考虑随机和认知混合不确定性的航空发动机燃烧效率灵敏度分析

针对燃烧室初步设计阶段输入参数存在混合不确定性的特点,提出一种概率盒框架下的全局灵敏度分析方法。简单介绍了航空发动机燃烧效率的一维计算方法;在随机和认知混合不确定性的概率盒表征基础上,使用Sobol指标的上下限表征概率盒中随机与认知混合不确定性对响应的贡献程度;最后基于双层嵌套蒙特卡洛/非嵌入式多项式混沌展开（Monte Carlo Simulation/Non-intrusive Polynomial Chaos Expansion,MCS/NIPCE）方法对概率盒灵敏度指标进行求解,筛选出重要变量和次要变量,实现模型的降维。通过某航空发动机燃烧效率的全局灵敏度分析对所提出的方法进行了验证。研究结果表明,Sobol指标的上下限可以显著表征概率盒灵敏度指标,在保证计算精度的前提下,双层MCS/NIPCE方法的计算效率要远远高于传统双层蒙特卡洛（Monte Carlo Simulation, MCS/MCS）方法,可获得考虑随机和认知混合不确定性情况下燃烧效率输入参数的重要性排序。     

失效概率矩独立全局灵敏度分析的高效算法

失效概率矩独立全局灵敏度分析对指导可靠性优化至关重要，本文从乘法降维及Edgeworth级数展开的角度提出一种失效概率矩独立全局灵敏度指标分析的高效算法。所提算法通过Edgeworth级数展开将失效概率矩独立全局灵敏度指标的求解转化为输出无条件及条件前四阶整数矩的求解。对于输出的无条件及条件四阶矩的计算，基于乘法降维的思想，本文推导了重复利用计算输出的无条件矩的输入输出样本来计算条件矩以及外层关于输入变量一维积分的计算公式，使得仅需重复利用输出无条件前四阶矩求解产生的积分网格内的数据即可同时求得输出的前四阶条件矩以及外层关于输入变量的一维积分。所提算法大大提高了失效概率矩独立全局灵敏度的分析效率。航空发动机涡轮盘以及汽车前轴的分析结果验证了所提算法的高效性及准确性。     

基于偏导数的全局灵敏度指标的高效求解方法

在全局灵敏度分析领域,基于偏导数的全局灵敏度指标由于其优良的特性得到了广泛的关注。针对目前求解基于偏导数的全局灵敏度指标计算效率低的问题,提出了一种高效的求解方法。该方法利用乘法降维近似地将响应函数展开为连乘积的形式,从而将求解偏导数全局灵敏度的高维积分问题转化为一维积分的连乘积,在保证计算精度的前提下大大降低了求解基于偏导数的全局灵敏度指标的计算量。在求解特定点的偏导数时,采用了复数步长方法,提高了计算精度。最后,通过算例验证了所提方法的准确性和高效性。     

结构可靠性分析的拟蒙特卡罗方法

由于蒙特卡罗(MC)方法具有程序结构简单,收敛速度与问题维数无关等优点,故其在结构可靠性分析中得到了广泛应用。但是对于小失效概率等问题,计算效率低这一主要缺点限制了该方法的应用范围。为了解决MC方法存在的问题,通过引进单位超立方体中不同的低偏差点集代替伪随机数序列,并结合了重要抽样技术建立了结构可靠性分析的拟蒙特卡罗(QMC)方法。该方法不但可以大幅度减少抽样点数目,还能够得到确定性的估计值, 避免传统MC方法只能得到概率意义下误差的缺陷。通过数值算例可以看出本文方法具有较高的计算精度和效率,因此适用于结构可靠性分析问题。     

弯曲网格上的间断有限元湍流数值解法研究

采用间断有限元方法对雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程进行了数值求解,对Spalart-Allmaras单方程湍流模型进行了部分修正,使得求解器更加鲁棒。构造了分段高次多项式来逼近真实物面,同时物面附近采用多层弯曲网格来避免网格交叉,此外提出了一种快速计算积分点的曲面物面距的方法。采用混合网格对NACA0012翼型以及RAE翼型进行了数值计算,并与实验数据以及前人数据进行了对比。计算结果表明,采用物面弯曲网格结合修正的湍流模型方法在相对稀疏的网格上就能得到比较好的数值解。     

基于交叉熵和空间分割的全局可靠性灵敏度分析

基于失效概率的全局灵敏度分析可以度量各个基本随机变量的不确定性对失效概率的影响程度,对如何降低结构的失效概率具有指导意义。基于交叉熵方法和空间分割提出一种新全局可靠性灵敏度分析方法。该方法采用交叉熵法自适应的确定重要抽样密度函数,有效地回避了传统重要抽样中设计点位置和个数求解的困难。基于评估失效概率所使用的样本,利用空间分割方法计算各个输入随机变量的全局可靠性灵敏度指标,能够提高样本的利用率和计算效率。文中利用一个数值算例和两个工程算例验证了所提方法的计算效率和精度。     

