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高温降涡轮高位预旋供气系统的设计研究

航空学报 2024年

作者：杨显赵刘高文郭令颖马佳乐林阿强西北工业大学动力与能源学院西北工业大学陕西省航空动力系统热科学重点实验室

预旋供气系统性能优劣直接制约先进涡轮动叶冷气供给品质。本文应用功热转换理论开展涡轮高位预旋供气系统的正向设计研究，根据已知的边界条件计算出系统各特征截面的气动参数，确定各元件通流面积及其结构参数，通过一维计算结果构建... 详细信息

预旋供气系统性能优劣直接制约先进涡轮动叶冷气供给品质。本文应用功热转换理论开展涡轮高位预旋供气系统的正向设计研究，根据已知的边界条件计算出系统各特征截面的气动参数，确定各元件通流面积及其结构参数，通过一维计算结果构建三维物理模型，经转静子匹配迭代获得高性能预旋系统结构。重点开展高温降涡轮预旋供气系统的特性分析及性能评估。结果表明，在满足涡轮动叶供气流量和供气压力要求的前提下，一维设计计算和数值模拟结果的引气流量、系统温降和温降效率的相对偏差均低于1.5%，并且与对应实验结果的系统温降相对偏差小于1.5%。在设计点预旋喷嘴、接受孔和供气孔的流量系数分别为0.937、0.716和0.744；系统温降和温降效率分别达到61.53 K和80%，系统比功耗为﹣55.74 kW/(kg/s)。在保证涡轮动叶供气流量和供气压力的条件下，四个巡航工况点的系统温降达到了39.73K～62.88 K，比功耗可达到﹣55.74 kW/(kg/s)～﹣16.48 kW/(kg/s)。

关键词：航空发动机预旋供气系统一维设计高温降低功耗性能评估

基于机器学习的变刚度纤维增强复合材料最小化结构柔顺性优化设计

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力学学报 2024年第7期56卷 1849-1860页

作者：段尊义刘亿张皓翔陈志远徐斌朱继宏阎军西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西北工业大学深圳研究院广东深圳518063 西北工业大学机电学院西安710072 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

纤维增强复合材料层合板的变刚度优化设计,通过逐点优化纤维铺角的可设计性,从而匹配结构中应力状态的空间变化,更高效地发挥纤维增强复合材料层合板在强度与刚度性能上的方向性,为设计师提供了更广阔的设计空间与设计灵活度.然而,基于... 详细信息

纤维增强复合材料层合板的变刚度优化设计,通过逐点优化纤维铺角的可设计性,从而匹配结构中应力状态的空间变化,更高效地发挥纤维增强复合材料层合板在强度与刚度性能上的方向性,为设计师提供了更广阔的设计空间与设计灵活度.然而,基于梯度类算法的传统复合材料变刚度优化设计,因其设计变量众多,不可避免地在结构分析与灵敏度分析中面临大规模计算的挑战.同时,结构在概念设计阶段存在载荷工况随机性问题,如何在初始概念设计阶段,针对随机载荷工况制定高效的设计方案具有重要工程价值.近年来,随着人工智能与高性能计算的快速发展,基于传统优化获得的数据集构建端到端的机器学习模型,为实现实时的复合材料变刚度优化提供了可能.文章采用反向传播(back propagation,BP)神经网络算法,建立了基于机器学习的纤维增强复合材料变刚度优化设计方法.首先,基于正态分布纤维优化(normal distribution fiber optimization,NDFO)插值格式,构建以最小化结构柔顺度为目标的复合材料变刚度优化设计模型,考虑载荷大小与方向的随机性,获得神经网络模型训练所需的样本集数据.其次,以最小均方误差(means square error,MSE)为目标函数,采用BP神经网络模型对样本数据集进行训练.最后,建立基于皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)、均方误差的模型评价体系,对生成的神经网络模型进行评价.数值算例讨论了含圆孔MBB梁与悬臂C型梁变刚度优化设计,详细阐述了基于机器学习的复合材料变刚度优化方法的实施过程,系统地对比了所提出的基于机器学习的复合材料变刚度优化与传统基于NDFO插值格式复合材料变刚度优化设计结果在纤维铺角轨迹和目标函数的差异,验证了本方法的有效性.

