基于数值模拟的工程设计中参数不确定性表征方法研究综述

现代工程设计大量使用数值模拟技术，然而数值模拟中仿真模型、几何参数、工作载荷、环境条件等均存在不确定性，这些不确定性直接影响数值模拟结果的可信度，尤其在研发对性能和可靠性要求严苛的装备时，忽略这些不确定性将产生潜在风险，因此在基于数值模拟的工程设计中开展不确定性量化意义重大。不确定性表征既是准确开展不确定性量化和优化设计工作的前提，也是工程精细化设计的重要支撑。本文阐述了基于数值模拟的工程设计中所面临的不确定性因素，根据不确定性因素的表现形式和可用信息，按照概率表征和非概率表征两大类总结了目前主流的参数不确定性表征方法，介绍了各种表征方法的基本思想、主要原理、适用范围以及方法在工程实践中的发展和应用，并简要阐述基于不确定性表征结果进行不确定性传播的基本思路，最后对不确定性表征的研究方向进行了展望。     

未知载荷条件下机械系统剩余寿命预测方法

针对无法确定复杂机械系统的随机工作载荷的问题，提出了一种基于隐半马尔可夫模型(HSMM)的寿命预测方法。在完成基于隐半马尔可夫模型的载荷空间构建后，引入前向-后向过渡参数，并结合Viterbi算法对模型参数进行求解，通过估计参数预测随机未来载荷的转移走向及对应的概率。将载荷预测的结果结合基于多传感器信息的寿命预测模型预测系统的剩余寿命。使用NASA的商用模块化航空推进系统仿真数据验证所提方法的有效性和正确性。      

石墨烯/PLA吸波复合材料等效传热性能分析

基于细观力学理论，运用代表性体积单元方法研究石墨烯填充聚乳酸（PLA）复合材料导热性能。根据显微照片分析复合材料细观结构特征并构建二维随机分布模型，利用有限元方法求解复合材料等效导热系数，并通过实验结果验证模型正确性和有效性。通过参数化分析研究各细观结构参数对复合材料导热性能的影响规律，并通过传热路径分析其影响机制。结果表明：所建随机模型数值模拟结果与实验结果拟合较好；随石墨烯质量分数增加，复合材料传热性能增强，且石墨烯的长厚比与取向对复合材料整体导热性能有较大影响；同时，石墨烯与基体之间的界面接触热阻显著降低了复合材料整体导热性能。     

随机复合材料统计多尺度边界元算法研究

热传输行为是空天飞行器热防护系统服役过程中的重要问题,研究随机复合材料的热传输机理,可为热防护系统材料与结构的一体化设计提供理论依据。针对随机复合材料的热传导问题,发展一种统计多尺度边界元算法,首先建立等效材料参数的统计多尺度分析模型,然后给出统计意义下等效参数的多尺度边界元预测算法,并通过与理论结果的对比来验证算法的有效性,最后研究微结构分布状态对陶瓷多孔材料等效导热系数的影响。结果表明:采用统计多尺度模型及多尺度边界元算法预测随机复合材料的热传导性能是有效的。     

基于单片机的高精度波形信号直接生成方法研究

针对直接数字频率合成(DDS)技术不适于单片机直接实现的问题,提出了一种波形信号生成的整周期循环法。借助片内嵌有直接存储器存取控制器(DMA)和数模转换器(DAC)等外设的单片机,该方法可以在不引入DDS专用芯片的情况下直接生成预设波形信号,且在生成信号时完全不占用单片机的CPU时间。对生成波形信号的整周期循环法进行了理论分析,导出了生成信号的频率及最大相对频偏公式,给出了算法实现流程。采用STM32单片机对整周期循环法生成正弦信号进行了实验测试。实验表明生成信号的频率精度高,且波形稳定、质量好。     

压气机叶片加工误差影响不确定分析

为了正确评估加工误差的影响，提出了一种考虑加工误差大小、分布随机性的数值研究方法以实现叶片性能不确定性分析。采用NURBS(非均匀有理B样条) 方法实现叶型参数化，通过检测及统计手段获取误差真实分布，运用蒙特卡洛模拟生成随机样本，并训练Kriging代理模型进行不确定性分析，得到了叶片加工误差对气动性能的影响。结果表明:加工误差对气动性能的影响与所处工况有关，最高使得损失增加0.853%；叶型性能对于吸力面表面型线更为敏感，在加工及检测过程应给予更高要求。      

一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法

为了提高实时卫星钟差估计的精度和稳定性，提出了一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法。基于超快速轨道产品，分析了轨道标准差与绝对轨道误差的相关性。通过线性插值获得实时轨道误差信息，以优化先验残差的随机模型。基于先验轨道标准差阈值，采用分段方式剔除实时轨道异常卫星对应的观测值。实验结果表明：轨道标准差和轨道误差的相关性高达0.82。与常用的高度角相关的随机模型相比，GPS卫星钟差估计精度最大提高了15.2%，平均提高了8.1%，钟差误差的时间序列更加平稳，所有GPS卫星的平均钟差STD均在0.15ns以内。因此，超快速轨道产品中提供的轨道标准差与绝对轨道误差表现出较强相关。采用顾及轨道误差的实时钟差估计方法可提高GPS卫星钟差估计精度，准确识别并剔除GPS实时轨道异常的卫星，从而提高GPS实时钟差估计的稳定性。