基于降维算法和等效杆长的可展结构精度分析

考虑铰链间隙和杆件尺寸误差的不确定性并通过概率统计方法对其进行研究,提出了一种基于单变量降维算法(UDRM)和等效杆长模型的可展结构精度分析方法。利用UDRM将可展结构的精度性能函数解耦为多个杆件尺寸误差的独立作用形式,建立精度分析模型。引入等效杆长模型,等效杆件替代原杆件进行精度计算。将铰链间隙与原始杆件尺寸误差合并到等效杆件的尺寸误差中,同时证明了等效杆长尺寸误差近似服从正态分布。以某卫星可展开天线为算例,结合高斯求积公式求解展开状态下精度指标的分布期望和方差。通过与蒙特卡罗模拟(MCS)和一次二阶矩(FOSM)法计算结果的对比验证了本文精度分析方法的正确性和高效性。     

湍流模型系数不确定度对翼型绕流模拟的影响

使用非嵌入式多项式混沌方法研究了湍流模型系数的不确定度对RAE2822跨声速翼型绕流模拟的影响。计算中关注了数值模拟的积分量（升力系数、阻力系数）和局部量（壁面压力、摩擦系数和空间马赫数分布）的不确定度量化结果。首先,从单输入变量入手,研究卡门常数的不确定度对数值模拟的影响。然后,同时考虑Spalart-Allmaras模型中9个参数的不确定度带来的影响。通过多项式混沌展开,得到系统输出对不确定输入变量的响应,由此可以得到输出的统计特性,包括平均值、方差和极值等信息。最后,在多变量不确定度量化过程中,通过Sobol指标来量化每个输入变量的不确定度对输出不确定度的贡献程度。本文计算只考虑了RAE2822跨声速翼型模拟的单一计算状态,影响规律是否可以推及其他工况和算例需要进一步检验。     

考虑模糊失效准则的结构疲劳寿命可靠性

 针对常规设计中对功能函数失效状态规定与常识不符这种情况,提出了考虑模糊失效准则的结构疲劳寿命可靠性,将结构寿命视为随机变量,而设计寿命视为模糊变量,研究了设计寿命服从线性L-R分布时的结构疲劳寿命可靠度,给出了随机载荷下结构疲劳寿命概率密度函数的确定方法,并提出了随机变量与模糊变量相组合时的一种新的可靠度数值计算方法,该方法先利用Gauss-Legendre积分将模糊可靠度求解的二次积分转换成一次积分,列出与Legendre多项式零点相对应的阀值,然后在给定的阀值下,将设计寿命转化成普通的截集区间,在截集区间内假定结构疲劳寿命概率密度函数服从均匀分布,利用Monte Carlo模拟得到对应于该阀值的结构疲劳寿命可靠度值。数值结果表明,常规设计下结构的疲劳寿命可靠度偏于危险。     

非结构聚合多重网格法流场数值模拟研究

 在非结构网格上应用聚合多重网格技术来加速 Euler方程的收敛过程。设计了一种高效率的网格聚合方法。采用四重网格,在每一层网格上采用有限体积法进行计算。通过对多段翼型绕流的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性。     

离子束加工中工件吸收热功率分析与建模研究

利用束流修正理论和蒙特卡罗模拟法对离子束加工中某一工艺参数下工件吸收的功率进行理论建模,然后采用测温实验对理论模型进行验证.设计实验时,利用有限元仿真确定了一种合理的轰击靶材铜,简化了实验并且方便了计算.     

Sensitivity Analysis for Safety Design Verification of General Aviation Reciprocating Aircraft Engine

This paper presents an application of global sensitivity analysis for system safety analysis of reciprocating aircraft engine. Compared with local sensitivity analysis results, global sensitivity analysis could provide more information on parameter interactions, which are significant in complex system safety analysis. First, a deterministic aviation reciprocating engine thermodynamics model is developed and parameters of interest are defined as random variables. Then, samples are generated by Monte Carlo method for the parameters used in engine model on the basis of definition of factor distribution. Eventually, results from engine model are generated and importance indices are calculated. Based on the analysis results, design is improved to satisfy the airworthiness requirements. The results reveal that by using global sensitivity analysis, the parameters could be ranked with respect to their importance, including first order indices and total sensitivity indices. By reducing the uncertainty of parameters and adjusting the range of inputs, safety criteria would be satisfied.     

