非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。     

光滑粒子模拟方法在超高速碰撞现象中的应用

简要介绍了基于黎曼解的光滑粒子法,并将改进的SPH方法应用于超高速碰撞,对二维轴对称条件下的弹丸超高速碰撞薄板问题进行了数值模拟,研究了靶板厚度、弹丸速度、弹丸形状等因素对形成碎片云的影响。通过与实验数据比较,该算法模拟的碎片云的形状及特征与实验相吻合,验证了光滑粒子法对冲击动力学问题数值模拟的有效性。     

基于边缘检测的柱壳实验图像分析方法

为实现金属柱壳爆轰加载实验中内界面照相图像的自动处理，获得内界面的特征参数，研究建立了基于边缘检测的图像分析方法。采用M—H算子对图像进行边缘检测，并提出双线边缘输出方式避免出现边缘交叉连通问题，获得描述柱壳内界面轮廓的连续闭合边缘；研究了内界面轮廓曲线的自动提取方法和等效圆半径测量方法等。应用结果表明，该方法可实现柱壳实验图像的精确、自动处理，快速获得内界面等效圆半径等定量物理参数；也可用于类似实验图像的分析处理。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究，并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术，提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果，然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段，对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合，实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例，模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性，以及计算速度的高效性。实验证明，深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律，然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值；并且可以在训练数据集控制参数范围外，进行小范围推理预测；同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型，可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段，实现碎片云实时生成的潜在方案。     

用于疲劳可靠性设计的P－S_α－S_m－N曲面拟合法

本文以线性相关系数最优为基础，给出了Ｐ－Ｓα─Ｓｍ─Ｎ（概率─幅值─均值─寿命）曲面拟合方法。通过对大量Ｐ－Ｓα─Ｓｍ─Ｎ数据进行处理发现，使用该方法拟合Ｐ－Ｓα－Ｓｍ－Ｎ试验数据具有简便、拟合程度高等特点。     

刚性弹斜侵彻石灰石靶的子弹头部形状优化

基于空腔膨胀理论,提出了一种计算斜侵彻条件下轴向阻力和侧向阻力的计算方法,并基于阻力公式,对斜侵彻石灰石靶的刚性子弹头部形状进行了优化设计,使得轴向阻力和侧向阻力为最小,提高子弹的侵彻性能.研究结果表明,无论是单独考虑轴向阻力还是侧向阻力,斜侵彻状态下获得的最优头部形状函数都介于卵形和锥形之间.     

基于图像处理的蝌蚪匀速直线游泳运动分析

蝌蚪作为两栖类动物变态发育的水生幼体，针对其生物特性的研究较多，但对其行为运动的关注一直较少。作为典型的非流线型游泳动物代表，蝌蚪游泳行为的运动特征和力学机制对相关仿生应用有重要参考意义。本文利用高速摄影技术记录了不同大小和速度的蝌蚪游泳过程，通过图像处理分析游动过程中蝌蚪身体形态的变化，得到了蝌蚪头部偏转角度和尾部摆动频率、变形波长等运动特征参数，并归纳总结了各运动参数随体型、速度等因素的变化规律。根据蝌蚪的身体形态和运动特征，提出了头部转动与尾部摆动二分量组合的游泳运动描述公式，并基于实验数据拟合得到了表征参数，在此基础上对蝌蚪游泳时的流场和力学特性进行了计算分析。研究结果表明：蝌蚪具有可与鱼类相比的游泳能力；中小蝌蚪偏向于相对高频、头部大幅偏转的运动模式，大蝌蚪偏向于相对低频、头部小幅偏转的运动模式；随着相对游泳速度的增加，蝌蚪摆动频率、头部偏转角、尾部摆幅和波长均呈增加趋势；蝌蚪头部偏转的幅值与尾部摆动的频率、幅值呈正相关关系。     

基于混凝土裂纹数字图像的有限元网格生成

通过结合数字图像处理技术、边界矢量化技术与有限元网格自动生成技术,提出了基于数字图像的混凝土构件裂纹有限元分析方法。本文以混凝土裂纹为研究对象,先采用Canny算子提取裂纹边缘,对中断的边缘和伪边缘利用顺序边缘连接算法进行连接和剔除;然后,通过矢量化技术将裂纹边界拟合成小线段;最后在矢量化边界的基础上,利用自动生成技术生成裂纹结构的有限元网格,实现对裂纹区域受力情况的分析。实验结果表明:本文提出的方法可实现混凝土结构裂纹的图像监测与力学分析的一体化,能够大幅提高现役结构的评估速度和效率。     

