考虑结构非线性的铁路弹性车轮动态特性研究

为研究结构非线性(包括弹性车轮橡胶材料非线性和接触边界非线性)对弹性车轮力学行为的影响,设计静动态试验获得弹性车轮中橡胶材料非线性本构关系并探讨了橡胶黏弹性特性;推导弹性车轮系统中橡胶弹性模量与刚度的转换关系,并确定黏弹性橡胶材料的刚度特性;基于橡胶Yeoh本构模型,建立整体车轮、线弹性车轮、考虑材料非线性特性的弹性车轮(以下简称:非线性弹性车轮)以及同时考虑材料与接触非线性特性的弹性车轮(以下简称:接触弹性车轮)等四个动力学模型,研究四种车轮模型在轮轨垂向力激扰下车轮的动态规律,并探明橡胶材料参数对弹性车轮动态特性的影响.研究表明:弹性车轮能有效降低车轮垂向振动;线弹性车轮的端点和中点较之非线性弹性车轮分别最大增加10%和13%的变形量,且橡胶中点变形量小于端点变形量;线弹性车轮较之整体车轮最大能降低17%的垂向振动,非线性弹性车轮较整体车轮最大能降低22%的垂向振动,同时考虑橡胶材料非线性和接触非线性对弹性车轮的动态特性影响不显著;四种车轮振动主频均为3～5, 10以及22 Hz;弹性车轮的振动和变形量随材料硬度增加而增加.     

高速列车运行于软土地基线路引起的地面振动研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,建立了高速列车-轨道垂向耦合模型和轨道-土体有限元模型,提出了一种研究列车作用下地面振动问题的数值模拟方法.以高速铁路软土地基线路为例,分析了高速列车运行引起的地面振动特性,并探讨了采用水泥土搅拌桩加固软土地基对地面振动水平的影响.结果表明：当移动荷载速度达到土体表面的Rayleigh波波速时,匀质土体会产生类似于结构物共振的现象,而土体阻尼的存在能有效地降低地面振动水平,同时抑制临界车速下振动的突增;随着高速列车运行速度的增加,地面振动水平会不断提高,车速对地面振动的影响主要体现在近轨道区域内;软土地基加固后,地面振动位移和加速度均有不同程度的降低,距离地基加固区越近,水泥土搅拌桩的加固和减振效果越明显.     

基于证据推理的故障预报模型

为处理存在定量与定性不确定性信息的非线性复杂系统故障预报问题,建立了基于证据推理(evidential reasoning,ER)的故障预报模型,提出了ER预测模型的参数优化方法.该模型利用ER算法可以处理精确数据、不完整数据、模糊数据的能力,及其非线性融合的特性,对模型的输入信号,通过信息变换技术转化到信度结构框架下,应用解析ER算法对输入信息融合,根据输出数据的类型,构造相应的预测输出,给出了故障识别方法.针对ER预测模型参数难以精确的主观确定的困难,建立了非线性优化模型,对模型参数进行优化学习,获取最优模型参数.通过实验对ER预测模型的性能进行了分析,结果表明,建立的预测模型和参数优化模型可以有效的处理故障预报问题.     

基于弹道跟踪数据的全程试验鉴定

针对弹道式运载火箭的弹道特征,利用参数化技术建立内弹道与外弹道弹道差之节省参数模型.在此基础上,应用Bayes理论和数据融合方法,给出了一种能充分利用飞行试验数据和阵地测试数据的全程试验鉴定方法.因导弹落点可由弹道差数据及有关动力学特性折算,故落点精度鉴定可归为本文的特殊情况.与传统方法比较,本方法可充分利用全程的全部跟踪数据和各类相关试验信息,可同时给出成败型鉴定与精度鉴定的鉴定结论,并能给出鉴定结论的精度.     