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。     

含有正态相关变量的多设计点/多失效模式情况下的方向抽样可靠性灵敏度分析

针对含有正态相关变量的多设计点/多失效模式系统的可靠性问题,提出了两种有效的基于方向抽样的可靠性灵敏度分析方法。可靠性灵敏度分析方法的基本思路是首先将正态相关变量进行等价独立标准正态变换,利用改进的方向抽样可靠性灵敏度分析方法得到独立标准正态空间的可靠性及灵敏度结果;通过复合求导法则,将独立标准正态空间的可靠性及灵敏度结果转化到正态相关空间,得到失效概率对相关正态变量分布参数(均值、标准差和相关系数)的偏导数,并对所推导的可靠性及灵敏度估计值进行了方差分析。与经典的MonteCarlo数字模拟法相比较,文中所列的数值算例和简单工程算例的分析结果验证了所提方法的可行性与有效性。     

An efficient algorithm for calculating Profust failure probability

For efficiently estimating the Profust failure probability based on probability input variables and fuzzy-state assumption, a General Performance Function(GPF) expression is established under the strict mathematical derivation for the Profust reliability model. By constructing the GPF,the calculation of the Profust failure probability can be transformed into the calculation of the traditional failure probability. Then various existing methods for the traditional failure probability can be used to estimate the Profust failure probability. Due to the high efficiency of the Adaptive Kriging(AK) model and the universality of the Monte Carlo Simulation(MCS), AK inserted MCS(abbreviated as AK-MCS) has been proven to be an efficient method for estimating the failure probability. Therefore, the AK-MCS combined with the GPF(abbreviated as AK-MCS + GPF)is proposed for estimating Profust failure probability. The proposed method greatly reduces the computational cost while ensuring the accuracy. Finally, four examples are given to validate the proposed AK-MCS + GPF. The results of the examples show the rationality and the efficiency of the proposed AK-MCS + GPF.     

Human factors quantification via boundary identification of flight performance margin

A systematic methodology including a computational pilot model and a pattern recognition method is presented to identify the boundary of the flight performance margin for quantifying the human factors. The pilot model is proposed to correlate a set of quantitative human factors which represent the attributes and characteristics of a group of pilots. Three information processing components which are influenced by human factors are modeled： information perception, decision making, and action execution. By treating the human factors as stochastic variables that follow appropriate probability density functions, the effects of human factors on flight performance can be investigated through Monte Carlo（MC） simulation. Kernel density estimation algorithm is selected to find and rank the influential human factors. Subsequently, human factors are quantified through identifying the boundary of the flight performance margin by the k-nearest neighbor（k-NN） classifier. Simulation-based analysis shows that flight performance can be dramatically improved with the quantitative human factors.     

小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度分析的高效方法

针对目前很多算法都无法准确、高效地计算小失效概率（10^-4,甚至更小）情况下的全局可靠性灵敏度问题,本文提出了一种高效求解小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度新算法。所提算法通过扩大标准差构造重要抽样密度函数来进行空间分割（SP）,再与无迹变换（UT）结合,利用函数在分割后的子空间内非线性程度的降低和无迹变换方法可以高效计算低非线性程度函数的前二阶矩,来高效准确地计算小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度。所提算法的优点有：重要抽样密度函数的选择可以使得空间分割时向重要区域偏移,并且在分割区域内功能函数的复杂性被降低,从而可以利用无迹变换方法高效计算失效概率,进而高效求得全局可靠性灵敏度。与已有的算法相比,算例说明了本文所提方法的优势。     

利用旋转双天线载波相位双差的欺骗干扰检测技术

有效的欺骗干扰检测是防止卫星导航接收机被欺骗干扰攻击的前提。提出了一种基于旋转双天线载波相位双差的卫星导航接收机欺骗干扰检测技术,在对接收机双天线匀速旋转时输出载波相位测量值进行载波相位双差处理后,利用广义似然比检验实现了对单一发射天线输出欺骗干扰信号的检测。进一步分析了旋转半径和数据长度对检测性能的影响,并与旋转单天线和天线阵载波相位双差欺骗干扰检测方法的性能进行了对比。最后,通过蒙特卡罗方法进行了仿真验证,结果表明了该检测方法和检测性能分析的正确性。     

直升机高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法

为了准确高效地分析高速四点接触球轴承的接触疲劳可靠性,将蒙特卡罗随机有限元(MC SFEM)与应力-强度干涉理论相结合提出了一种有效的可靠性分析方法.在高速、高温和弹流润滑（EHL）的复杂工况下,利用有限元法(FEM)建立了基于热 结构耦合分析的有限元模型.考虑到轴承材料属性、润滑油参数及接触疲劳强度的随机性对可靠性的影响,在借助MC SFEM和K S (Kolmogorov Smirnov)检验确定了高速四点接触球轴承疲劳接触应力分布类型的条件下,根据应力-强度干涉理论建立了高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法.结果表明:与传统的MC SFEM方法相比,该方法的耗时仅是传统MC SFEM的0.243％,两者之间的可靠性误差仅为1.48％,进一步验证了该方法的有效性.