发动机故障诊断的MONTE CARLO通解算法

给出了发动机故障诊断的 Monte Carlo通解算法,该算法可以有效地解决发动机故障诊断算法中由于故障方程存在多重共线性所引起的误诊、漏诊与多解问题。首先给出求解故障方程的 Monte Carlo算法,该算法能够保证得到满足故障方程的全部合理解;能够简单地用于各种故障相关性准则 (例如各种残差向量范数准则 )以及亚定故障方程的求解问题;并且算法简单易行,无需为每个特定情况专门编制计算程序。其次提出了基本解与通解的概念,并且给出了利用主成分分析与利用主因子模型求基本解的两种有效算法。利用基本解与通解算法可以将由于多重共线性引起的复杂故障诊断结果表示为简单明了的形式,有利于对诊断结果作出正确决策。用计算机模拟方法对算法的有效性进行了分析,对于 JT9D发动机气路方面的 2 4个实际故障样本,所给出的算法的确诊率为 86%～ 92 %     

一种基于Kriging和Monte Carlo的主动学习可靠度算法

机械结构可靠性分析时,常常会采用代理模型拟合隐式功能函数来解决计算量大的问题,但由于试验设计方案需要同时考虑代理模型的拟合精度和可靠度计算精度的问题。因此,为了能够充分使用较少的样本信息,最大化可靠度计算精度,本文充分发挥Kriging预测的随机特性,提出一种主动学习可靠度计算方法。首先,类似于优化问题中改善函数的选点方式,提出一种基于Kriging预测的学习函数,基于Monte Carlo法生成大量的候选样本点,找出学习函数最小值对应的样本点作为最佳取样点。其次,推导和提出了一种学习停止的条件,保证了Monte Carlo样本点预测符号的正确性且学习次数明显减小。最后,通过2个数值算例分析结果表明,该算法相比其他方法需要更少的样本数量,得到的可靠度计算精度更高,验证了本文算法的正确性和高效性。     

正交多项式在不确定转子动态响应计算中的应用及对比分析

为研究航空发动机转子系统中的区间不确定性对系统动态响应的影响,提出利用正交多项式求解不确定转子响应的非嵌入式区间分析法,克服了传统概率方法需要参数先验概率分布的苛刻要求。用有限元法建立了悬臂转子的确定性运动方程,阐述了Chebyshev和Legendre两种正交多项式建立响应代理模型的原理和计算步骤。通过与Monte Carlo抽样对比,验证方法的可行性和精度。对照Monte Carlo方法500样本的计算结果,两种多项式区间法计算结果都具有较高精度,误差均小于1%,而计算时间则分别为Monte Carlo法的2.5%和5.4%,Chebyshev多项式方法具有更高的计算效率。分析了不同不确定参数在不同不确定水平下,系统的响应范围。研究表明,正交多项式区间分析法可高精度高效率地计算转子系统区间响应范围,不确定性对该转子系统动力特性影响很大,多源不确定性传播可引起转子系统大幅振动。      

基于降维可视化与Kriging的齿轮振动可靠性分析

针对齿轮振动可靠性分析时计算量大、计算精度低等问题,提出一种基于降维可视化技术和Kriging模型的可靠性分析方法.通过Monte Carlo法生成抽样点,采用降维可视化技术将多维空间降至二维极特征空间,通过Kriging模型预测失效域与安全域的分界线,在预测分界线时,借助Kriging非线性预测和误差分析的特性,通过一种主动学习选点的方式建立Kriging预测模型,来提高样本点的利用率.通过齿轮振动可靠性的算例表明:相比于传统的降维可视化技术,调用极限状态函数由975次减少为149次,计算时间由12400s减小为1810s,可靠度与100000次Monte Carlo模拟计算结果基本吻合一致,验证了该算法的正确性和有效性.      

高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟.算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段.     

确定时间序列均值和方差函数的移动多点平均方法

为了提高有限样本或小样本情况下时间序列均值和方差函数的确定精度,以保证时序建模、分析和预测精度,提出一种确定序列趋势项的移动多点平均方法.该方法能够得到时间序列均值中非周期部分,结合样本周期图法得到的周期项,可综合得到其均值函数,并可进一步得到时序的标准差函数.Monte Carlo模拟对比结果表明:该方法不仅能够保证时间序列段内分析精度,而且能够有效提高时间序列的预报精度.      

