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融入几何先验的圆柱表面三维应变场双目视觉测量方法

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西安交通大学学报 2024年第6期58卷 162-173页

作者：张一鸣李广徐自力王珺闫松西安交通大学航天航空学院西安710049 西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安710049 西安航天动力研究所西安710100

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影... 详细信息

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影的表面三维应变场计算方法;然后采用数值模拟方式,在不同应变区域和位移场噪声条件下,将所提方法与一般曲面子域投影法进行对比分析;最后开展圆柱拉伸实验,分别从单点和全场两个角度将所提方法的应变计算结果与应变片测量结果进行了对比。研究结果表明:在保证计算精度和位移场噪声鲁棒性的同时,所提方法将计算效率提高了约20%,且与应变片实验测量结果吻合较好,验证了该方法能够实现圆柱结构表面三维应变场的高效测量,也为规则结构表面三维应变场的计算提供了新思路。

关键词：双目视觉子域投影三维应变场圆柱拟合最小二乘拟合

Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面的数值研究

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力学学报 2024年第5期56卷 1342-1355页

作者：李国辉吴小雨王娴西安交通大学航天航空学院复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域,在某些场景下,液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性,为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响,对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究.研究基于相场方... 详细信息

液滴撞击弯曲壁面现象广泛存在于冶金、化工和航空航天等领域,在某些场景下,液滴混入高分子聚合物后会表现黏弹性特性,为了进一步认识液滴黏弹性对撞击弯曲壁面的影响,对黏弹性液滴撞击弯曲壁面的过程进行数值模拟研究.研究基于相场方法和格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用应力场分布函数求解Oldroyd-B本构方程,并施加适用于弯曲壁面的接触角模型,发展了固-液-气三相黏弹性流体模拟方法,对Oldroyd-B黏弹性液滴撞击弯曲壁面问题进行数值模拟,主要研究了黏度比β、韦伯数We和壁面接触角θ对撞击过程的影响.结果表明:撞击过程主要包括4个阶段:运动阶段、铺展阶段、拉伸阶段和撕裂阶段.黏度比β越低,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越慢,转化的表面能更多,但更早进入撕裂阶段,液滴撞击弯曲壁面后,更容易脱离壁面.韦伯数We较小时,液滴主要在壁面处附着或反弹;We较大时,液滴会撕裂并脱离壁面,We越大,液滴在铺展拉伸阶段动能衰减越快,进入撕裂阶段更慢.壁面的亲疏水性会影响液滴最终的状态,疏水性越高,对铺展阶段的阻碍作用越强,液滴越容易发生撕裂和脱离.

关键词： Oldroyd-B流体液滴撞击相场方法 LBM 弯曲壁面

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斜爆震燃烧与斜爆震发动机研究进展

应用力学学报 2024年第2期41卷 241-259页

作者：薛瑞杜鹏丁国誉杨志龙吴云凯西安交通大学航天航空学院复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安710049

发展更高性能的吸气式高超动力成为未来高超声速飞行器研制的重中之重。现有基于煤油燃料的超燃冲压发动机,主要以爆燃模式组织燃烧,在高来流马赫数(Ma≥8)条件下,将面临高来流总温带来的高温离解和化学非平衡效应所带来燃料的能量难以... 详细信息

发展更高性能的吸气式高超动力成为未来高超声速飞行器研制的重中之重。现有基于煤油燃料的超燃冲压发动机,主要以爆燃模式组织燃烧,在高来流马赫数(Ma≥8)条件下,将面临高来流总温带来的高温离解和化学非平衡效应所带来燃料的能量难以充分释放和利用的难题,相比之下,斜爆震组织燃烧更接近于等容燃烧,具有燃烧释热速率快、热循环效率高等优势,是一种可应用于高马赫数吸气式动力的理想燃烧模式。斜爆震发动机能够显著缩短燃烧室长度,减少释热面积,是高马赫数飞行器极具潜力的吸气式动力方案。其中,斜爆震发动机内流道各部件的匹配设计、燃料喷注-混合、斜爆震波的起爆与驻定等是斜爆震发动机研制的关键技术,是当前高超声速领域的研究热点。但由于其面临的高速、高总温总压的来流条件以及爆震波在流场中的强间断与高速传播特性等,现有试验与数值模拟研究手段难以开展精细的燃烧流动机制研究,进而限制了相关控制机理的揭示与高精度模型的建立,使得斜爆震发动机工程研制较为困难,当前研究仍存在许多值得探讨的地方,文章在综述的同时对下一步研究提出相关建议。

关键词：高超声速推进高马赫数斜爆震波斜爆震发动机

固体发动机绝热层横观各向同性超弹性本构模型

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固体火箭技术 2024年

作者：陈胜豪王春光李群西安交通大学航天航空学院复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室

固体火箭发动机绝热层因内部存在短纤维，其力学行为难以准确表征，为了建立考虑短纤维影响的本构模型，针对芳纶短纤维增强三元乙丙橡胶材料开展了平行于压延方向（0°）与垂直于压延方向（90°）的拉伸实验，验证了绝热层材料内部短... 详细信息

