基于双向反射分布函数的空间卫星紫外动态特性研究

根据目标所处的背景辐射环境,对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性,将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近,最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。     

面向系统仿真的垂直腔表面发射半导体激光器模型

建立了一个基于速率方程,考虑了热效应、空间烧孔效应的垂直腔表面发射半导体激光器的模型,并根据其物理和几何特性,通过正交变换简化了速率方程的计算,从而得到一个新的高效的面向系统连接的仿真模型,并将此模型用于激光器和光纤之间的耦合。实验结果表明,此模型可以广泛地应用于面向系统连接的光学仿真。     

标准镜的高精度柔性支撑镜框的优化设计

为了实现干涉仪标准镜中光学元件的高精度定位,设计了一种柔性支撑镜框,研究了该结构的力学模型、结构参数、定位精度和透镜变形。首先,根据材料力学原理将柔性镜框等效为一个弹簧系统;根据力学方程和几何关系,建立了透镜中心位置与柔性结构的挠度之间的二元方程。然后,分析了安装位置、温度、结构参数对透镜位置以及作用力的影响。最后,应...     

标准镜的高精度柔性支撑镜框的优化设计

为了实现干涉仪标准镜中光学元件的高精度定位,设计了一种柔性支撑镜框,研究了该结构的力学模型、结构参数、定位精度和透镜变形。首先,根据材料力学原理将柔性镜框等效为一个弹簧系统;根据力学方程和几何关系,建立了透镜中心位置与柔性结构的挠度之间的二元方程。然后,分析了安装位置、温度、结构参数对透镜位置以及作用力的影响。最后,应用有限元仿真分析了所设计结构的力学性能,并进行对比验证。结果表明,数值仿真分析的结果与有限元仿真结果基本相同,柔性镜框的柔性结构厚度最优值为1.5 mm。该设计方案完全满足干涉仪标准镜对镜框在定位精度、稳定性方面的要求。     

积分方程平面反射阵电磁建模技术北大核心CSCD

针对基于空间功率合成的空馈平面反射阵(FLAPS)型高功率微波辐射器的高效率电磁仿真需求,应用积分方程方法结合多尺度混合电磁建模技术MLFMA-MLACE进行问题的电磁建模及求解,主要过程包括:针对设计模型进行多尺度几何建模;在宏观层面采用多层快速多极子加速矩矢相乘;在微观层面采用多层笛卡尔展开加速求解。结合W波段的FLAPS初步模型,利用传统多层快速多极子技术(MLFMA)进行了精度验证,对于混合方法在仿真中的适用性、模型等效处理程度的影响以及计算成本等进行了分析。结果表明,该方法在内存及计算时间方面显著地提高了效率,论文还对后续改进方向进行了讨论。     

空间目标可见光散射特性建模方法研究

针对空间目标的可见光散射特性提出一种建模方法.在分析空间目标所处的背景辐射环境基础上建立了空间目标背景辐射物理模型.对目标表面进行面元划分后,基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面面元的光散射特性,将目标各个表面所有面元散射分量叠加建立了目标可见光散射特性的数学模型.建立目标本体坐标系,通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系,利用矢量坐标法确定目标对观测系统的“可视表面”.根据给定的目标几何结构尺寸和物性参量仿真获得了目标在轨光学特性.计算结果验证了建模的有效性.     

双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法.双向反射分布函数(BRDF)可以有效地 描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性.根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合 适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模 型.基于轨道参数进行了仿真计算.计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入 瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略.而且,空间目标反射特性 不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关.仿真分析结果验证了建模的正确性.     

水声射线传播的黎曼几何建模·基础理论

水声建模一般采用外嵌描述,即以欧氏空间固定坐标系等要素刻画水声信道.黎曼几何是弯曲空间上的内蕴几何学,更能反映流形的本质性质.水声学高斯波束模型借鉴自地震学,可有效避免传统射线追踪的弊端,在以Bellhop为代表的水声模型中得到广泛应用,是水声射线建模与应用的主流方法之一.传统水声射线建模的欧氏空间底流形假设,难以有效刻画高斯波束的弯曲特性.本文通过建立水声射线传播的黎曼几何基本理论,得到程函方程、动态射线方程及高斯波束模型的黎曼几何内蕴形式,分析了水声射线几何拓扑性质,指出水声射线模型中的焦散点等价于黎曼几何中的共轭点,高斯波束几何扩展是测地线沿雅可比场的偏离,波束声线会聚体现为声场正截面曲率作用下偏离的测地线在共轭点的交汇.为验证理论正确性与适用性,本文以水平分层距离相关环境为例,给出特定环境和坐标系下应用前序理论建模的具体方法.3个典型水声传播算例的仿真对比分析,表明水声传播黎曼几何理论模型是准确有效的,相比Bellhop模型所采用的计算方法,具有更为清晰的数学物理含义.本文基础理论可方便推广至曲面、三维各向异性等情形,为后续在三维弯曲球体流形、四维时变伪黎曼流形等声传播环境下的...     