粒子群优化的Kriging近似模型及其在可靠性分析中的应用

将粒子群优化(PSO)算法引入Kriging建模过程,依靠PSO算法的群体搜索能力克服了模式搜索法单点序列搜索方式的局限性以及严重依赖于初猜解的缺点,保证了在任意初始条件下都能获取极大似然意义下的最优相关参数,从而有效确保了Kriging预测结果的最优无偏性.涡轮盘低循环疲劳可靠性分析实例表明,粒子群优化的Kriging(PSO-Kriging)近似模型对危险点周向应变变程的预测精度相对神经网络有数量级上的优势(最大误差由5.94%降低到0.09%),可不牺牲精度地代替有限元程序进行Monte Carlo模拟;同时PSO-Kriging建模与预测的总时间不及一次有限元分析的1/10.由于预测精度高(其最优无偏性由PSO算法保证)且计算开销不大,提出的PSO-Kriging对于实际工程结构的可靠性分析有一定应用价值.      

超低轨航天器气动特性快速预测的试验粒子Monte Carlo方法

超低轨(LEO)卫星气动特性的快速准确计算是对其进行轨道预测和控制的关键输入条件。基于真空技术领域中计算管道分子流率的试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法,结合自由分子流理论,发展了一套快速准确预测低轨卫星气动特性的TPMC方法,给出了其模拟步骤及主要关键技术点,并采用该方法模拟了带电池翼超低轨卫星的气动特性和航天器典型构件之间的多次反射效应。结果表明:TPMC方法在计算超低轨航天器气动力、力矩时具有较高的可靠性和对工程复杂外形的适用性;该方法能够准确模拟自由分子流理论无法求解的多次反射问题,给出正确的气动力系数;该方法的计算速度比直接模拟Monte Carlo(DSMC)快3~4个量级,存储量要求也比后者低1~2个量级,是超低轨航天器气动特性快速准确预测的一个理想方法。     

十二表冗余捷联惯导系统数据融合技术研究

针对采用正十二面体冗余仪表构型的十二表冗余捷联惯性导航系统,通过仿真和样机试验,开展了基于最小二乘估计的数据融合算法研究。对不同故障模式下的系统精度进行了分析,并通过Monte Carlo仿真验证了数据融合算法对提高系统导航精度的有效性。设计开展了样机静态导航试验,试验结果表明,理论最优的马尔柯夫估计并不完全适用于脉冲输出形式仪表的数据融合。最后通过优化改进加权系数、构造加权矩阵,显著提升了样机的静态导航精度,使样机位置误差和姿态误差与三表直接解算相比分别降低了78.6%和77.9%。     

基于ERSM 的涡轮机匣径向变形动态概率分析

针对复杂结构动态概率分析,提出了高效率动态概率分析的极值响应面方法(ERSM)。首先介绍了动态概率分析的极值响应面方法基本原理,并推导出了其数学模型;其次,考虑机匣材料属性与边界条件的非线性、热载荷动态性以及多个随机变量,将该方法应用到高压涡轮机匣径向变形概率分析中,得出了各输入输出随机变量的分布特征和影响机匣径向动态变形的主要因素。与Monte Carlo法和响应面法进行比较,结果表明:ERSM在保证计算精度的前提下,既能大大缩短计算时间,又能提高计算效率,同时也验证了该方法的可行性和有效性。     

考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟

为了对离子发动机光学系统进行数值分析，开发了考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟程序。模拟程序采用单元内粒子（PIC）方法，光学系统为双栅极结构，推进剂采用氙，总加速电压为1600V，栅极间距为1mm，粒子之间的电荷交换碰撞模型采用蒙特卡洛方法。采用链式存储结构存储粒子信息，可以实现数组式存储方法所不能实现的功能。使用粒子模拟程序对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，模拟得到了栅极间的电场分布和氙离子空间分布。模拟结果表明，在所取工作参数下氙离子全部通过了栅极孔，未撞击到栅极上，验证了参数的合理性。     

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

气膜冷却射流对叶片微细颗粒沉积影响

针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI-Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响.研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒径增大到17 μm后沉积率增加幅度开始变小.存在冷却射流时,射流可以通过吹离和卷吸作用影响小...     

