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2024年 第45卷 第7期    刊出日期：2024-07-31

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基于可见光与红外图像融合的装甲目标检测算法

常天庆, 张杰, 赵立阳, 韩斌, 张雷

2024, 45(7):  2085-2096.  doi:10.12382/bgxb.2023.0401

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针对基于可见光图像的装甲目标检测算法易受地面复杂环境干扰的问题,提出一种基于可见光与红外图像融合的装甲目标检测算法,通过卷积神经网络自适应融合可见光和红外图像特征,提高对地面复杂环境下装甲目标的检测精度。针对装甲目标检测任务,通过实拍方式构建一个在复杂地面环境下的可见光-红外装甲(Visible-Thermal Armored Vehicle,VTAV)目标图像数据集;基于经典的单阶无锚框检测模型,设计前端特征融合结构、中端特征融合结构和后端特征融合结构;在VTAV数据集上对比不同融合结构和不同融合方式间的检测性能差异。实验结果表明,后端特征融合结构性能最佳,与基于可见光图像的装甲目标检测算法相比,mAP@0.5∶0.95提升2.6%,表明基于可见光与红外图像融合的装甲目标检测算法能够有效提升地面复杂环境下装甲目标的检测精度。

基于Frenet坐标下改进人工势场法的无人车局部路径规划

姬鹏, 郭明皓

2024, 45(7):  2097-2109.  doi:10.12382/bgxb.2023.0305

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人工势场法由于运算量小、精度高,广泛应用于无人车的局部路径规划。针对传统人工势场法存在目标不可达、局部最小值及陷入U型障碍物的问题,提出一种基于Frenet坐标系下改进人工势场法的路径规划算法。构建Frenet坐标系来表述车辆避障运动,简化规划模型,解决路径规划中车辆与所在道路相对位置不易表述的问题。提出安全椭圆模型和预测距离的概念来调整势场影响区域,加入基于Frenet坐标系下的参考线势场及动态速度势场改进斥力场函数,解决车辆在静态和动态下的避障问题。利用数学仿真软件进行仿真,以不同车速在直道和弯道场景中对所提出的路径规划方法进行静态和动态避障仿真实验。研究结果表明:不同车速下的前轮转角、横摆角速度均控制在较小范围内,改进算法可以有效解决传统人工势场法的缺陷,同时与快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法相比,其在避障过程中路径规划计算效率提高了42.8%,改进算法优势明显。

越野环境下势场搜索树智能车辆路径规划方法

田洪清, 马明涛, 张博, 郑讯佳

2024, 45(7):  2110-2127.  doi:10.12382/bgxb.2023.0132

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智能车辆路径规划是智能驾驶的一项关键技术,传统的车辆路径规划方法以最短通行距离或最小通行时间为优化目标,忽视了规划过程中的车辆运动风险。在快速随机搜索树算法的基础上,运用势场模型量化评估车辆运动风险。在快速获得车辆初始运动轨迹的基础上,以车辆运动轨迹的安全性以及通行距离和车辆转角作为运动轨迹评估依据,采用轨迹重构优化方法持续优化车辆运动轨迹。采用场景模拟仿真方法,验证规划轨迹的性能。仿真实验结果表明,在典型场景下,该方法具备平衡车辆运动效率与安全性能的特点,能在越野环境中规避障碍物和环境威胁,所规划的运动轨迹符合车辆运动学特性,运动轨迹的安全性好,通行效率较高。

一种坐标通道注意力深度学习网络的军用飞机识别方法

杨环宇, 王军, 吴祥, 薄煜明, 马立丰, 陆金磊

2024, 45(7):  2128-2143.  doi:10.12382/bgxb.2023.0526

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战场态势瞬息万变,利用可见光图像对敌方用于军事行动的飞机类型进行有效区分,对提供军事作战信息具有重要意义。针对现有军用飞机识别方法存在小目标飞机和环境背景复杂导致的模型特征提取困难、数据样本数量不足导致的模型训练不充分的问题,提出一种坐标通道注意力(ConvNeXt-Coordinate Attention,ConvNeXt-CA)深度学习网络军用飞机目标识别方法。该方法在ConvNeXt网络可以保留小目标飞机特征的基础上,引入CA机制设计CA-Stage模块,提升网络对于背景和前景的区分能力;采用数据增强的方式扩充数据集,以及使用迁移学习的策略提高模型的泛化能力,训练得到具备最优超参数的ConvNeXt-CA网络。实验结果表明,与传统的军用飞机识别方法和其他深度学习模型相比,基于迁移学习的ConvNeXt-CA网络在预测准确率上有明显的提升,且具备较强的泛化能力。