人体生物力学模型建立及在汽车安全中的应用

汽车的发明给人类社会带来了巨大进步和便利,但同时引发的交通事故造成大量的人员伤亡与经济损失.本论文采用医学CT/MRI扫描获得人体主要组织的几何参数,采用有限元仿真分析工具建立人体有限元生物力学模型,结合文献已有的组织材料实验与尸体实验对模型进行仿真验证,模型验证参考了尸体实验数据进行了正面碰撞和侧面碰撞的仿真验证,碰撞中接触力、胸骨位移量、力-位移响应与实验吻合较好.开展了汽车方向盘与胸部碰撞的仿真应用研究,方向盘冲击作用于人体的生物力学响应与损伤特性符合真实事故中的变形规律,能再现肋骨骨折及内脏损伤,模型可应用于汽车碰撞事故中人员的损伤评估研究.     

高铁综合交通枢纽车站结构振动传播的测试分析

为深入研究高铁型综合交通枢纽车站在各类高铁列车低速进出站引起的振动传播特性与枢纽结构特性的关系,对南昌西站候车层进行大型现场实测.在候车大厅布设四类测点,从时域及频域方面研究高铁列车低速进出站引起的振动在候车层垂轨向和顺轨向的传递特性,同时研究梁柱、伸缩缝等不同结构位置对振动传播特性的影响.实测研究结果表明:振动传播受枢纽车站结构形式影响很大,梁柱结构的约束作用对高于40 Hz的高频振动传播抑制明显,大跨结构板跨中点振动响应最大;伸缩缝边缘出现振动响应显著增大现象,需要考虑此类三边支撑悬臂板板边位置的减振;综合交通枢纽车站的建桥分离结构,可以极大地阻隔40 Hz以上的高频振动,但低频振动仍可由结构-大地-结构传递,且衰减量很小;综合交通枢纽车站内综合竖向振动响应均大于水平向,占主导地位,但从分频频段来看,在低于5 Hz的低频段,水平振动大于竖向振动,同时水平振动传播衰减,受结构梁柱约束作用影响不明显.     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅰ):单元板式无砟轨道系统

在分析钢轨随桥墩沉降变形机制的基础上,从理论上推导了桥上铺设单元板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间的映射关系,给出了钢轨随桥墩沉降发生变形的解析表达式,与相应有限元模型的计算结果进行了对比,并分析了不同沉降量条件下的钢轨变形区域长度.研究结果显示解析模型和有限元模型得出的钢轨变形曲线十分吻合,表明两种模型均可用于求解单元板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;常用跨度桥梁结构的桥墩沉降会对高速行驶的列车产生低频激励,该激振频率与车体的垂向自振频率相近,将对车体振动产生较大影响.     

包含内部能量损失特性的水轮机力矩模型

分析水轮机能量损失的构成,定义了流道水力损失和撞击损失两种新的能量损失,并将水轮机内部能量损失分解为4种类型,定义相应的损失系数.给出了各项损失的表达式或特征描述以及损失系数的率定方法,进而建立了包含内部能量损失特性的水轮机力矩计算模型.利用所建立的模型可计算提取水力机组旋转的机械摩擦损失功率,解决了机械摩擦损失无法测量的困难;撞击损失的定义对空载损失过大的现象给出了合理的解释.采用额定工况下的特征参数来定义一组折算系数,将水轮机力矩模型中的参数转化为便于测量的参数,并进一步转化为关于主接力器位移的单变量函数,使得所导出的力矩模型应用方便.最后以电站实测效率试验数据对本文提出的方法进行了验证,结果表明,本文提出的方法能较好的反映水轮机内部损失特性,计算结果与实测数据吻合较好,精度高.     

阶梯轴-柔性盘耦合系统振动特性分析

传统的地面旋转机械轮盘类结构刚度较大,在转子动力学分析中多将其假定为集中质量点,而在航空发动机中为了满足减重的需要,轮盘较为轻薄,其柔性不可忽略.目前针对转轴和柔性盘耦合系统振动特性的研究还较少,为了弥补这一研究的不足,本文结合假设模态法和有限单元法,采用有限元-半解析混合建模法,建立了阶梯轴-柔性盘的动力学模型,其中阶梯轴采用铁木辛柯梁模拟,柔性盘则使用半解析方法建模,基于Lagrange方程和Galerkin方法,推导出系统的运动微分方程;然后分析了在静止和旋转状态下阶梯轴-柔性盘耦合系统的固有特性,并采用ANSYS软件仿真和模型实验验证了所开发模型的有效性;最后分别在刚性盘和柔性盘假设下,求解对比了系统的幅频响应,揭示柔性盘对系统高阶振动的影响规律.     

