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基于显式动力学的发动机涡轮组件动态特性仿真与故障分析

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战术导弹技术 2024年第3期 25-31页

作者：陈素荣张家锷于平超蒋科陶玄君张大义北京动力机械研究所北京100074 南京航空航天大学民航学院南京211106 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

针对某型发动机高压涡轮叶片断裂导致的低压涡轮组件损伤破坏故障,开展了故障机理研究。在对故障现象进行总结分析的基础上,建立了断裂叶片冲击低压涡轮组件的显式动力学模型,仿真分析了断裂叶片在低压涡轮组件的运动过程、接触特征及... 详细信息

针对某型发动机高压涡轮叶片断裂导致的低压涡轮组件损伤破坏故障,开展了故障机理研究。在对故障现象进行总结分析的基础上,建立了断裂叶片冲击低压涡轮组件的显式动力学模型,仿真分析了断裂叶片在低压涡轮组件的运动过程、接触特征及涡轮叶盘摆动响应。结果表明:高压涡轮断叶飞出后将卡在导向器叶片与涡轮转子间做圆周运动,并与前后各部件发生碰撞接触,这是低压涡轮组件损伤破坏的主要原因;而低压涡轮叶盘在断裂叶片飞入后受其冲击发生摆动,摆动角位移仅有0.005 rad,因而低涡叶片不会与导向器叶片发生碰撞接触造成其损伤。本文分析方法和仿真结果对于类似叶片飞失故障再现具有一定的参考价值。

关键词：叶片飞失显式动力学涡轮组件动态特性故障分析接触特征发动机

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航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法

航空动力学报 2021年第3期36卷 466-476页

作者：姜衡左洪福郭家琛钟志荣南京航空航天大学民航学院民航飞机健康监测与智能维护重点实验室南京211106

提出航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法,分别对叶尖荷电在点电荷与电荷分布条件下的静电感应过程建立数学模型,得到感应电荷量与叶尖径向间隙值、叶尖周向位置及叶尖电荷分布的关系。设计并搭建叶尖径向间隙静电监测模拟实验台,提取... 详细信息

提出航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法,分别对叶尖荷电在点电荷与电荷分布条件下的静电感应过程建立数学模型,得到感应电荷量与叶尖径向间隙值、叶尖周向位置及叶尖电荷分布的关系。设计并搭建叶尖径向间隙静电监测模拟实验台,提取时域特征参数并分析叶尖径向间隙值及叶尖局部曲率对静电水平的影响。数学模型计算结果表明:(1)感应电荷量与叶尖径向间隙及叶尖相对传感器的径向位置绝对值呈负相关;(2)感应电荷量与叶尖所带电荷量呈正相关,且与电荷密度分布有关;(3)感应电荷量与叶尖尺寸及传感器尺寸有关。实验结果表明静电信号方均根值和整流平均值与叶间径向间隙值呈负相关,与叶尖局部曲率呈正相关,其结果与理论模型相符。

关键词：叶尖径向间隙静电监测叶尖局部曲率静电感应模型时域特征参数

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航空发动机砂尘吸入物静电监测仿真实验

航空动力学报 2018年第12期33卷 2913-2923页

作者：孙见忠姜衡陈颖达南京航空航天大学民航学院民航飞机健康监测与智能维护重点实验室南京211106 南京航空航天大学民航学院南京211106 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

提出了航空发动机砂尘吸入物静电监测的仿真实验方法,实验以软件ANSYS电磁场分析模块建立有限元模型为基础,模拟不同粒径、荷质比、运动速度及质量浓度情况下砂尘吸入物的静电感应信号,并分别从时域与频域对感应电荷与电压信号进行分析... 详细信息

提出了航空发动机砂尘吸入物静电监测的仿真实验方法,实验以软件ANSYS电磁场分析模块建立有限元模型为基础,模拟不同粒径、荷质比、运动速度及质量浓度情况下砂尘吸入物的静电感应信号,并分别从时域与频域对感应电荷与电压信号进行分析,研究砂尘吸入物的粒径及其他宏观参数与静电监测信号之间的关系,建立用以表征砂尘颗粒粒径大小的特征指标。基于IDMS(进气监测系统)感应电压信号功率谱密度分布建立了特征向量,并以其曼哈顿距离与欧氏距离作为特征指标表征砂尘颗粒粒径大小。经仿真实验验证:特征指标与砂尘粒径呈正相关,且不受砂尘吸入物运动速度及荷质比变化的影响,但受砂尘吸入物质量浓度影响。进一步研究将利用质量浓度对特征指标进行修正,并开展验证实验。

关键词：航空发动机砂尘环境颗粒粒径静电监测有限元分析时频域分析

基于HOG和SVM算法的磨粒图像在线监测技术

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南京航空航天大学学报 2022年第6期54卷 1152-1158页