基于卷积神经网络的肌电信号人体运动模式识别技术

刘亚丽, 鲁妍池, 马勋举, 宋遒志

2024, 45(7):  2144-2158.  doi:10.12382/bgxb.2023.0125

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随着外骨骼机器人等肌电控制设备的快速发展,表面肌电信号此类非平稳、非周期信号在高性能运动识别系统中的应用已成为相关研究领域的重点。为实现肌电信号跨域特征融合,提出一种基于肌电信号的双卷积链神经网络模型,采集7块关键肌肉的原始肌电信号,经特征提取,转化为能量核相图和离散小波变换系数特征图,分别输入双卷积链神经网络的卷积神经网络分支和MobileNetV2分支,利用融合模块提取高层隐藏特征并进行充分交互。制备包括以上两种特征图像和传统肌电信号图谱在内的3种数据集。3组交叉实验结果表明:所提方法对6种自测下肢运动的平均识别准确率达94.19%,显著优于其他特征组合与网络架构;在ENABL3S开源数据集识别7种下肢运动中取得98.32%的稳态识别准确率,进一步验证了所提方法优良的肌电特征捕捉能力和模式识别准确性。

电磁发射用永磁同步直线电机磁场解析及推力波动优化

贾光勇, 孙兆龙, 黄垂兵, 周炜昶, 卯寅浩, 雷招然

2024, 45(7):  2159-2170.  doi:10.12382/bgxb.2023.0252

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针对电磁发射用永磁同步直线电机的磁场解析及推力波动优化问题,建立单边发射电机磁场解析模型,利用矢量磁位及边界条件,分别对次级Halbach永磁阵列及初级六相绕组磁场进行解析,得到气隙磁场分布,进而建立单边发射电机主要结构参数与电磁推力间的函数关系。选取永磁阵列极弧系数及厚度、初级绕组宽度及厚度4个参数作为优化变量,利用遗传算法寻找设计变量的最优组合,使发射电机单边电磁推力波动最小化。分析结果表明:磁场解析结果精度较高,电磁推力计算误差满足工程分析的需要;优化后的单边发射电机平均推力提升1.21%,峰均力比下降62.688%,通过解析及仿真结果的对比验证了理论推导的正确性及优化方法的合理性。

多平台网络化制导交接技术

张堃, 华帅, 袁斌林, 李阳

2024, 45(7):  2171-2181.  doi:10.12382/bgxb.2023.0216

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面向多平台网络化协同制导导弹打击目标的实际需求,针对导弹交接过程中的过载异常突变问题,首先基于多平台交接过程分析网络化制导关键误差,明晰导弹过载异常突变机理,建立网络化制导交接基本模型;其次针对信息交接误差,基于虚拟目标信息的交接方式,设计基于匀加减速的虚拟目标网络化制导信息交接方法;最后对交接执行过程中的制导律差异问题,基于虚拟目标信息,提出一种多平台协同制导模式下的导弹制导交接控制律。仿真结果表明,新方法可以有效降低协同制导平台捕获目标信息存在误差而造成的异常过载,实现制导率变化下导弹交接过程过载的平稳过渡,有效提升作战效能。

新型迅捷弹箭动力学建模与姿态控制

赵新运, 于剑桥

2024, 45(7):  2182-2196.  doi:10.12382/bgxb.2023.0404

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为大幅度提高弹箭的超大角度机动能力,提出一种新型迅捷弹箭动力学建模与姿态控制方法。通过在传统直接力/气动力复合控制敏捷弹箭尾部加装一类柔性可控圆伞,设计一种新型弹箭的几何构型,并划分新型迅捷转向的三个阶段。为回避牛顿欧拉力学在多体动力学建模过程中求解复杂约束力带来的一系列问题,以拉格朗日力学为基础,选取弹箭的位置、姿态和伞的姿态作为广义坐标,推导系统的动能,求解系统的广义力,建立以弹箭为主体的铅垂平面4自由度动力学模型。针对具有快时变性、强不确定性、强非线性等特点的柔性力/直接力/气动力复合控制律设计问题,建立系统姿态跟踪误差的状态方程,基于非奇异终端滑模面和双幂次趋近律设计具有有限时间收敛特性的姿态控制器,利用扩张状态观测器消除内外扰动对系统造成的负面影响,抑制抖振。通过仿真验证了新方法的合理性和有效性,并与传统敏捷弹箭进行仿真对比,验证了新方法有利于减小转弯半径、缩短转弯时间、减少能量消耗。