Experimental and numerical study of deposition mechanisms for cold spray additive manufacturing process

Cold spray is an attractive and rapidly developing process for additive manufacturing with high efficiency and precision, repairing and coating, especially in aircraft and aerospace applications. Cold spray additive manufacturing deposits micro-particles with large plastic deformation below their melting point, eliminating heat effect zone which could deteriorate the quality of repairing zone. The particle deposition in cold spray is a complex process which involves high strain rate,high contact...     

Plume aerodynamic effects of cushion engine in lunar landing

 During the second period of China "Tanyue" Project, the explorer will softland on the moon. The cushion engines are used to decelerate the explorer and reduce the impact on the lunar ground. It is necessary to study its plume effects on the explorer component. The self-developed PWS (Plume WorkStation) software based on direct simulation Monte Carlo (DSMC) method is used to simulate the plume effects of two 150 N engines. Due to the complex structure of the explorer, PWS uses a decoupling method to treat the boundary mesh, which mainly interacts with simulation particles, and has no relation with the computational grids. After the analytical expressions of plane surfaces and curved surfaces of each boundary block are given, the particle position within or without the boundary blocks can be easily determined. Finally the 3D plume field of two 150 N engines is simulated. The pressure, temperature and velocity distributions of plume field are clearly presented by three characteristic slices. The aerodynamic effects on the explorer bottom, the landfall legs and antenna are separately shown. The compression influence on the plume flow of four landfall legs can be observed.     

阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征的蒙特卡罗数值模拟

本文对阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征进行了蒙特卡罗直接模拟（ＤＳＭＣ）。采用中点数值逼近法确定模拟分子与物面碰撞点，利用网格编号将三维计算问题一维化，把流场入口处的分子补充与分子排序有效结合，利用分子横穿流场次数确定流场稳定前的时间步长计算次数。简化了计算过程，大大节约了计算机时和内存。给出了指令舱从自由分子流到过渡区不同Ｋｎｕｄｓｅｎ数、各攻角下的气动特征。模拟结果与有关理论、实验数据相比，证实     

基于FEM-NN-MCS模拟应力集中系数的结构可靠性分析

在机械结构可靠性分析中,由于应力集中系数的预测精度直接影响可靠性分析与计算结果,可见应力集中系数(SCF)是最主要的参数之一。采用理论方法通常很难获得应力集中系数,因此目前主要采用实验方法。采用实验方法尽管可以较精确地获得应力集中系数的数值解,但不能直接给出基本随机变量和应力集中系数之间的关系,为进一步的可靠性分析带来困难。作为可供选择途径,使用有限元法(FEM)获得应力集中系数的数据库,采用神经网络方法模拟应力集中系数,用BP神经网络建立结构的输入和输出关系,在此模型上,将MonteCarlo和可靠性理论相结合,提出了解决应力集中情况下的结构可靠性问题的分析方法。     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

基于分布式粒子群算法的翼型优化设计

采用求解N-S方程作为优化算法中的CFD分析方法,基于标准粒子群优化算法(PSO),将其与遗传算法中的选择机制相结合,形成了一种改进的基于自然选择的粒子群算法(SELPSO),以提高算法的求解精度和改善算法的全局收敛性。为改善串行粒子群算法效率低,耗机时等缺点,文中将分布式计算引入到优化设计过程中,实现了基于分布式粒子群算法的翼型设计优化系统,设计实践表明,文中发展的优化算法对优化设计系统质量和效率都有着大幅度的提高,在工程中具有很好的实用价值。     

一种基于NGA-QPF的航天器姿态估计方法

针对航天器姿态确定中的非线性非高斯的滤波问题,提出一种基于遗传算法的粒子滤波的航天器姿态估计方法。该方法将姿态四元数作为采样粒子进行粒子滤波,并将小生境遗传算法（NGA）引入粒子滤波算法中,以改善粒子滤波的性能;用遗传算法单独进行陀螺偏差估计,以减少粒子滤波的状态维数。该姿态估计方法保持了四元数的归一化性质,通过引入小生境遗传算法解决了重采样阶段的粒子退化问题,并且由于单独估计陀螺偏差避免了粒子滤波状态的扩展。该方法能够在较少粒子的情况下实现高效率高精度的定姿,仿真结果说明了方法的有效性。