分段拓扑修形齿轮的成形磨削与试验

基于成形磨削的几何原理和机床运动学原理,提出了斜齿轮副的一种分段拓扑修形方法.通过改变齿顶和齿根处渐开线的发生线长度实现齿廓分段修形;给砂轮附加一个抛物线+直线的径向进给运动实现齿向分段修形.推导出基于成形磨削过程中拓扑修形齿面的计算公式,对修形齿面的边界进行了划分,建立成形磨齿机各伺服轴的运动方程.根据齿面的数值模拟结果,在五轴数控(CNC)成形磨齿机上进行磨削加工与在机拓扑测量,验证了成形法实现齿面拓扑修形的可行性. 对给定转速和负载工况下的齿轮箱进行加载试验,齿轮箱振动能量级幅值下降0.008dB,噪声减小约2dB.研究表明分段拓扑修形有利于降低齿轮传动振动和噪声.      

基于粒子模拟的舱内布局对霍尔推进器可靠性评估真空羽流的影响

对霍尔推进器地面测试过程中真空环境下的羽流流场进行模拟研究,通过直接蒙特卡洛(DSMC)方法进行多种布局方式下的系列数值模拟,重点研究地面测试设施中舱内的抽氙冷板、束流挡板在不同布局环境下对真空羽流流场的影响。数值模拟结果显示:抽氙冷板的布局位置对羽流流场影响较不明显,但应考虑舱内各处均布以防压力局部集聚过高形成阻力;束流挡板对返流粒子的抑制作用明显,对抽氙冷板等具有较好的防护功能,但也同时改变了羽流流场分布,甚至会影响到推进器的放电特性和性能表现。通过该数值模拟方法可以实现对舱内工艺设备的设计指导,对抽氙冷板、束流挡板等进行布局优化,继而为推进器地面测试提供更为有效的测试环境。     

大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。     

高速列车车辆连接部位气动噪声数值模拟及降噪研究

采用大涡模拟与声类比相结合的方法,对高速列车车辆连接部位不同尺寸参数时的气动噪声进行了数值模拟,并提出降噪改进方案。研究得到了高速列车以300km/h速度运行时车辆连接部位的气动噪声分布,结果表明:车辆连接部位气动噪声在很宽的频带内存在,是宽频噪声;各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大,随着频率的增大先增大后减小,1/3倍频程A声压级主要集中在315～1000Hz频率范围内;车辆连接部位不同尺寸参数中,气动噪声声压级幅值随着凹槽长度L和高度H的增大而有所增加;采用全风挡方案较无风挡时,有效避免气流在凹槽内剧烈扰动,气动噪声显著改善,声压级平均降幅约为9.4%,总声压级平均降幅4.27dBA;研究结果为低噪高速列车的初期研制设计提供科学依据。     

波浪前缘静子叶片对高速轴流风扇单音噪声的影响

航空发动机压气机噪声与大型风洞压缩机噪声问题日益凸显,相关研究机构迫切需求新的降噪手段以指导大型叶轮机械降噪设计。为了探索波浪前缘静子叶片在大型叶轮机械降噪中的应用前景,采用非定常雷诺平均Navier-Stoke（URANS）方程与FW-H方程混合方法对基准静子叶片和3种波浪前缘静子叶片的降噪效果进行了数值模拟,研究对象静子来流平均马赫数约为0.49,基于静子叶片弦长的雷诺数约为1 040 000。数值预测结果显示：波浪前缘静子叶片可以显著降低高速轴流风扇单音噪声,但会对风扇的气动性能产生少许不利影响;相较于基准静子叶片,3种波浪前缘静子叶片可以在1BPF时降低风扇入口声功率级0.97~1.5 dB,2BPF时降低风扇入口声功率级2.89~4.9 dB,3BPF时降低风扇入口声功率级3.32~4.72 dB;同时,总压比降低0.1%~0.8%,等熵效率降低0.1%~0.3%。进一步研究表明：不同频率下声源振幅和相位关系是风扇单音噪声强度的主要影响因素,总的来说,幅值的增加会降低声源强度,然而通过改变声源相位关系的降噪方式则需要兼顾径向模态与波长两个方面。     