结合系统辨识和迁移学习的高速旋转弹气动力建模方法

季稳, 李春娜, 贾续毅, 王刚, 龚春林

2024, 45(7):  2197-2208.  doi:10.12382/bgxb.2023.0127

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计算流体动力学与刚体动力学(Computational Fluid Dynamics and Rigid Body Dynamics,CFD/RBD)耦合仿真是旋转弹飞行性能评估的常用方法之一,但由于需要进行大量CFD计算,该方法效率较低。建立一个高效、精确且泛化能力强的气动力模型并以之替代耦合仿真中的CFD模块,可以大幅度提升仿真效率。针对前述旋转弹气动力建模问题,提出一种结合系统辨识和迁移学习的建模方法。给定旋转弹运动初始条件并采用CFD/RBD耦合仿真获得样本,采用自回归滑动平均方法建立原始气动力模型,同时采用长短时记忆网络建立状态预测模型。当初始条件变化不大时,原始气动力模型仍然适用;当初始条件发生较大改变时,利用迁移学习将状态预测模型迁移到该初始条件下,并预测相应初始条件下的状态参数,基于预测得到的状态参数,采用自回归滑动平均方法建立气动力模型。算例结果表明:所提方法适用于初始转速和俯仰角变化较大时对旋转弹气动力的精确建模;与直接以CFD/RBD耦合仿真结果为样本、采用自回归滑动平均方法建模相比,在精度相同时建模时间缩短了一半。

一种新型后舵尾控修正弹的弹道控制仿真

郭首邑, 王良明, 傅健, 雷鑫

2024, 45(7):  2209-2217.  doi:10.12382/bgxb.2023.0178

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为增强修正弹控制舵的快速响应能力和弹道修正效果,且理论上减弱舵片在高旋状态下对弹体的气动扰流影响,设计一种控制舵置于质心后部、与弹尾部高度配合的新型二维修正弹。建立弹体模型,设计以优化后的新式制导方案和比例微积分控制法为主体的组合控制策略,分析无控和有控状态下关键变量参数的变化规律,对基于参数最优值下的弹道修正过程进行仿真计算;采用蒙特卡洛打靶法分析扰动状态下的落点散布情况。仿真结果表明:此控制策略下后舵尾控弹的实际滚转角吻合于输入指令,整个过程速度高低角和方向角的变化范围仅为2°和7°,基于最优值的控制修正过程和扰动状态下的最终落点情况也保证了弹体进行平稳运动的同时具备更优的偏差修正能力,进一步证实了设计的新型弹体模型具有较高的可行性和参考价值。

考虑弹体旋转情况下的四元红外探测系统仿真

王成, 王卫国, 孟晨, 李青, 成悦, 孔子华

2024, 45(7):  2218-2227.  doi:10.12382/bgxb.2023.0170

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为了准确分析四元红外探测系统跟踪电路的输出信号,为导弹导引头的跟踪和抗干扰算法提供准确的计算依据,分析该系统的工作原理,在考虑弹体旋转的情况下仿真四元红外探测系统与圆锥扫描相结合产生的目标图像轨迹。以某型便携式防空导弹为例,分析四元红外探测系统在有干扰和无干扰两种情况下的信息信号和目标捕获信号,在此基础上完成脉冲模拟跟踪和数字跟踪电路的信号仿真,开发四元红外探测系统的仿真软件。仿真实验结果表明:如果不考虑弹体旋转、直接仿真四元探测系统输出信号,则四元红外探测系统输出信号仿真结果会导致后期的跟踪电路输出信号仿真结果出现误差;当四元红外探测系统视场中只有目标像斑时,探测器输出可以准确地捕捉目标并计算其方位信息,当有干扰像斑时目标捕获信号输出异常;脉冲模拟跟踪电路和数字跟踪电路都可以计算目标的方位信息,但脉冲模拟跟踪的实现更为复杂。

助推段火箭发动机喷焰红外辐射特性数值计算

张腾, 牛青林, 柳云峰, 高文强, 董士奎

2024, 45(7):  2228-2239.  doi:10.12382/bgxb.2023.0546

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助推段火箭发动机尾喷焰具有显著的红外辐射特性,成为天基红外预警系统重点关注的对象。以三组元固体发动机为研究对象,建立连续流域和过渡流域的尾喷焰反应流场计算模型,采用两级助推段质心弹道法确定飞行弹道,通过反向寻优法完备发动机型谱参数,基于等效单喷管法简化流场计算,基于窄谱带法和视在光线法计算尾喷焰的红外辐射特性。研究结果表明:复燃效应使得尾喷焰红外辐射光谱强度升高约20倍,谱带积分强度升高约10倍;尾喷焰红外光谱存在2.7μm和4.3μm的特征峰值;低空流域的光谱强度较高,且不同谱带内积分强度随高度的升高呈现出波动规律和暗区现象;助推段尾喷焰辐射强度差值高达3个量级,尤其在4.3μm较为明显。所得成果可为火箭在助推段的探测和识别提供一定的理论参考。

