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面向结构静力试验监测的高精度数字孪生方法

航空学报 2024年第7期45卷 283-294页

作者：田阔孙志勇李增聪大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系大连116024

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行... 详细信息

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行数据融合以实现结构应力场监测是一个具有挑战性的问题。提出一种面向结构静力试验监测的数字孪生(DT-SSTM)方法,可获得高精度的结构静力试验数字孪生模型,以实现结构应力场的实时监测与强度评估。DT-SSTM方法包括离线、在线2个阶段。离线阶段,采用梯度提升树(GBDT)算法对仿真数据进行训练,建立预训练模型。在线阶段,基于集成学习理论,采用Stacking算法对试验数据响应值与预训练模型响应值之间的残差进行训练并建立残差模型。通过叠加预训练模型与残差模型实现多源数据融合,建立高精度的数字孪生模型。最后,开展了开口矩形壁板轴向拉伸试验来验证DT-SSTM方法的有效性。结果表明,DT-SSTM方法能够建立高精度的结构静力试验数字孪生模型,且相比同类数据融合方法具有更高的全局、局部预测精度以及融合效率,为结构应力场实时监测提供了一种新颖的解决方案。

关键词：数字孪生壁板结构数据融合应力场监测集成学习

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控制体自由单元法及其在湍流燃烧中的应用

航空学报 2024年第11期45卷 249-258页

作者：丁金兴刘华雩高效伟大连理工大学力学与航空航天学院工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

采用稳态层流火焰面模型来描述湍流-火焰之间的相互作用,在某种程度上实现了流动和化学反应之间的解耦,能够以较少的计算量比较好地预测多种燃烧现象,非常适合在工程中推广应用。采用自由单元法来克服工程中的复杂几何模型划分网格的难... 详细信息

采用稳态层流火焰面模型来描述湍流-火焰之间的相互作用,在某种程度上实现了流动和化学反应之间的解耦,能够以较少的计算量比较好地预测多种燃烧现象,非常适合在工程中推广应用。采用自由单元法来克服工程中的复杂几何模型划分网格的难题,自由单元法只需要在计算区域内布置一定数量的散点,用于离散控制方程。分别对层流对撞非预混火焰、二维非预混层流伴流火焰、湍流非预混对撞火焰、燃烧器湍流非预混燃烧进行了数值模拟。将计算结果与参考值进行了对比研究,验证了自由单元法模拟湍流燃烧过程的正确性与有效性。

关键词：湍流燃烧自由单元法稳态层流火焰面模型层流对撞火焰湍流非预混火焰

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钛合金室温受压蠕变损伤本构模型

哈尔滨工程大学学报 2024年第4期45卷 642-650页

作者：郭育豪刘刚宋育泽大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024 大连理工大学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

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且... 详细信息

为了解决工程上在评估深潜器耐压壳体安全可靠性时不考虑拉压蠕变破坏机理产生的差异,会导致较大计算误差问题,本文提出了适用于室温蠕变的蠕变损伤本构模型。通过分析钛合金材料蠕变特性,考虑了室温环境下位错堆积造成的蠕变阻力,并且位错堆积的现象与时间有关。基于微分自洽法提出了适用于室温环境下的钛合金蠕变本构模型,得到受压情况下TC4ELI的相关材料参数,并将该模型用USDFLD和CREEP子程序进行定义。研究表明:对于受压结构而言,使用通过拉伸蠕变实验得到的本构模型的计算结果会过于保守,对于含V型缺口平板受压时等效蠕变应变的相对误差为168.20%。本文所提出的模型适用于环肋耐压壳结构的蠕变损伤分析。

关键词：钛合金室温蠕变蠕变损伤本构模型拉压不同连续损伤力学有限元法耐压壳

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非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

振动与冲击 2024年第2期43卷 22-31,145页

作者：王子豪孙铁志张桂勇大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶工程学院辽宁大连116024 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程... 详细信息

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

关键词：非定常空化可压缩涡旋结构压力波动力学模态分解(DMD)

深潜器钛合金耐压壳蠕变屈曲强度评估方法研究

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中国造船 2024年第2期65卷 25-36页

作者：郭育豪刘刚大连理工大学船舶工程学院大连116024 工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

深潜器钛合金耐压壳存在室温蠕变现象,会减弱耐压壳结构的屈曲极限强度,发生蠕变屈曲破坏。论文以钛合金圆柱形耐压壳为研究对象,考虑结构初始缺陷幅值、蠕变载荷和蠕变时间的影响,通过数值模拟研究蠕变变形对耐压壳非线性屈曲强度的影... 详细信息

深潜器钛合金耐压壳存在室温蠕变现象,会减弱耐压壳结构的屈曲极限强度,发生蠕变屈曲破坏。论文以钛合金圆柱形耐压壳为研究对象,考虑结构初始缺陷幅值、蠕变载荷和蠕变时间的影响,通过数值模拟研究蠕变变形对耐压壳非线性屈曲强度的影响。研究表明:蠕变变形会加剧结构初始缺陷的幅值,减弱耐压壳结构的非线性屈曲强度。另外,钛合金耐压壳存在蠕变屈曲现象,蠕变屈曲的临界时间对结构初始缺陷幅值极为敏感。建立了钛合金耐压壳室温蠕变屈曲临界时间与蠕变载荷之间指数关系的模型,可以快速评估深潜器在指定作业时间下的最大下潜深度。对于不同临界时间下的蠕变载荷,该模型拟合结果与数值计算结果的相对误差均在±2%以内。

