 1796-1806页

作者：陈翰澍陈国海杨迪雄傅卓佳河海大学力学与工程科学学院工程与科学数值模拟软件中心南京211100 大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024

海洋是人类的资源宝库,随着海洋资源的不断发掘,海洋资源的探测与合理开发成为了当今世界各国广泛关注的热点,水下航行器的勘测活动也随之逐渐增多.然而,海洋环境具有极强的随机不确定性,给水下航行器的操作及轨迹规划带来了巨大影响.因... 详细信息

海洋是人类的资源宝库,随着海洋资源的不断发掘,海洋资源的探测与合理开发成为了当今世界各国广泛关注的热点,水下航行器的勘测活动也随之逐渐增多.然而,海洋环境具有极强的随机不确定性,给水下航行器的操作及轨迹规划带来了巨大影响.因此,准确预测随机海洋环境中水下航行器的随机响应特性具有重要意义.以无舵桨的新型水下航行器为研究对象,基于概率守恒原理,从随机积分的全新视角,建立了随机海洋环境中水下航行器的概率密度积分方程.在此基础上,提出了一种基于分块并行计算的直接概率积分法,该方法将水下航行器系统的控制方程与概率密度积分方程解耦,通过分块并行计算,实现了随机波浪激励下新型水下航行器的随机动力响应高效分析.此外,还将提出方法的计算结果与原直接概率积分法及蒙特卡洛模拟方法的计算结果进行了比较,进一步验证了提出方法的精确性和高效性.最终研究结果表明,海浪的有义波高和流动速度是影响水下航行器响应的主要随机因素.海浪有义波高和流动速度的增加会造成水下航行器偏离预定轨迹的概率显著提高.此外,较大的海浪流动速度还会引发随机跳跃现象,从而降低水下航行器的航行安全性.

关键词：水下航行器随机响应分析分块并行计算概率密度积分方程直接概率积分法

考虑气动加热瞬态效应的复合材料壁板超音速LCO特性研究

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振动与冲击 2024年第2期43卷 315-322页

作者：刘雅婷段静波徐步青高艺航石家庄铁道大学工程力学系石家庄050043 石家庄铁道大学河北省工程力学基础学科研究中心石家庄050043 国防科技大学空天科学学院长沙410073 北京航天系统工程研究所北京100076

研究了考虑气动加热瞬态温度效应的复合材料壁板非线性热气动弹性行为。对于气动热模型,采用Eckert参考温度法计算气动加热热流,采用有限差分法求解包括壁板面内和贯穿厚度方向的二维瞬态温度场。对于气动弹性模型,采用Von Karman假设... 详细信息

研究了考虑气动加热瞬态温度效应的复合材料壁板非线性热气动弹性行为。对于气动热模型,采用Eckert参考温度法计算气动加热热流,采用有限差分法求解包括壁板面内和贯穿厚度方向的二维瞬态温度场。对于气动弹性模型,采用Von Karman假设来描述复合材料壁板的大挠度变形,采用一阶活塞理论描述超音速气动力。在该方法验证后,给出了考虑气动加热瞬态效应下的复合材料壁板瞬态温度响应和气动弹性极限环振荡(limit cycle oscillation,LCO)响应,并与壁板在稳态温度场中的气动弹性LCO响应进行对比分析。重点讨论了考虑气动加热产生的瞬态温度效应下斜激波、来流动压、传热系数和初始干扰力等因素对复合材料壁板超音速热气动弹性LCO响应和瞬态温度场的影响规律。

关键词：复合材料壁板超音速颤振瞬态热传导气动加热

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连接结构界面摩擦力学建模研究进展

力学进展 2024年第3期54卷 477-521页

作者：沈民民杨晓东北京工业大学力学系北京100124

连接结构作为工业装备的核心部件之一,是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件.当前,因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明,导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在... 详细信息

连接结构作为工业装备的核心部件之一,是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件.当前,因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明,导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难,成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题突破的瓶颈.然而连接结构应用广泛,工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求.本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统,并提出新型连接结构设计的发展趋势.首先,根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论,综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用.其次,重点概述了连接结构界面摩擦的几类主流理论模型,包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型.然后,综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法,具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台.最后,基于装备领域连接结构多功能需求,提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想.