作者：王涵左洪福刘珍珍费航刘岩南京航空航天大学民航学院南京211106 民航飞机健康监测与智能维护民航重点实验室南京211106

为了解决发动机润滑油液磨粒图像监测只适用于微流且易受气泡干扰等问题,设计了一种可适用于相对大流量工作环境的油液磨粒光学图像在线监测系统,区分气泡和磨粒。通过该监测系统,批量采集了一系列磨损颗粒和气泡图片,用于后续图像分类... 详细信息

为了解决发动机润滑油液磨粒图像监测只适用于微流且易受气泡干扰等问题,设计了一种可适用于相对大流量工作环境的油液磨粒光学图像在线监测系统,区分气泡和磨粒。通过该监测系统,批量采集了一系列磨损颗粒和气泡图片,用于后续图像分类算法的训练与测试。采用了一种基于背景差分和大津法的运动物体提取算法提取出大量磨粒及气泡图像样本,运用基于方向梯度直方图(Histogram of oriented gradients,HOG)进行特征提取和支持向量机(Support vector machine,SVM)分类算法对气泡和磨粒进行识别。实验结果表明,该监测系统能有效采集磨粒及气泡图像并进行自动识别。与基于形态学特征提取算法以及K最近邻(K⁃nearest neighbor,KNN)等传统分类算法相比,HOG⁃SVM算法分类精度更高,识别准确率可达83.8%。

关键词：滑油系统磨粒监测气泡识别图像在线监测方向梯度直方图

小训练样本下齿轮箱故障诊断:一种基于改进深度森林的方法

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航空学报 2022年第8期43卷 112-126页

作者：邵怡韦陈嘉宇林翠颖万程葛红娟石智龙南京航空航天大学民航学院南京211106 南京航空航天大学民航飞行健康监测与智能维护重点实验室南京211106 南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106 北京飞机维修工程有限公司杭州分部杭州310000

作为航空装备的重要传动部件,齿轮箱的故障诊断对保障装备可靠持续适航具有至关重要的作用。随着人工智能技术的不断发展,基于深度学习的方法成为了领域内的研究热点。然而,深度神经网络对超参数设置和训练数据量有严格的要求,难以满足... 详细信息

作为航空装备的重要传动部件,齿轮箱的故障诊断对保障装备可靠持续适航具有至关重要的作用。随着人工智能技术的不断发展,基于深度学习的方法成为了领域内的研究热点。然而,深度神经网络对超参数设置和训练数据量有严格的要求,难以满足实际工业中快速、准确与稳定的诊断需求。针对此问题,提出了一种基于改进深度森林的诊断方法,实现小训练样本下齿轮箱的多种类混合故障的高效诊断。针对旋转机械振动信号单样本数据的长特性与深度森林模型数据处理成本高的矛盾,设计了基于主成分分析特征提取的深度森林模型,解决原始模型中的数据计算冗余问题。同时,改进的深度森林模型提高了多粒度扫描与级联森林中的数据传递与处理能力,在保障数据多样性的同时,增强模型内的特征代表性,从而提高算法的运行效率和诊断性能。最后,通过控制数据集与训练样本比例变量,开展小训练样本下齿轮箱故障诊断实验研究。结果表明,在训练-总数据比例为50%和10%条件下,所提方法平均诊断精度高达97.3%和82.8%,验证了所提方法的有效性。同时,通过对比研究,所提方法诊断性能优于现有的齿轮箱智能故障诊断方法。

关键词：深度学习故障诊断小训练样本深度神经网络主成分分析

先进驾驶辅助系统中基于单目视觉的场景深度估计方法

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光学学报 2020年第17期40卷 131-139页

作者：丁萌姜欣言南京航空航天大学民航学院江苏南京211106 中国民用航空局飞机健康监测与智能维护重点实验室江苏南京211106

针对先进驾驶辅助系统对车辆前视景深信息的需求,在无监督学习框架下提出了一种基于单目视觉的场景深度估计方法。为了降低不同尺寸的前视目标对景深估计结果的影响,采用金字塔结构对输入图像进行预处理;在训练过程中,将深度估计问题转... 详细信息

针对先进驾驶辅助系统对车辆前视景深信息的需求,在无监督学习框架下提出了一种基于单目视觉的场景深度估计方法。为了降低不同尺寸的前视目标对景深估计结果的影响,采用金字塔结构对输入图像进行预处理;在训练过程中,将深度估计问题转化为图像重建问题,利用双目图像设计了新的损失函数代替真实深度标签,解决了真实场景景深数据难以获取的问题;将中间多尺度的视差图与原输入图像的尺寸统一,改善了深度图中的空洞现象,提升了景深估计精度。在KITTI和Make3D数据集上的定量与定性对比结果表明,本方法可以获得准确度较高的绝对景深数据,且具有良好的泛化能力。在真实道路场景下的实验结果表明,本方法可以利用单张车载前视图像得到对应的像素级景深信息。

