考虑隔热层的高岩温隧道温度场和应力场分布规律研究

高岩温热害问题是深埋隧道面临的难点问题之一。高岩温不仅会恶化施工环境、影响施工材料的选择和混凝土的耐久性等,高温带来的温度应力还会引起衬砌的开裂和围岩的变形等。为分析高岩温作用下隧道结构和围岩的温度场、应力场分布规律,根据简化的理论模型,建立了隧道的热传导方程和平衡方程,并利用量纲归一化和微分方程级数求解的方法得到了隧道结构和围岩的温度场、位移场、应力场的解析解。以典型的高原地热隧道-拉日铁路吉沃希嘎隧道为例进行详细地分析。研究发现:隔热层能有效地阻隔热量传递,减少围岩热量的散失;铺设隔热层后,初衬的温度升高;增加隔热层厚度可以加强隔热效果,但隔热层厚度的选择要综合考虑初衬温度以及材料性能变化的影响。     

一种改进的水下三阵元辅助惯导系统的定位算法

针对水下惯导系统定位误差随时间发散的缺陷,设计了一种基于DVL、声学定位辅助惯导的组合导航系统。声学定位系统由安装在水下潜器上的换能器阵和布放在海底的三阵元定位基阵组成,传统长基线定位水下至少要布放四个阵元,三个阵元无法直接定位求解。根据三阵元测得的距离信息和惯导系统输出的位置信息建立距离耦合模型,给出了惯导、DVL和声学定位系统的状态方程和量测方程;同时针对水下声速垂直分布特性,提出了一种等效声速的修正方法。仿真结果表明:在三阵元定位基阵作用范围内,组合导航系统能有效修正惯导位置误差,定位误差小于4 m,具有良好的适用性。     

车载紧耦合MIMUs/GPS的神经网络辅助强跟踪滤波方法

微惯性测量单元由三轴正交的微机械陀螺、加速度计和微型地磁传感器组成.将上述装置与GPS接收机组合,可构成最佳导航定位模型,其中紧耦合MIMUs/GPS对全导航参数(位置、速度及姿态)的测量精度可大幅提高.由于微惯性传感器具有大漂移特性,为获得具有自适应的线性参数模型,提出了融合滤波的信息处理方法,利用强跟踪滤波实现状态预测,二阶EKF实现测量更新,并借用神经网络技术完成对状态预测的修正.由于系统组件具有非线性,该神经网络辅助的强跟踪滤波方法旨在逼近MIMUs/GPS的真实特性,并为车载用户提供更为精准的导航参数信息.动态环境下的仿真试验表明,尽管MEMS惯性传感器的精度有限,所提出的方法能够有效用于实际的导航参数解算.     

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。     

基于改进灵敏度过滤策略的SIMP方法

在传统变密度法SIMP(Solid Isotropic Microstructures with Penalization)中,Sigmund灵敏度过滤策略是解决拓扑优化结果数值不稳定问题的重要方法之一。但在SIMP方法中采用Sigmund灵敏度过滤策略时,有时优化结果会有较多的灰度单元。为了减少拓扑优化结果中灰度单元的数量,提出了一种基于改进灵敏度过滤策略的SIMP方法。在过滤后单元灵敏度的计算中,增加了一个与中心单元过滤前灵敏度有关的部分,该部分在过滤后灵敏度中所占的比重需要通过过滤权重来调节。通过对灵敏度过滤需要的分析,确定了过滤半径和中心单元密度值是影响过滤权重的因素。根据拓扑优化实例的优化结果给出了过滤半径影响过滤权重的情况,并基于过滤半径对过滤权重的影响情况构建了过滤权重的函数。在改进灵敏度过滤策略的基础上,结合双重SIMP算法给出了本文SIMP方法的流程。最后,以悬臂梁结构和简支梁结构为例,验证了本文方法的有效性。与Sigmund灵敏度过滤策略相比,改进的灵敏度过滤策略能有效地减少灰度单元。与双重SIMP方法相比,本文SIMP方法能有效地减少数值不稳定现象。     

基于改进萤火虫算法的移动车辆参数识

提出了一种基于萤火虫优化算法的移动车辆参数直接识别方法.采用四自由度双轴十二参数车辆模型和欧拉梁有限元模型建立了车桥耦合系统的动力方程,并利用Newmark直接积分法求解了系统的动力响应.通过引入一种局部搜索策略和末位淘汰机制改进了萤火虫优化算法的收敛速率,并提高了识别结果的精度.本文方法仅利用车辆振动的竖向加速度响应测量就能进行移动车辆参数的识别.数值算例表明,改进的萤火虫优化算法可以准确地识别出车辆的质量、悬挂刚度和阻尼等参数,并且对测量噪声不敏感.     

力场-化学场耦合作用对含裂纹固体电解质力学行为的研究

为了研究力场-化学场耦合作用下的含裂纹电解质的断裂问题,本文构造了耦合情况下力场和浓度场的本构关系,并由这些本构关系建立了力场-化学场耦合问题的有限元方程。通过具体的算例,进一步探讨了裂纹尖端应力场和氧空位浓度分布的耦合作用对GDC(氧化钆掺杂的氧化铈)力学行为的影响,发现在耦合作用下,裂尖应力场对氧空位的分布有明显的诱导作用。     

薄片炸药与固体靶冲量耦合的计算模型

薄片炸药可用于模拟强脉冲X射线辐照下空间结构的响应,其与固体靶的冲量耦合作用是进行模拟载荷设计的基础。本文中基于有限元模拟技术,研究不同直径薄片炸药的边界稀疏作用和安装支座的反射作用对薄片炸药与固体靶冲量耦合的影响,结果表明:边界稀疏作用对薄片炸药的比冲量起到减弱的作用,由边界稀疏作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的倒数近似成线性关系;薄片炸药安装支座的反射作用对薄片炸药的比冲量起到增强的作用,由支座反射作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的平方近似成反比;随着薄片炸药直径的增加,薄片炸药比冲量趋于定值,边界稀疏作用和支座反射作用可以忽略;存在一个临界直径,当薄片炸药的直径为临界直径时,薄片炸药的边界稀疏作用和支座反射作用达到平衡,其比冲量大小和薄片炸药的直径为无穷大时的比冲量值相等。     

多节拍器耦合系统的动力学建模与分析——动量(矩)定理的应用

应用质点系的动量定理和相对动点的动量矩定理,建立了多个节拍器耦合系统的动力学方程.通过数值仿真,分析了其同步现象,并通过实验给予了验证.该问题可用于理论力学课堂教学,丰富教学内容,增强学生理论联系实际的能力.     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.