基于支持向量机的色林错湖冰提取及时空分布

高原湖泊面积在冰川和降水作用下不断扩大,湖冰作为指示全球气候变化的敏感因素之一极具研究价值。基于天宫二号遥感数据,通过对比平行六面体、最小距离法、最大似然法及支持向量机,发现支持向量机对于湖冰提取具有更显著的优势。使用支持向量机对色林错湖区2017～2018年7景遥感影像进行湖冰提取,结合当地气象数据,发现总体精度高于88.58%,7景中6景影像分类精度高于95%;色林错湖于12月份开始封冻,直至1月底完全封冻,并于次年3月开始消融,4月实现全面消融;温度、水系、盐度均不同程度地影响色林错湖的封冻-消融过程。温度为色林错湖冰生消过程的主因,水系的注入延缓了色林错西部、西南部以及北部区域封冻,而盐度则导致湖冰生消与温度变化不完全一致,封冻时间推迟、消融时间提早。     

基于属性形态学分析的图像显著极值检测及应用

由于图像噪声的存在,使得利用传统的极值检测算法通常会使要提取的显著极值淹没在大量的噪声极值中;同时由于先验知识的缺乏,采用普通滤波技术也往往不能很好的滤除噪声,反而会破坏图像的关键结构。本文提出了一种基于属性形态学分析的图像显著极值检测算法。该算法可以在不需要对图像进行滤波的前提下,从数学形态学的角度对图像极值的显著性进行计算和评估,从而能够较好地提取出显著的极值。在沉浸模拟算法的基础上,给出了基于属性形态学分析显著极值检测的快速算法实现,并将其成功应用在视觉注意选择和独立运动目标检测上。实践证明,该算法不仅具有较好的抗噪声特性,而且快速实用,具有广泛的应用价值。     

涡桨飞机有/无动力降落构型的气动噪声预测

以某双发涡桨飞机为对象，采用精细化笛卡尔网格与混合RANS/LES数值模拟，结合FW-H方程的声类比方法，对某涡桨飞机的有动力降落构型和无动力降落构型（均为1/6缩比模型）开展气动噪声预测与对比研究。通过对比分析近场流动结构、机身表面压力分布与压力脉动探测数据、Lamb矢量的散度分布和远场观测点噪声数据，发现对于无动力降落构型，翼尖、襟翼侧缘、襟翼连接件、襟翼与机身连接处等位置的表面压力脉动显著强于其他区域；对于有动力降落构型，除上述区域外，在螺旋桨滑流的干扰下，发动机舱、机翼前缘和襟翼表面压力脉动明显增大。远场噪声观测数据表明，采用的噪声预测方法不仅能够准确捕捉螺旋桨旋转噪声主频，还能够清晰观测到2倍、3倍及4倍谐频。最终结果显示，有动力降落构型的螺旋桨旋转噪声幅值最大，是最主要的噪声源。有动力降落构型相比于无动力降落构型的总声压级要高20 dB左右。因此，建议针对该涡桨飞机降落构型，其降噪设计重点应放在螺旋桨降噪优化设计方面。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。     

仿自然风对模拟失重体温调节反应的影响

航天飞行和模拟失重可抑制人体热调节反应,主要表现为机体静息和运动状态下皮肤血管舒张反应能力下降和核心体温的升高。载人航天器内采用恒速机械风(CAF)保持舱内大气环境的均匀,地面研究发现仿自然风(SNAF)可较CAF显著加强机体的冷感觉。为探讨SNAF是否可以较CAF一定程度上缓解失重状态导致的体温调节能力下降,以30天-6°头低位卧床模拟微重力的生理效应,7名男性被试者分别在卧床前和卧床第29天,暴露于对照无风、CAF和SNAF气流模式下,周围环境温度为23℃,后两种气流模式的平均风速为0.2 m/s。记录实验中被试者的直肠温度(Tre)、皮肤温度和皮肤血管传导率(CVC)及其热感觉(TSV)。经过卧床,对照环境Tre显著升高;卧床后,与CAF相比,SNAF下的Tre的降低程度更多,且更接近对照水平;平均皮肤温度、CVC和TSV均显著降低。卧床后SNAF下的TSV接近"热中性"。实验结果表明,与恒速通风相比,仿自然通风可更为有效地维持卧床状态下的核心体温。     