关键词：深度估计卷积神经网络无监督学习多尺度统一

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基于全流量光学传感器的磨粒运动特性研究

传感器与微系统 2023年第11期42卷 19-22页

作者：刘珍珍刘岩左洪福王涵费航南京航空航天大学民航学院民航飞机健康监测与智能维护重点实验室江苏南京211100

针对航空发动机滑油系统管路中磨损颗粒的运动特性进行了研究。首先,建立磨粒的运动学方程,分析影响运动的主要因素;然后,自制全流量在线光学传感器,并搭建磨粒运动监测系统,再结合高效卷积算子(ECO)算法对动态磨粒进行跟踪以及速度测算... 详细信息

针对航空发动机滑油系统管路中磨损颗粒的运动特性进行了研究。首先,建立磨粒的运动学方程,分析影响运动的主要因素;然后,自制全流量在线光学传感器,并搭建磨粒运动监测系统,再结合高效卷积算子(ECO)算法对动态磨粒进行跟踪以及速度测算;最后,利用仿真软件,对多个影响因素进行多元回归方程的拟合。研究结果表明:回归方程的拟合度较高。同时,各因素对颗粒运动速度影响的重要程度依次为:油液的流速、颗粒的密度、油液的粘度、颗粒的粒径。同时,油流的速度与颗粒的运动速度呈正相关,颗粒的密度、油液粘度、颗粒的直径与颗粒的运动速度呈负相关。

关键词：全流量光学传感器磨损颗粒运动速度高效卷积算子算法

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我国航空体育课程目标与教学内容的优化研究

我国航空体育课程目标与教学内容的优化研究

作者：陈冰清南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着民航事业的迅速扩张,开设飞行技术专业并招收飞行学员的高校不断增多,飞行员培养体量不断增大,需求质量也逐渐提高,这在一定程度上敦促着高校航空体育教育的改革与创新。诚然,航空体育课程的优化设计对飞行人才培养、教师队伍建设... 详细信息

随着民航事业的迅速扩张,开设飞行技术专业并招收飞行学员的高校不断增多,飞行员培养体量不断增大,需求质量也逐渐提高,这在一定程度上敦促着高校航空体育教育的改革与创新。诚然,航空体育课程的优化设计对飞行人才培养、教师队伍建设、乃至行业的发展具有深远意义。本文从贯彻落实“立德树人”之根本,将“三全育人”贯穿教育全过程的新时代理念出发,选取三所国内极具代表性的航空类院校为样本,以这些院校提供的文本和专家访谈资料为初期研究对象,界定航空体育课程的相关概念、明确理论基础,并对其发展历程及现状进行梳理。另外,本着国际化与本土化相结合的视野,本研究着眼于国内外航空体育相关课程的异同研究,同时开展问卷调查,参照课程教学现状多维度挖掘了航空体育课程优化的相关性因素,得到了部分具有统计学意义的结果及多元线性回归方程以供参考,以此为航空体育课程优化查漏补缺。经比较研究、问卷调查等方法,得出研究结论如下:(1)新时期伴随着民航业跨越式的发展背景,飞行员培养已滞后于民航业的扩张速度,飞行员培养系列问题依然是影响民航业可持续发展的“瓶颈”。(2)美国、加拿大知名航空大学课程目标更加注重“人”的概念为导向,职业技能与健康理念并重,国内人性化理念则相对较弱;美、加拿大航校课程内容具有“宽口径”和“维持”的特点,以多学科的理论知识储备,配合高水准身体素质保持能力,而国内两者结合度较低;美国FAA关于飞行学员的体能训练课程,具有统一编写的学员手册供参考,国内则缺乏统一规范的教材。(3)我国航空体育课程目标与内容现存问题主要体现在课程目标忽略了学员的认知水平,且未体现习惯养成要求;课程目标对心理健康不够重视,技能目标仅指向职业,缺乏全程视野;课程理论内容枯燥单调,基础薄弱不系统;课程实践内容及其形式单一,专业适应性无法体现。(4)针对我国航空体育课程目标现存问题,对目标体系的优化对策有:增加认知水平目标,引导学员找准课程与自身定位;将心理健康目标替换为心理智能目标更适合当前职业需要;综合素质目标整合为专业适应性目标,实现从学员到飞行员的全过程育人;强调终身体育目标,促使学员养成良好的运动习惯,未来能够良好衔接工作与生活。(5)为了完善我国航空体育理论教学内容,我国民航总局可以借鉴美国、加拿大航空大学课程经验,组织编写统一航空体育理论教材,补充拓展宽口径理论知识。(6)关于实践教学内容设置,对我国航空体育课程中专项实践内容在原有器械项目的基础上,增加转椅、游泳和定向越野供学员选择;选项体育课诸如篮球、乒乓球、操类,应同时供学员选修,助于他们掌握1-2项个性化体育技能,来维持体能或视力水平,自主建立锻炼意识。(7)为将实践内容与心理智能和拓展目标紧密结合,可以在航空体育课程内容中增设搏击类、瑜伽、水上救护(心肺复苏)等专项选修实践项目,满足学员差异化的需求,促进学习积极性;适当开展户外体育项目,贴近生活和自然,必要时进行体适能监测。(8)为达成学员认知目标提升的目的,在课程开展中不可或缺的一环是要参照飞行技术专业特色和优势,科学合理拓展该门课程的广度、深度和温度,从课程所涉专业、行业、国家、等角度,增加课程的知识性、人文性,提升引领性、时代性和开放性。(9)为了解决教学内容与目标不匹配的问题,高校航空体育课程教育团队可以分解出该门课程目标与教学内容的支撑依据,作为考量课程内容科学性与有效性的指标点。