OPTIMAL TRACK SEEKING CONTROL OF DUAL-STAGE ACTUATOR FOR HIGH DENSITY HARD DISK DRIVES

Based on generalized the variation method, by introducing Hamilton function andLagrange multiplier, this paper proposed a linear quadratic optimal control strategy for an in-complete controllable system with fixed terminal state and time. Applying the proposed optimalcontrol to the simple two-input dual-stage actuator magnetic head positioning system with threedegrees-of-freedom, the simulation results show that the system has no residual vibration at theterminal position and time,which can reduce the total access time during head positioning process.To verify the validation of the optimal control strategy of three degrees-of-freedom spring-massmodels in actual magnetic head positioning of hard disk drives, a finite element model of an actualmagnetic head positioning system is presented. Substituting the optimal control force from simplethree degrees-of-freedom spring-mass models into the finite element model, the simulation resultsshow that the magnetic head also has no residual vibration at the end of track-to-track travel.That is to say, the linear quadratic optimal control technique based on simple two-input dual-stage actuator system with three degrees-of-freedom proposed in this paper is of high reliabilityfor the industrial application of an actual magnetic head positioning system.     

Systematic errors in digital image correlation due to undermatched subset shape functions

Digital image correlation techniques are commonly used to measure specimen displacements by finding correspondences between an image of the specimen in an undeformed or reference configuration and a second image under load. To establish correspondences between the two images, numerical techniques are used to locate an initially square image subset in a reference image within an image taken under load. During this process, shape functions of varying order can be applied to the initially square subset. Zero order shape functions permit the subset to translate rigidly, while first-order shape functions represent an affine transform of the subset that permits a combination of translation, rotation, shear and normal strains. In this article, the systematic errors that arise from the use of undermatched shape function, i.e., shape functions of lower order than the actual displacement field, are analyzed. It is shown that, under certain conditions, the shape functions used can be approximated by a Savitzky-Golay low-pass filter applied to the displacement functions, permitting a convenient error analysis. Furthermore, this analysis is not limited to the displacements, but naturally extends to the higher-order terms included in the shape functions. This permits a direct analysis of the systematic strain errors associated with an undermatched shape function. Detailed numerical studies are presented for the case of a second-order displacement field and first- and second-order shape functions. Finally, the relation of this work to previously published studies is discussed.     

基于最优运输无网格法的Whipple屏超高速撞击数值模拟

Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题，本文采用最优运输无网格法（optimal transportation meshfree, OTM）对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法，其特点是运用最优运输理论对时间进行离散，采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散，利用局部最大熵（local maximum entropy, LME）方法得到插值函数，基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟，通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比，验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性；然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟，将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比，结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径，也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。     

The influence of surface roughness on cloud cavitation flow around hydrofoils

The aim of this study is to investigate experimentally the effect of surface roughness on cloud cavitation around Clark-Y hydrofoils. High-speed video and particle image velocimetry(PIV) were used to obtain cavitation patterns images(Prog. Aerosp. Sci. 37: 551–581, 2001), as well as velocity and vorticity fields. Results are presented for cloud cavitating conditions around a Clark-Y hydrofoil fixed at angle of attack of α = 8?for moderate Reynolds number of Re = 5.6 × 10~5. The results show that roughness had a great influence on the pattern, velocity and vorticity distribution of cloud cavitation. For cavitating flow around a smooth hydrofoil(A) and a rough hydrofoil(B), cloud cavitation occurred in the form of finger-like cavities and attached subulate cavities, respectively. The period of cloud cavitation around hydrofoil A was shorter than for hydrofoil B.Surface roughness had a great influence on the process of cloud cavitation. The development of cloud cavitation around hydrofoil A consisted of two stages:(1) Attached cavities developed along the surface to the trailing edge;(2) A reentrant jet developed, resulting in shedding and collapse of cluster bubbles or vortex structure. Meanwhile, its development for hydrofoil B included three stages:(1) Attached cavities developed along the surface to the trailing edge, with accumulation and rotation of bubbles at the trailing edge of the hydrofoil affecting the flow field;(2) Development of a reentrant jet resulted in the first shedding of cavities. Interaction and movement of flows from the pressure side and suction side brought liquid water from the pressure side to the suction side of the hydrofoil, finally forming a reentrant jet. The jet kept moving along the surface to the leading edge of the hydrofoil, resulting in large-scale shedding of cloud bubbles. Several vortices appeared and dissipated during the process;(3) Cavities grew and shed again.     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究,并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术,提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果,然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段,对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合,实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例,模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性,以及计算速度的高效性。实验证明,深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律,然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值;并且可以在训练数据集控制参数范围外,进行小范围推理预测;同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型,可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段,实现碎片云实时生成的潜在方案。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。