氦气冷却的MgB_2超导直流电缆本体热分析

清华大学、剑桥大学和麻省理工学院正在合作研制氦气制冷的MgB2超导直流电缆。针对此超导电缆本体结构,建立了简化热分析模型,求出了电缆的漏热量和氦气的轴向温度分布,并对氦气的进口温度、质量流率进行了优化分析;最后,利用FLUENT软件对整个电缆内流动和传热过程进行了2D建模和数值仿真;仿真结果和简化模型计算结果非常吻合,表明了简化分析模型可用于该类型超导电缆的热分析和热设计。     

星载光电跟瞄转台动态特性分析EI北大核心CSCD

针对目前利用有限元方法分析星载光电跟瞄转台动态特性时存在的建模失真问题,提出使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构等效建模,并通过定义模态阻尼比,精确模拟转台的固有频率及响应特性。通过理论计算和基于模态试验数据的参数辨识,确定各等效单元刚度;通过基于扫频试验数据的参数辨识,确定结构模态阻尼。基于建立的等效有限元模型进行仿真分析,模态分析中前6阶固有频率与试验结果的最大偏差为5.1%,谐响应分析中X、Y、Z三个主方向的最大响应与试验结果的最大偏差为3.2%,固有频率与响应一致性良好,均在允许的误差范围内。说明使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构进行等效建模,通过模态和扫频试验数据确定转台刚度和阻尼特性是可行的,对同类型转台的建模仿真有一定借鉴作用。     

10 kV三相同轴高温超导电缆力学性能分析

针对电缆示范工程的并网实验要求，以10 kV/1 kA三相同轴高温超导电缆为研究对象，重点研究了超导电缆的弯曲力学特性。运用了有限元分析软件建立其三维模型，模拟超导电缆受到不同弯曲半径下的应力和应变分布，再结合临界电流密度，计算出临界电流。在此基础上，对电缆样件进行弯曲实验，测量出不同弯曲半径下的临界电流。研究结果表明，该力学模型可以准确得出超导电缆的临界弯曲半径，有效保障电缆运行的安全性与稳定性。     

直流高温超导电缆用于数据中心配电的可行性

高温超导直流电缆是一种无传输损耗、高载流密度的特殊电缆,有潜力解决数据中心耗电功率密集、物理空间受限等问题。为了探究高温超导电缆在数据中心直流母线中应用的可行性,以某可再生能源供电、交直流混合配电的数据中心为原型,设计了高温超导电缆为数据中心配电的直流母线结构及其与支路的连接方式,通过有限元仿真的方法,设计了母线的基本结构,并对配电的效率、优势进行了初步分析。结果表明,在分布式新能源供电的数据中心中,应用高温超导直流电缆具有减少变电环节、减少空间占用、改善通风散热的作用,从而可以降低数据中心中的能量损失。     

铌钛中空超导电缆接头的直流特性分析

超导电缆接头是超导磁体的关键部件之一,其性能直接影响超导磁体的运行稳定性。通过对超导电缆接头的直流特性分析,可以比较全面详实的了解接头中电流的分布规律,并据此设计超导接头的最佳连接方式和尺寸。分析采用的软件是OPERA 13.0,建立并计算了超导接头全尺寸简化模型、1/33分段股线模型和1/33分段单侧股线模型,3类共计48个模型。在以减少超导接头引起的电缆载流能力损失,即做到各股线电阻的尽可能一致,并将接头整体电阻控制在nΩ级为目标,通过48个模型的计算结果,确定了中空超导电缆接头的最佳几何参数,分析了影响接头电流分布的关键因素。     