关键词：变刚度优化设计机器学习反向传播神经网络正态分布纤维优化纤维铺角

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基于跨尺度相似先验的遥感图像时空融合算法

电子学报 2024年第6期52卷 2037-2052页

作者：方帅万旗曹洋合肥工业大学计算机与信息学院工业安全与应急技术安徽省重点实验室大数据知识工程教育部重点实验室(合肥工业大学) 中国科学技术大学

遥感卫星图像在空间分辨率和时间分辨率之间权衡导致图像序列的时空矛盾.时空图像融合提供了一个生成高空间分辨率和高时间分辨率图像的解决方案，以满足各种地球观测应用.基于稀疏表示的时空融合算法通过联合训练字典和稀疏编码表示建... 详细信息

遥感卫星图像在空间分辨率和时间分辨率之间权衡导致图像序列的时空矛盾.时空图像融合提供了一个生成高空间分辨率和高时间分辨率图像的解决方案，以满足各种地球观测应用.基于稀疏表示的时空融合算法通过联合训练字典和稀疏编码表示建立高低空间分辨率图像之间的关系，为物候变化、类型变化等各种情况提供了统一的融合框架.然而，多源遥感图像来自于不同的传感器，高低空间分辨率图像之间关系模型暗含有传感器映射关系，导致模型设备依赖.针对该问题，本文提出将多源遥感图像时空融合过程分解为传感器偏差校正和时空融合两个子问题，即设备依赖部分和设备无关部分.传感器偏差校正部分可以作为时空融合预处理模块，提高融合精度，并且使得后续的融合模型更加具有普适性.当高低空间分辨率图像空间分辨率差异较大时，“高低空间分辨率图像稀疏系数一致”的假设带来的融合误差非常突出.针对该问题，本文提出基于跨尺度相似先验的遥感图像时空融合算法，利用跨尺度相似块构建稀疏结构先验的正则项，优化稀疏表示的目标函数，并构建中间尺度图像，降低跨尺度相似块的二义性.本文分别使用3组典型场景的实验数据集与其他算法进行对比，实验结果表明，在BOREAS数据集上，与次优的指标相比，本文算法的结构相似度（Structural SIMilarity,SSIM）提高了4.2%，光谱角（Spectral Angle Mapper,SAM）提高了4.6%；在CIA数据集上，与次优的指标相比，本文算法的SSIM提高了2.7%,SAM提高了12.8%；在LGC数据集上，与次优的指标相比，本文算法的SSIM提高了7.1%,SAM提高了16.3%；证明本文算法在空间和光谱特性上表现出优秀的特性.

关键词：遥感时空融合稀疏表示跨尺度相似

面向在轨建造的空间机器人末端执行器及适配接口设计与验证

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机械工程学报 2024年第3期60卷 1-10页

作者：赵亮亮刘子毅赵京东段启帆王梓睿刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出... 详细信息

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。

关键词：在轨建造空间机器人末端执行器适配接口对接锁紧

基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法

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机械工程学报 2024年第7期60卷 22-33页

作者：杨晓航赵智远李云涛徐梓淳赵京东哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种... 详细信息

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种新的多层次同时最小化方案将位置级别的非线性优化问题转化到速度级别和加速度级别,在加速度水平重构最大化可操作度问题。其次,引入最小化速度指标保证系统的稳定性,并使关节角速度维持在较低水平。然后,结合关节的物理极限,将上述问题表述为标准的二次规划(QP)形式进行求解。以SSRMS构型冗余空间机械臂为例进行仿真验证,实验结果表明ALMM方法可以在完成轨迹跟踪任务的同时实现可操作度优化,对比实验证明ALMM方法的有效性和优越性。

关键词：冗余机械臂逆运动学可操作度二次规划

基于流固耦合的固体发动机复合喷管烧蚀型面演变

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推进技术 2024年第7期45卷 113-123页

作者：陈旭龙闫航张春宇冯喜平侯晓西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室陕西西安710072

由于材料烧蚀性能不同,固体火箭发动机复合喷管普遍存在烧蚀台阶,严重影响喷管结构完整性,降低喷管性能。为了预示固体火箭发动机复合结构喷管内不同热防护材料交接处的烧蚀台阶型面演变过程,建立了一种能反映喷管两相流环境下防热材料... 详细信息

由于材料烧蚀性能不同,固体火箭发动机复合喷管普遍存在烧蚀台阶,严重影响喷管结构完整性,降低喷管性能。为了预示固体火箭发动机复合结构喷管内不同热防护材料交接处的烧蚀台阶型面演变过程,建立了一种能反映喷管两相流环境下防热材料烧蚀过程的流固耦合计算方法。依据热化学烧蚀与粒子侵蚀机理,考虑瞬态计算中烧蚀型面的退移,模拟了石墨-高硅氧/酚醛复合喷管烧蚀型面演化过程,验证了计算方法的有效性。模拟得到的收敛段烧蚀台阶型面与实验结果吻合较好,扩张段台阶计算深度略低于实验值。仿真结果表明:收敛段受热化学烧蚀与粒子侵蚀共同作用,两种材料粒子侵蚀速率的差异可达0.36 mm/s,是收敛段烧蚀台阶形成的主要原因,扩张段烧蚀台阶的产生仅受热化学烧蚀的影响,交接处退移速率最大差值为0.044 mm/s;烧蚀台阶形成后,拐角处暴露的石墨材料会受到较强的粒子冲刷效应;喷管喉部前端的石墨材料因烧蚀型面变化,喷管实际喉部向出口移动1.96 mm。