固体火箭发动机绝热层因内部存在短纤维，其力学行为难以准确表征，为了建立考虑短纤维影响的本构模型，针对芳纶短纤维增强三元乙丙橡胶材料开展了平行于压延方向（0°）与垂直于压延方向（90°）的拉伸实验，验证了绝热层材料内部短纤维近似定向分布的假设；同时基于断面SEM图像分析了绝热层材料的纤维抽离、纤维断裂、基体损伤等失效行为。基于实验观测，在应变能密度函数中引入纤维项，建立了适用于绝热层材料的横观各向同性超弹性本构模型，并通过0°、45°和90°单轴拉伸实验验证了该模型的准确性，不同角度预测误差均在10%以内。最后，利用该模型给出了在不同方向上绝热层简单变形的应力响应表达式。

关键词：固体火箭发动机绝热层横观各向同性超弹性模型短纤维增强橡胶材料

基于MJF的极小曲面结构力学行为及吸能特性研究

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固体力学学报 2024年第2期45卷 201-212页

作者：肖江海侯俊玲李群复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安交通大学航天航空学院西安710049

极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构,具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性,在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面,具有广泛的应用前景.本文采用多射流熔融(MultiJet Fusion,MJF)增材制造技术,... 详细信息

极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构,具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性,在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面,具有广泛的应用前景.本文采用多射流熔融(MultiJet Fusion,MJF)增材制造技术,结合参数化建模方法,以尼龙PA12为原料制备了体积分数同为20%的3种极小曲面多孔结构(G曲面、P曲面、D曲面).利用准静态压缩试验和数值模拟,分析了不同极小曲面结构的力学响应和吸能特性.研究发现:在力学响应方面,3种极小曲面的平台名义应力分别为4.0 MPa、2.1 MPa和4.75 MPa,明显高于相同体积分数下BCC点阵结构的平台名义应力(2.0 MPa),具有更好的承载能力;在吸能方面,G曲面、P曲面和D曲面的单位体积吸能量近似可达BCC点阵结构的7倍、4倍、8倍.综上所述,与传统BCC点阵结构相比,MJF增材制造工艺制备的极小曲面结构能够更好的分散压力,减少应力集中,表现出优异的力学性能和吸能特性,具有非常好的应用前景.

关键词：极小曲面多孔结构增材制造力学性能吸能特性

压气机叶片-轮盘的低周疲劳寿命可靠性设计优化

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中国电机工程学报 2024年

作者：李金星李国嘉唐勃谢永慧复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室(西安交通大学能源与动力工程学院)

为保障多源不确定性因素下燃气轮机压气机的疲劳可靠性，该文建立压气机叶片-轮盘可靠性优化设计框架。针对多源不确定性的问题，提出两阶段主动学习Kriging模型和解耦法相融合的可靠性设计优化方法。该方法在优化迭代过程中自适应加点... 详细信息

为保障多源不确定性因素下燃气轮机压气机的疲劳可靠性，该文建立压气机叶片-轮盘可靠性优化设计框架。针对多源不确定性的问题，提出两阶段主动学习Kriging模型和解耦法相融合的可靠性设计优化方法。该方法在优化迭代过程中自适应加点构建高精度代理模型，同时分两阶段进行可靠性优化，在保证精度的前提下有效提高可靠性优化效率。同时提出一种改良约束边界双点采样(improved constrained boundary double-point sampling，ICBS-DP)的主动学习策略，通过设计驱动的局部建模策略和双加点方法进一步降低了计算成本。通过短柱可靠性优化数值算例验证了该方法的优越性。开展压气机叶片叶根-轮盘轮槽的低周疲劳寿命可靠性设计优化，计算结果表明，通过所提方法显著提高了燃气轮机压气机叶片-轮盘的低周疲劳寿命均值和可靠性。

关键词：压气机叶片轮盘流固耦合低周疲劳 Kriging模型可靠性分析设计优化

固体火箭发动机内部燃烧产物辐射特性预示方法及分布规律

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固体火箭技术 2024年第1期47卷 60-69页

作者：郝雪帆李伟曹涛锋张虎西安交通大学航天航空学院陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安710049 西安航天动力技术研究所西安710025

介质辐射传热对含金属推进剂固体火箭发动机内部热环境影响显著。建立精确、高效的参与介质辐射特性预示方法是对发动机内部热环境进行精细数值预示的重要前提。针对发动机内的熔融氧化铝颗粒和多组分燃气,分别基于Mie理论和逐线计算法... 详细信息