深空背景下空间目标红外特性建模方法研究

针对空间目标红外特性提出了一种精确建模方法.根据空间目标的背景辐射环境,充分考虑到目标表面间的热传导及内热源的影响,建立了空间目标的热平衡方程.基于目标的结构特性和材料特性,利用节点网络法求解了目标表面的温度分布.根据光辐射定律、光散射定律建立了空间目标红外特性的数学模型.结合具体的参数,对深空目标资源一号卫星和风云三号卫星的温度场分布和辐照度分布进行了数值计算,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

ITER CB超导电缆力学性能数值模拟研究

国际热核试验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)的校正场线圈(Correction Coil,简称CC)采用校正母线(Corrector Busbar,简称CB)连接磁体线圈和电流引线,以传递整个磁体系统所需的电流。CB导体采用的主要是管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,简称CICC),而CICC导体的主要结构是由超导线与铜线经过多级绞制而成的超导电缆。利用数值模拟方法给出了CB超导电缆力学模型,并分析了CB超导电缆中超导线的应分布。     

非惯性系下考虑剪切变形的柔性梁的动力学建模

研究非惯性坐标系下考虑剪切变形的柔性梁的动力学建模. 首先借鉴Euler-Bernoulli梁的几何非线性变形模式,考虑了Timoshenko梁弯曲以及剪切变形产生的几何非线性效应对纵向、横向变形位移的影响,在考虑两个方向的变形耦合项后,利用有限元法对柔性梁进行了离散,采用Lagrange方程建立了柔性梁的动力学模型,首次建立了包含变形二次耦合量的Timoshenko梁的动力学方程. 关键词： 非惯性坐标系 剪切变形 柔性梁 动力学建模     

碳纳米管的可控长度拾取及导电性分析

拾取指定长度的半导体性碳纳米管对大规模制造碳纳米管场效应管具有重要意义.本文提出了一种利用原子力显微镜探针和钨针对碳纳米管进行可控长度拾取的方法并进行了碳纳米管导电性分析.在扫描电子显微镜下搭建微纳操作系统,针对切割操作过程中原子力显微镜探针、钨针和碳纳米管的接触情况进行了力学建模和拾取长度误差分析.建立了单根金属性碳纳米管、单根半导体性碳纳米管及碳纳米管束与钨针接触的电路模型,推导了接入不同性质碳纳米管后电路的电流电压特性方程.使用原子力显微镜探针对碳纳米管的空间位姿进行调整,控制钨针对碳纳米管上目标位置进行通电切割,同时获取切割电路中的电流电压数据.实验结果表明,本文提出的方法能够有效控制所拾取碳纳米管的长度,增加碳纳米管与原子力显微镜探针的水平接触长度能够减小碳纳米管形变导致的拾取长度误差,建立的电流电压特性方程能够用于分析碳纳米管的导电性.     

弹性力学的重构核粒子边界无单元法

将重构核粒子法(RKPM)和边界积分方程方法结合，提出了一种新的边界积分方程无网格方法——重构核粒子边界无单元法(RKP-BEFM).对弹性力学问题，推导了其重构核粒子边界无单元法的公式，研究其数值积分方案，建立了重构核粒子边界无单元法离散化边界积分方程，并推导了重构核粒子边界无单元法的内点位移和应力积分公式.重构核粒子法形成的形函数具有重构核函数的光滑性，且能再现多项式在插值点的精确值，所以本方法具有更高的精度.最后给出了数值算例，验证了本方法的有效性和正确性. 关键词： 重构核粒子法 弹性力学 边界无单元法     

规范场理论和金融市场模型

文章介绍近年理论物理在金融学市场建模中的应用的一个新方向，与一般的数学建模不同，它是应用几何结构的模型，建立在规范场的物理思想和纤维丛的几何结构的基础上，文章介绍了规范场的物理概念思想原则，也介绍纤维丛数学概念和几何结构，然后说明规范场理论与纤维丛理论的相结合，成为与金融市场概念和运作相匹配的市场模型，举出这一模型成功引导出金融市场产品定价的Black—Scholes方程和公式。文章对象以物理学者为主，对于理论经济学、金融理论和系统科学的读者来说可略去数学推导。     

ITER MB超导电缆结构数值模拟研究

国际热核试验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)采用超导母线(Main Busbar,简称MB)连接磁体线圈和电流引线,传递整个磁体系统所需的电流。MB导体主要采用管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,简称CICC),CICC导体的主要结构是超导电缆,超导电缆是由超导线与铜线经过多级绞制而成。利用数值模拟方法给出了MB超导电缆的空间结构,并根据空间模拟结果给出了电缆绞制过程中的模具尺寸。