关键词：固体火箭发动机喷管烧蚀台阶热化学烧蚀粒子侵蚀数值仿真

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超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 73-82页

作者：全齐全金亦康张秋葵唐德威邓宗全机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150001

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,... 详细信息

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。

关键词：小行星附着锚固超声波钻谐振控制递归最小二乘法模糊控制

考虑未知约束空间的空地导弹最优弹道预测方法

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宇航学报 2024年第8期45卷 1290-1300页

作者：刘淇粟华刘松语龚春林西北工业大学航天学院西安710072 西北工业大学陕西省空天飞行器设计重点实验室西安710072

现代作战任务更加复杂多变,空地导弹的发射条件、作战环境以及目标特征愈加复杂。传统导弹设计依赖于少量离线典型弹道,无法满足现代战争任务的多样化需求,且在线弹道规划无法满足任务快速性,因此迫切需要发展兼顾准确性和快速性的最优... 详细信息

现代作战任务更加复杂多变,空地导弹的发射条件、作战环境以及目标特征愈加复杂。传统导弹设计依赖于少量离线典型弹道,无法满足现代战争任务的多样化需求,且在线弹道规划无法满足任务快速性,因此迫切需要发展兼顾准确性和快速性的最优弹道生成方法。针对这一问题,提出了一种考虑未知约束空间的空地导弹最优弹道预测方法。构建空地导弹最优弹道预测问题,根据未知约束空间先验未知的特点改进了拉丁超立方采样方法和蒙特卡洛打靶法,提出了基于动态Kriging模型的最优弹道预测流程,针对某空地导弹开展了模型预测准确性与快速性的验证。结果表明:提出方法所预测的中末制导交接点平均弹道倾角误差在0.5°以内,预测时间仅需0.15 s。

关键词：弹道预测未知约束动态Kriging模型 U学习函数 SLE-CLHS算法

燃气涡轮非轴对称端壁离散气膜孔冷却特性的数值研究

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航空动力学报 2024年

作者：杜昆张荣霞贾毅豪王海潮刘存良西北工业大学西北工业大学-喀山国立技术大学先进航空发动机热结构国际联合实验室西北工业大学太仓长三角研究院西北工业大学动力与能源学院西北工业大学陕西省航空动力系统热科学重点实验室

非轴对称端壁可有效实现对叶栅内部周向压差及复杂二次流的调控，从而改善叶栅气动性能，同时端壁造型会对气膜孔出口面积和冷气轨迹产生显著影响。首先研究通道表面分别沿周向与流向发生凹凸变化，探究不同造型位置对气膜孔冷却特性的... 详细信息

非轴对称端壁可有效实现对叶栅内部周向压差及复杂二次流的调控，从而改善叶栅气动性能，同时端壁造型会对气膜孔出口面积和冷气轨迹产生显著影响。首先研究通道表面分别沿周向与流向发生凹凸变化，探究不同造型位置对气膜孔冷却特性的影响规律，然后在非轴对称叶栅通道内部10%Cax、40%Cax与70%Cax位置处分别设置气膜孔排，研究叶栅内部端壁造型对气膜孔冷却特性的影响规律。研究表明：仅考虑周向凹凸变化时，除最凹点与最凸点外，其余位置均可有效改善大吹风比下冷气的吹离现象。仅考虑流向发生凹或凸变化时，在最凹点之后，最凸点之前，孔出口面积明显增大，相较于平板气膜孔的出口面积最大可增加51.4%，高冷效区域也显著增大。在叶栅通道中采用压差法得到的非轴对称端壁可降低叶栅内部周向压差，减弱马蹄涡压力面侧分支强度，改善其气动性能，位于非轴对称叶栅通道内部的气膜孔排，端壁造型可提升冷气贴壁性，在大吹风比下，整体冷却性能更优，M=1.0和M=1.5时，η>0.2的高效冷却面积占比相较于原型端壁分别提高5.58%、5.51%。

关键词：非轴对称端壁圆柱形气膜孔冷却特性数值模拟涡轮静叶