关键词：航空体育人才培养课程优化比较研究相关性分析

离散四旋翼直升机系统滑模预测容错控制方法研究

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离散四旋翼直升机系统滑模预测容错控制方法研究

作者：柳张曦南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,四旋翼直升机逐渐普及,在航拍、飞行表演、农药喷洒以及军事打击上应用前景都十分广泛。然而,恶劣的飞行环境影响控制信号的传递,导致时滞出现甚至诱发故障;此外,长期高负荷的运转也是另一个导致故障频发的重要元素。针对目前故... 详细信息

近年来,四旋翼直升机逐渐普及,在航拍、飞行表演、农药喷洒以及军事打击上应用前景都十分广泛。然而,恶劣的飞行环境影响控制信号的传递,导致时滞出现甚至诱发故障;此外,长期高负荷的运转也是另一个导致故障频发的重要元素。针对目前故障频发的现象,研究高效的容错控制方法变得极为迫切。四旋翼直升机控制系统的复杂程度不断加大,外部干扰,时滞,多故障等问题都给容错控制技术带来了极大的挑战。针对上述问题,本文根据研究现状,研究了故障状态下离散时滞四旋翼系统,结合滑模控制以及预测控制的优势设计了滑模预测容错策略用以处理时滞、多故障以及外部干扰等问题。首先,针对含有执行器故障、状态时变时滞以及外部干扰和系统参数摄动的离散四旋翼系统,提出了一种以鲸鱼优化算法求解最优控制律的滑模预测容错控制策略。利用滑模控制对于故障的不敏感性,在预测模型设计时采用全局滑模面作为预测模型,对标称系统进行预测。同时,为了削弱故障以及干扰对控制系统动态品质的影响,在参考轨迹中设计了补偿环节。并且,设计采用幂次函数参考轨迹,用以削弱控制律的抖振。设计鲸鱼优化算法进行控制律的实时在线寻优,该优化算法参数设置简单、收敛速度快并且控制律求解精度高,进而获得控制律也更为平稳。最后,仿真结果表明该算法的有效性。其次,针对含有传感器故障、状态时滞、输入时滞以及外部干扰和系统参数摄动的离散四旋翼系统,提出了一种基于改进型鲸鱼优化算法的滑模预测容错控制策略。针对含有传感器故障的四旋翼系统进行状态扩展,通过状态方程变换将原系统进行转换。对新系统的标称系统进行预测,获取其预测输出,根据预测输出设计反馈校正和滚动优化环节。然而,在滚动优化的过程中,鲸鱼优化算法存在早熟收敛以及陷入局部极值的问题。因此,针对上述问题,设计了一种改进型鲸鱼优化算法,在获得良好收敛速度和精度的同时又可以避免寻优过程陷入局部极小值,并且解决了早熟收敛问题。最后,仿真结果证明了该算法的合理性和优越性。最后,针对一类执行器和传感器同时发生故障且具有参数摄动、非线性环节以及扰动的离散四旋翼系统,提出一种基于滑模预测方法的主动容错控制策略。首先,扩展原系统的状态变量,将原系统化为在状态空间表达式上不含有传感器故障的新系统。同时针对非线性环节,利用斯特林插值公式进行近似线性化,将原来系统转化为形式上不含有非线性项的近似线性系统。然后,设计故障观测器可以同时观测执行器故障和传感器故障,利用观测器观测出的故障估计值进行控制器重构设计,设计滑模预测控制算法。最后,仿真结果表明该控制策略的有效性。

关键词：时滞系统容错控制滑模预测控制四旋翼直升机鲸鱼优化算法多故障