介质辐射传热对含金属推进剂固体火箭发动机内部热环境影响显著。建立精确、高效的参与介质辐射特性预示方法是对发动机内部热环境进行精细数值预示的重要前提。针对发动机内的熔融氧化铝颗粒和多组分燃气,分别基于Mie理论和逐线计算法建立了其辐射特性精细计算方法,结合数据插值方法和普朗克平均吸收系数总体模型构建了固体火箭发动机燃烧产物辐射特性快速预示方法。计算得到了HIPPO喷管内部燃烧产物辐射特性参数的一维分布特性,研究了燃烧温度、压强及推进剂铝含量对喷管内燃烧产物辐射特性的影响规律。结果表明:在燃烧室和喷管喉部之间颗粒对燃烧产物吸收系数的贡献占主导地位,而燃气的贡献可忽略;在喷管扩张段,燃气对吸收系数的贡献逐渐显著;在喷管出口处,燃气对吸收系数的贡献不可忽略;燃烧室温度和推进剂铝含量的升高、燃烧室压强的降低均会导致燃气对辐射传热贡献比例的减小。

关键词：固体火箭发动机燃烧产物熔融颗粒燃气辐射特性预示方法

一种基于改进YOLOv7的相机标定特征点检测方法

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兵器装备工程学报 2024年

作者：陈松闫国闯马方远王西泉田晓耕西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室中国兵器工业试验测试研究院

在基于视觉方法的军事目标检测等技术中，相机的精确标定是进行目标高精度测量的前提，同时也是开展后续图像处理、目标跟踪、三维重建的基础。相机标定的关键在于准确的检测图像中的标定特征点。以当前使用范围较广的棋盘格标定法为对... 详细信息

在基于视觉方法的军事目标检测等技术中，相机的精确标定是进行目标高精度测量的前提，同时也是开展后续图像处理、目标跟踪、三维重建的基础。相机标定的关键在于准确的检测图像中的标定特征点。以当前使用范围较广的棋盘格标定法为对象，针对受干扰(模糊、重噪声、极端姿态和大镜头失真)的标定图像难以进行特征点提取的问题，提出一种融合改进YOLOv7-tiny深度学习网络和Harris角点检测的相机标定特征点检测算法。针对原始网络在相机标定特征区域检测中的各种问题，引入Gather-and-Distribute信息聚合分发机制替换YOLOv7-tiny的加强特征提取网络(FPN)部分，提高不同层之间特征融合的能力；在主干特征提取部分后加入Biformer注意力机制，提高对小尺寸特征点候选区域的捕捉能力；在Head部分使用改进Efficient Decoupled Head解耦头，在提高精度的同时维持了较低的计算开销。测试结果表明，改进后的YOLOv7-tiny网络对特征点候选区域检测的准确率有显著的提高，达到95.3%，证明了改进后网络的有效性和可行性。

关键词：相机标定深度学习 YOLOv7-tiny 信息聚合分发机制注意力机制 Harris算法

双稳态压电超结构的超传输滞回效应与非互易编码特性

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力学学报 2024年第7期56卷 2103-2113页

作者：郑宜生陈逸涵瞿叶高孟光厦门大学航空航天学院西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室

利用超结构的非线性效应能够实现新颖的振动能量传输调控现象.双稳态超结构存在非线性超传输特性,即在超结构线性化带隙内,当激励幅值超过某个临界值时,传输的振动能量将突变到很大值.文章针对含双稳态分流电路的压电超结构梁,建立了力... 详细信息

利用超结构的非线性效应能够实现新颖的振动能量传输调控现象.双稳态超结构存在非线性超传输特性,即在超结构线性化带隙内,当激励幅值超过某个临界值时,传输的振动能量将突变到很大值.文章针对含双稳态分流电路的压电超结构梁,建立了力电耦合非线性动力学数值模型,并采用伽辽金法对数值模型进行降阶处理以提升计算效率.基于上述模型研究了双稳态压电超结构的振动能量非线性传输特性,发现超结构线性局域共振带隙内的超传输特性存在滞回效应,也即向上扫幅激励和向下扫幅激励两种工况下超传输临界值不同.通过改变双稳态电路两个稳定平衡点的间距或者电路在稳定平衡点的共振强度可以移动超传输滞回区间.进一步通过在双稳态压电超结构一侧布置线性共振电路来引入系统非对称性,可使得正方向和反方向的超传输滞回区间发生偏离,利用这种非互易的超传输滞回效应可以在不同激励幅值区间实现不同模式的非互易编码.增强系统非对称性可使得正方向和反方向的超传输滞回区间偏离更加显著,故非互易编码区间具有可调性.文章极大地拓展了超材料的非互易模式,正方向和反方向能量传输性能不再局限于传统超材料固定的“传输”或“非传输”状态,通过合适的非互易编码设计可以实现弹性信息的单向传输功能.

关键词：压电超结构双稳态电路非线性超传输非互易编码滞回效应