空间均化分层土壤入渗模型

以通用Green-Ampt模型为基础,用概率密度函数和垂向分层分别描述了土壤饱和导水率在水平和垂直方向上的空间变异性,通过面积均化建立了宏观尺度上的空间均化分层土壤入渗模型（SAI模型）.针对典型土壤入渗过程的数值实验表明了SAI模型具有较高的精度,能够充分反映饱和导水率空间变异性对入渗的影响.分析表明在暴雨期土壤的平均入渗率随水平方向的变异性增强而减小,目前采用的垂向平均方法将低估入渗量.SAI模型本身包含了土壤的非均匀性,是一个宏观尺度的模型,在保持模型物理机理和参数物理意义的同时,有效避免了由于入渗模型非线性和土壤非均匀性引起的模型适用尺度和应用尺度不匹配问题,在空间均化水文模型中的初步应用表明,SAI模型可以用于宏观尺度水文或气象模型中暴雨期或者灌溉条件下的入渗模拟.     

鸽群运动模型稳定性及聚集特性分析

鸽群运动模型参数对鸽群一致行为产生不同的稳定性和收敛性影响.本文通过分析鸽群群体运动的动力学模型特性,研究时延参数对群体同步特性的影响作用.基于鸽群运动模型,采用适合分析群体运动的模型描述方法和性能参数表达,并对比了不同运动形态下鸽群运动的不同特点.采用李雅普诺夫函数以及拉格朗日乘子法,对鸽群聚集运动的约束局部极小能量特性进行理论分析.利用李雅普诺夫理论、代数矩阵理论以及图论的相关工具,给出了鸽群运动聚集时的时延参数的稳定参数边界,以及收敛条件.以计算机数字仿真为手段,研究了不同参数情况下鸽群运动模式行为,分析了拓扑网络以及吸引-排斥函数对鸽群聚集-分离性能的影响.     

低浓度固液两相流理论分析与管流数值计算

从固液两相流的动理论出发,建立了模拟水平方管固液两相流动的数学模型,并与LDV测量结果进行了比较. 模型能够正确地预测实验中观察到的两种浓度分布类型,并给出了颗粒相脉动能沿垂向不同类型的分布. 在管流主流区,计算预测的颗粒平均速度小于液相速度,在边壁附近大于液相速度. 同时,对颗粒浓度、平均速度等流动属性的垂向分布机理进行了分析,从动理论的观点揭示了浓度不同分布类型的形成机理不仅与颗粒在流场中的升力有关,还与颗粒脉动能的分布有关.     

中国公共数据库数据质量控制模型体系及实证

在讨论公共数据库的公共产品属性及其制造过程的特点基础上,确定了公共数据库中数据质量的维度,提出了公共数据库作为特殊公共产品的生产过程中非技术数据清洗和数据稽查的概念,并建立了数据质量的变权综合评估模型.对公共数据库的数据制造过程质量控制进行了技术设计和博弈论模型分析,给出了各个环节的数据质量控制措施,并以此分析了当前中国公共数据库建设和运行中存在的问题和政策建议.最后,作为实例,提供了质量技术监督公共数据库的设计、运行、数据制造过程质量控制方法.     

天问一号火星探测器气动热防护系统设计与实现

本文采用基于热解层模型的烧蚀热响应计算方法,对轻质防热材料的烧蚀机理进行分析,预测了防热材料在火星气动热环境下的烧蚀、热解及传热特性.开展地面风洞试验设计,获取了多状态下的防热材料烧蚀数据.通过与地面试验数据的比对分析,对烧蚀传热计算模型中的不确定性参数进行了修正,最终确定了气动热防护系统的设计状态.飞行任务表明,天问...     