基于运动特征和中心环绕模型的空对地车辆检测方法

平台的移动基于空基车辆检测以其视野广、速度快、适应性强等优点,近些年成为了智能交通和航空应急救援等领域内的一个热点课题。然而,在城市背景的交通环境下,由于复杂背景造成的干扰、车辆运动的不规律性以及光照等条件变化带来的噪声,有效地获取运动对象特征是空对地视觉监视方法面临的一个难题。为有效解决这一问题,提出了结合运动特征的中心环绕模型进行空对地车辆检测的算法。现有的空对地车辆检测算法,大多是针对固定的摄像头的情况下,基于运动特征进行检测,例如光流法、背景差法等。这些方法在对高速公路等背景相对较为简单的环境下获得了良好的检测结果,但当面对城市复杂背景条件或摄像头自身运动的状况时,难以有效地检测出运动目标。而在对颜色、强度等静态特征进行显著度分析的基础上,加入了对运动特征的分析,可以解决在复杂环境下准确提取车辆目标有效特征的问题。试验表明,相较于基于图像相减的检测算法和单一显著度算法,该算法可以获得更高的检测率与更低的误报率。     

缝翼凹腔挡板气动性能和降噪效果数值研究

采用定常RANS方法计算缝翼凹腔挡板气动性能,并进一步采用SNGR方法快速评估缝翼凹腔挡板降噪效果。首先利用30P30N三段翼型的风洞试验数据验证数值方法的可靠性;其次参照AIAA国际会议发表论文中的标准前缘缝翼及其凹腔挡板几何模型,对无挡板、短挡板和长挡板三种构型的气动性能和噪声特性进行了对比。计算结果表明:1)短挡板和长挡板不会改变失速迎角,在失速迎角下带来了的升力损失仅为0.2%和0.7%;2)挡板带来的升力损失主要是由挡板上下表面及主翼下翼面前缘的压力分布差异导致的,而压力分布差异又源于挡板对缝翼凹腔分离涡形态的影响;3)相比无挡板构型,短挡板和长挡板构型均能降低缝翼凹腔及缝道附近的自噪声、剪切噪声和总噪声,且长挡板构型的降噪效果比短挡板构型更为显著。     

模拟不同重力水平下多种步态中下肢关节运动特征研究

为探索低重力环境对人体行走和跑步时下肢关节运动特性的影响,搭建了一种悬吊式低重力模拟装置,采用惯性运动捕捉系统,对9名男性受试者在常规重力(1g)、模拟火星重力(1/3g)和模拟月球重力(l/6g)条件下的平地行走(速度4 km/h)、平地慢跑(速度7 km/h)和坡地行走(速度3.6 km/h、坡度15°)进行运动测量,得到了不同重力水平下平地与坡地行走和跑步时髋、膝与踝关节的关节活动范围等运动学数据。结果表明,下肢各关节在矢状面上的屈曲/伸展活动范围远大于冠状面的内收/外展和横截面上的内旋/外旋活动。模拟低重力条件下,髋关节和膝关节在各个平面上的活动范围均明显减小,踝关节活动角度无显著变化规律。通过分析一个步态周期内各关节在矢状面上的角度变化发现,低重力条件下,步态运动的支撑时相变短,摆动时相变长,步态更加缓慢,且倾向于采用一种行走-蹦跳的步态策略。基于以上实验结果,梳理出了满足平地与坡地多种步态需求的下肢关节活动范围,并对星际航天服下肢关节配置进行了初步讨论。     

民用飞机抛放式飞行记录器分离过程仿真研究

在民用领域,抛放式飞行记录器在国内外尚无系统的研究报告,也无成熟的标准、规范或指南可以借鉴参考。本文提出的计算流体力学(CFD)与六由度运动方程的耦合仿真技术,能较准确地模拟出大部分工况下记录器抛放时的运动轨迹,为记录器离机安全性这一关键技术攻关提供理论依据数据支持,从而有效降低研发成本。     

模拟存在运动激波流场的无网格自适应算法

将无网格自适应算法发展用于求解存在运动激波的非定常流动问题。为了降低初始布点要求,同时提高对运动激波的分辨率,提出了一种结合点云加密和点云粗化的动态点云技术。采用该技术,在非定常计算的每一个时间步,首先通过基于压强梯度的流场探针识别出激波所在位置,然后对激波附近点云进行加密,从而提高对激波的分辨率,同时对远离激波的点云进行粗化,尽可能减少冗余节点,提高计算效率。采用所提出的无网格自适应算法求解了N-S方程,首先对一维运动激波问题进行了数值模拟,通过将数值模拟结果与精确解比较,验证了所提算法求解存在运动激波的非定常流动的可行性,在此基础上,将方法推广用于二维非定常流动问题的求解,分别对瞬时激波碰撞圆柱以及双弧翼型激波振荡流动进行了数值模拟,计算结果表明,方法可以显著提高对激波的分辨率,同时相对于直接采用较密布点的非自适应算法,自适应算法在计算效率上具有优势。     