关键词：连接结构界面摩擦本构模型唯象模型实验测试基准

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高速气流下激光辐照金属平板热⁃力响应尺度律研究

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中国激光 2024年第12期51卷 22-31页

作者：崔悦王睿星马特袁武宋宏伟黄晨光中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系,因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法,将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件,建立了该耦合问题的无量纲控制方程,并结合主控因素分... 详细信息

高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系,因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法,将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件,建立了该耦合问题的无量纲控制方程,并结合主控因素分析,推导出了适用于高速气流与激光联合作用下的金属平板热-力响应特性的相似关系与尺度律。采用高速气流下强激光辐照金属平板的流-热-固多场耦合数值算例对该尺度律进行考核验证,结果表明:不同缩比率及不同马赫数条件下,满足该相似关系的缩比模型与原模型之间的热-力响应误差均在1%之内。本研究为高速气流条件下激光辐照缩比模型近似等效试验的开展奠定了理论基础。

关键词：激光技术尺度律方程分析法金属平板多场耦合热-力响应

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智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

铁道学报 2024年第1期46卷 1-12页

作者：余祖俊唐涛李开成宿帅朱力强北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室北京100044 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等... 详细信息

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

关键词：智慧高速铁路运行控制平稳追踪控制智能感知车-地自组网

前交叉韧带断裂及重建术后步态生物力学特征研究现状

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北京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 377-392页

作者：陆逸群吴悦刘振龙任爽北京大学第三医院运动医学科北京大学运动医学研究所运动医学关节伤病北京市重点实验室运动创伤治疗技术与器械教育部工程研究中心北京100191 天津体育学院天津301617

对前交叉韧带(ACL)断裂及重建术后躯干、髋、膝和踝关节在不同运动平面的步态生物力学特征及康复治疗措施的研究现状进行综述,得到如下结论。ACL断裂及重建术后各关节步态的生物力学出现异常,其中膝关节步态生物力学异常在3个运动平面... 详细信息

对前交叉韧带(ACL)断裂及重建术后躯干、髋、膝和踝关节在不同运动平面的步态生物力学特征及康复治疗措施的研究现状进行综述,得到如下结论。ACL断裂及重建术后各关节步态的生物力学出现异常,其中膝关节步态生物力学异常在3个运动平面均有体现,踝关节的异常集中在矢状面,髋关节及躯干的异常多见于冠状面。根据各关节生物力学特征及ACL断裂和术后时期的不同,需制定针对性且长期的康复治疗方案;目前常规的康复训练不能完全恢复ACL断裂重建患者的正常步态,还需加入神经肌肉控制训练和躯干-髋-膝-踝的整体康复训练。

关键词：前交叉韧带(ACL) 步态生物力学康复训练

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智能网联汽车的车载网络攻防技术研究进展

软件学报 2024年

作者：陈博言沈晴霓张晓磊张鑫李聪吴中海北京大学软件与微电子学院软件工程国家工程研究中心(北京大学) 高可信软件技术教育部重点实验室(北京大学) 北京大学计算机学院

随着人工智能和5G技术在汽车行业的应用,智能网联汽车应运而生,它是一种由众多来自不同供应商的电子控制单元(ECU)组成的复杂分布式异构系统,通过以CAN为代表的车载网络协议交互协同控制各ECU.然而,攻击者可能通过各种接口攻击智能网联... 详细信息

随着人工智能和5G技术在汽车行业的应用,智能网联汽车应运而生,它是一种由众多来自不同供应商的电子控制单元(ECU)组成的复杂分布式异构系统,通过以CAN为代表的车载网络协议交互协同控制各ECU.然而,攻击者可能通过各种接口攻击智能网联汽车,渗透到车载网络,再攻击车载网络及其各组成部分如ECU.因此,智能网联汽车的车载网络安全成为近些年车辆安全研究的焦点之一.在介绍智能网联汽车整体结构、ECU、CAN总线和车载诊断协议等基础之上,首先总结了目前车载网络协议的逆向工程技术进展,逆向工程的目标是获取汽车行业通常不公开的车载网络协议实现细节,也是实施攻击和防御的前提条件.然后从车载网络攻、防两个角度展开:一方面概括了车载网络攻击向量及主要攻击技术,包括通过物理访问和远程访问方式实施的攻击技术,以及针对ECU和CAN总线实施的攻击技术;另一方面,讨论了车载网络现有的防御技术,包括基于特征工程和机器学习方法的车载网络入侵检测和基于密码学方法的车载网络协议安全增强技术.最后展望了未来的研究方向.

关键词：智能网联汽车车载网络逆向工程入侵检测协议安全增强