倾转旋翼机前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统气弹稳定性分析

倾转旋翼机是一种具有普通直升机垂直起降与空中悬停能力,又兼备螺旋桨式固定翼飞机高速远程巡航能力的新型飞行器.由于旋翼与机翼之间复杂的动力学耦合关系,在前飞状态下系统的动力学稳定性随着前飞速度的提高而降低,从而限制了倾转旋翼机飞行速度的提高.针对机翼具有弹性弯扭耦合特性的倾转旋翼机系统,建立了其前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统的气弹稳定性分析模型.利用Boeing试验模型的参数对倾转旋翼机前飞状态下的气弹稳定性进行计算,分析了机翼弹性弯扭耦合特性对气弹稳定性的影响.结果表明,机翼向上弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性可以显著提高机翼垂向模态的失稳速度,而机翼向前弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性则对提升机翼弦向模态的失稳速度非常有利.     

基于二维Chirp-Z变换的前视FMCW雷达成像新方法

机载前视成像作为一种全新的成像雷达工作模式,与调频连续波技术的结合有着诸多的优势.本文以"一发多收"系统为研究对象,根据其成像几何模型给出了基于调频连续波的前视雷达回波信号表达式,利用双基等效单基原理,将回波信号等效为"自发自收"系统时的情况,同时分析了载机在发射信号和接收信号过程中连续运动带来的影响–产生多普勒频移,以及对其近似补偿方法.在此基础上,本文提出了一种针对调频连续波前视雷达成像的基于二维Chirp-Z变换变标的成像算法,给出了算法的完整推导过程和各补偿因子的表达式,整个算法只包含Fourier变换和复乘操作,不涉及插值,易于工程实现.最后仿真数据处理结果验证了本文分析的正确性和算法的有效性.     

二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

基于紊流理论和射流冲刷机理，本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型．以拖曳力为主要参变数，导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型，将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准，模型中没有考虑悬移质的运动，推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述，从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型．针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究，得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料．选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算，试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程，两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性，进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式．     

基于通用软件无线电平台的电离层高频多普勒频移监测仪

测量经电离层反射的无线电波频率的多普勒频移是一种经典的电离层探测技术.本文介绍了以通用软件无线电平台作为射频前端的新型设备的系统设计、数字信号处理流程及数据后处理的方法.前端输出的宽频带数字信号由计算机软件进行选频、滤波、降采样等处理,具有可随时改变接收频点及数据处理流程的灵活性,并降低系统复杂度和研发周期及成本.本文比较了由快速傅里叶变换和希尔伯特变换两种方法得到的信号多普勒频移量,在电波仅有单一频移分量时,两种方法的结果是一致的;快速傅里叶变换方法能够分辨多个频移分量,而希尔伯特方法的优点则是具有较高时间分辨率.此外,采用多站数据反演了电离层扰动传播速度,把频移得到的多普勒速度与电离层垂测仪观测的电离层虚高的变化进行了对比,验证了该设备的探测能力及数据准确性.该设备已替换升级子午工程一期原设备,并将部署于子午工程二期各观测台站.     

柔性薄板翼流固耦合振动噪声风洞试验研究

柔性结构在风场中会发生流固耦合振动,其噪声特性要比流场中刚性结构气动噪声更为复杂.通过声学风洞试验,对比研究了流固耦合作用下不同柔性薄板翼模型的气动噪声特性.试验表明,随着结构柔性增加,薄翼气动噪声声压级对风速和迎角变化更加敏感.柔性平板翼噪声的频谱特性和声源位置都与刚性翼明显不同.研究发现,在特定迎角和风速下气动噪声强度会突然显著增强.给出了流固耦合作用下的平板翼气动噪声变化初步规律,为相关流固耦合振动噪声理论分析和数值模拟提供了试验支撑.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.