预设堵块法检测进气道自起动能力的数值研究

在进气道内预先设置轻质堵块迫使进气道不起动,堵块被气流吹出后流道恢复畅通,为激波风洞提供了一种检测进气道自起动能力的方法。为了深入认识预设堵块方法的检测过程,将堵块简化为一个自由度的刚体运动,采用k-ωSST湍流模型,结合铺层动网格技术,对该检测方法进行了二维非定常数值模拟。在Ma_∞=5.9条件下,采用改变堵块质量的方式,获得了三种典型的检测过程。通过分析堵块在气动力作用下的运动与进气道非定常波系演化相互耦合的过程,揭示了堵塞作用产生和消除的流动机理。结果表明,堵塞时间没有显著地改变进气道的自起动能力,预设堵块方法成功检测到进气道在Ma_∞=4.9自起动。此外,建立了预估堵块运动的匀加速模型,预估的堵塞时间与数值模拟结果较为符合。在Ma_∞=5.9条件下,堵块的临界质量约为3.8g。考虑到激波风洞实验时间短暂,应选择合适的堵块。     

Beta频段双耳差频声刺激对大脑生理状态的影响

随着载人航天事业的快速发展,航天员的大脑状态调控以及警觉度提高技术成为航天人因工程研究热点和难点问题之一。为了探究beta段差频声刺激对大脑状态的调控作用,在Nback任务过程中进行了beta段双耳差频声刺激组和对照组平行实验。根据实验中的N-back反应时和正确率分类,划分成三组对beta频段差频声刺激敏感程度不同的受试人群,分别是敏感组、中间组和非敏感组,分析beta频段功率谱密度差值、(alpha+theta)/beta的比值、非线性特征样本熵和互信息脑网络等特征。结果表明,双耳差频声刺激的脑区激活存在个体差异性,对声刺激敏感的受试者,差频刺激下,脑电功率谱中的beta频段在右颞区能量增强(T4,p0.005),T3电极处三组人群(alpha+theta)/beta比值具有显著差异性,敏感人群中刺激组样本熵值比对照组高10.53%,且互信息集群系数最高(0.971),脑网络信息交流增强,这说明差频声刺激能改变大脑的生理状态,在提高航天员的注意力和警觉度、对抗脑力疲劳方面具有应用前景。     

应用快速多分类SVM的航空发动机故障诊断方法

提出了一种新的快速多分类SVM算法,用于解决大样本情况下航空发动机的多类故障诊断问题。首先,选用层次支持向量机(H-SVM)来实现多类分类,用各类数据中心代表该类数据,通过自组织特征映射神经网络(SOFM)进行聚类,把类中心之间距离较近的数据归为同一个子类进行训练,得到H-SVM层次结构。其次,在训练H-SVM中的二元分类器时,应用相对边界向量(RBV)代替全部训练样本,在保持分类精度几乎不变的条件下大幅度减少了训练样本数,使训练时间明显缩短;同时,由于支持向量的数量减小,分类时间也相应缩短。在分类数据混迭较为严重的情况下,新算法先剔除混迭的异类数据,再计算RBV,并且把与计算的RBV距离小于一定数值的样本都选择来训练SVM,保证了RBV的合理性,防止了关键数据的丢失,有效提高了分类精度。针对一个航空涡喷发动机5类复合故障的分类进行了实例仿真,总的故障分类正确率达到91.2%,二元SVM的训练时间最多只有原来的16.20%;当训练样本总数达到7500的大规模情况下,根据本算法,约减后的样本数量只有原来的3.05%。仿真结果表明,提出的算法有效、可靠,容易实现。     

风洞试验中的视频测量技术现状与应用综述

视频测量（Videogrammetric Measurement,VM）技术因其对试验模型的设计制造无要求,受到国内外风洞试验机构的青睐,本文综述了国外航空航天强国的风洞试验机构所掌握的 VM 技术,并分析了 VM 技术在我国高速暂冲风洞试验中应用所面临的问题,据此中国空气动力研究与发展中心（CARDC）提出了多相机动态标定与基于运动估计的序列图像匹配技术,在暂冲高速风洞高噪声（130 dB 左右）振动环境下,建立了高精度的模型位姿光学测量技术,2米量级高速风洞中的多个应用表明：视频测量的精度高,已用于高速试验模型的姿态与变形测量;另一方面,通过 VM 测量偏折位移场得到光束从摄影中心出发穿过扰流区的光程差,为气动光学效应的研究与测量以及试验模型的壁面流动显示提供新的途径,其光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,因此具有巨大应用前景。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。