关键词：钛合金耐压壳室温蠕变蠕变屈曲极限强度数值模拟

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舰船管路布置PG-MACO优化方法

上海交通大学学报 2024年第7期58卷 1027-1035页

作者：林焰金庭宇杨宇超大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

针对舰船管路设计效率低下的问题提出一种管路布置优化方法.综合考虑安全性、经济性、协调性和可操作性等工程背景建立优化数学模型,改进蚁群算法在处理混合管路布置工况下的缺陷,提出优化可行解搜索的空间状态转移策略,提升信息素启发... 详细信息

针对舰船管路设计效率低下的问题提出一种管路布置优化方法.综合考虑安全性、经济性、协调性和可操作性等工程背景建立优化数学模型,改进蚁群算法在处理混合管路布置工况下的缺陷,提出优化可行解搜索的空间状态转移策略,提升信息素启发效果并加速算法收敛的信息素扩散机制,面向混合管路布置工况设计多蚁群协同进化机制.基于二次开发技术实现本方法在第三方设计软件上的应用,采用核级一回路管道布置工程案例进行验证.结果表明信息素高斯扩散多蚁群优化(PG-MACO)算法的性能和布置效果优于传统蚁群算法,寻路效率提升58.38%,收敛代数缩短43.24%,布置结果中管路长度缩短33.88%,管路折弯次数减少41.67%,验证了本方法的有效性和工程实用性.

关键词：舰船管路布局优化蚁群优化算法信息素扩散

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低速船舶微气泡减阻数值研究

船舶力学 2024年第3期28卷 368-378页

作者：赵晓杰宗智王加夏洪智超胡俊明江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212000 大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024 工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 江苏省船舶与海洋工程装备技术创新中心江苏南通226100

为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠... 详细信息

为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠模模型研究喷气量、气泡直径、航速及吃水等因素对船舶微气泡减阻的影响,分析气体体积分数、湍流粘度和气泡直径分布等。结果表明:微气泡可以同时减少船舶摩擦阻力、粘压阻力和总阻力;喷气量直接影响减阻率,喷气量越大,减阻率越高;较小气泡的平均气体体积分数较大且气体分布更均匀,同时湍流运动粘度较小,可以更有效减阻;气泡沿着流向会聚并,气泡越小聚并越剧烈;较高航速和小吃水更有利于减阻。

关键词：两相欧拉模型微气泡减阻船舶摩擦阻力数值模拟

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声散射问题的等几何双重互易边界元法

声学学报 2024年第4期49卷 889-904页

作者：张森林余波合肥工业大学土木与水利工程学院工程力学系合肥230009 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

提出了三维频域声散射问题的等几何双重互易边界元法。采用频域无关的基本解求解非齐次亥姆霍兹方程,无需如传统边界元法在求解频率声散射问题时重复计算系数矩阵。引入双重互易法将域积分转换为边界积分,得到三维无限域双重互易展开基... 详细信息

提出了三维频域声散射问题的等几何双重互易边界元法。采用频域无关的基本解求解非齐次亥姆霍兹方程,无需如传统边界元法在求解频率声散射问题时重复计算系数矩阵。引入双重互易法将域积分转换为边界积分,得到三维无限域双重互易展开基函数,实现了双重互易法在无限域声场问题上将域积分转换为边界积分的应用,最大程度保留了边界元法降维的优点;同时,为提高域积分的求解精度,给出了变异系数的取值范围。数值结果表明,等几何双重互易边界元法在求解频域声散射问题时具有较好的精度和稳定性。

关键词：等几何边界元法双重互易法非齐次亥姆霍兹方程声散射

基于遗传算法的海洋脐带缆截面布局优化设计与数值验证

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船舶力学 2024年第5期28卷 725-734页

作者：杨志勋殷旭阎军范志瑞史冬岩田庚曹冬辉哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001 大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成,而这些功能构件的力学性能差异很大,在外载荷的作用下,不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力,从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性... 详细信息

海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成,而这些功能构件的力学性能差异很大,在外载荷的作用下,不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力,从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性的实现方法,通过基于截面构件的拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,同时提出可量化的指标描述易损构件钢管之间的疲劳磨损问题。然后考虑上述三个目标建立截面布局多目标优化模型,并引入遗传算法对上述模型进行求解优化,自动得到三种具有代表性的截面优化布局。最后,通过数值模拟对不同截面优化布局进行验证与分析评价,进而得到最优截面布局设计。本文所提出的脐带缆截面布局设计优化方法可提高全局最优解搜索能力,对脐带缆结构设计具有一定的指导意义。

关键词：脐带缆截面布局遗传算法数值模拟优化设计