基于弹-靶参数匹配的侵彻多层目标引信载荷特性分析

刘波, 程祥利, 杨荷, 赵慧, 吴学星, 刘涛

2024, 45(7):  2240-2250.  doi:10.12382/bgxb.2023.0162

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为了更准确地分析侵彻多层目标过程中引信的载荷特性,通过空腔膨胀理论和微分面元法分析不同侵彻多层目标工况下的弹-靶作用力特性,结合应力波波动方程分析弹-靶作用力在弹体内的传播特性及弹-引系统频响特性,综合两方面结果揭示侵彻速度与靶间距决定的弹-靶作用力基频、弹-引系统结构决定的频响特性二者之间的关系决定了引信的载荷特性。弹-引系统的有限元仿真及试验测试结果进一步证明,高速侵彻多层目标条件下引信的频响特征不是固定地集中在某一频率,当弹-引系统的某1阶轴向振动固有频率与弹-靶作用力基频的整数倍相近时,引信载荷频响特征将在该阶轴向振动固有频率附近出现明显的集中。侵彻多层目标过程中弹-靶参数对引信载荷特性的影响分析对引信起爆控制算法及防护设计具有重要的指导意义。

密集扫频干扰下调频连续波引信响应特性

周文, 郝新红, 杨瑾, 段乐帆

2024, 45(7):  2251-2259.  doi:10.12382/bgxb.2023.0226

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密集扫频干扰作为一种典型的压制式干扰方式,在实际战场使用中对调频连续波引信产生巨大威胁。针对调频连续波引信在密集扫频干扰下容易失效的问题,在分析调频连续波引信工作原理的基础上,推导密集扫频干扰下的调频连续波引信响应过程,进一步分析采用时域干扰样本归零抗干扰方法后的等效干扰效果,并进行相关的仿真分析及实验验证。仿真及实测实验结果表明:密集扫频干扰信号与引信信号越相似,在差频信号时域样本中的有效干扰比例就越大;进行时域干扰样本归零处理后,将产生对调频连续波引信真实目标信号的间歇采样转发干扰效果,距离维包络上将产生多个假目标,假目标的分布与归零处理后的等效占空比及干扰频率相关,导致调频连续波引信的炸点散布显著增大。

仿竹型侵彻引信防护微结构缓冲吸能试验研究

张安, 李长生, 张合, 马少杰, 杨本强

2024, 45(7):  2260-2269.  doi:10.12382/bgxb.2023.0422

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为保证硬目标侵彻引信在战场上可靠作用,采用仿生学原理设计一种仿竹型侵彻引信防护微结构(Imitation bamboo type Penetration fuze protection Microstructure,IPM)。根据缓冲吸能机理,推导引信缓冲系统的动力学模型。采用Abaqus显式动力有限元方法对IPM和传统直边结构在典型侵彻工况下的力学性能进行数值模拟,对比分析两种结构的缓冲防护性能和抗压机理。结合金属材料(AlSi10Mg和GH4169)和3D打印的制造优势,采用激光选区融化技术制备两种结构,探究不同胞元几何形状的抗压强度和能量吸收特性,验证所建立的有限元模型的可靠性。仿真结果表明:IPM表现出明显的负泊松比效应和变形整体性,能够较好地消除应力集中,可使侵彻过载峰值平均衰减131%;3D打印结果表明,GH4169成型效果更好,特征完整,结构强度高,更适合作为细微结构的打印材料。准静态压缩结果表明,IPM的初始屈服应力高于传统直边结构,在平台区表现出明显的优势,总吸能量比传统直边结构高出72%。所得研究结果为硬目标侵彻引信防护方法提供了一种新的策略。

活性横向增强弹靶后横向效应实验与数值模拟

张甲浩, 郭萌萌, 周晟, 余庆波

2024, 45(7):  2270-2281.  doi:10.12382/bgxb.2023.0537

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为揭示活性横向增强弹(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)的靶后横向增强机理,开展活性PELE冲击钢靶毁伤效应实验,在钢靶后设置效应铝靶,得到不同前置钢靶厚度条件下的穿孔毁伤情况。基于点火增长模型建立活性PELE冲击爆燃反应过程的两步仿真分析模型。综合实验和仿真对活性PELE在780m/s速度条件下冲击6~20mm厚度范围内钢靶的靶后横向增强效应进行讨论,从效应靶毁伤、芯体反应、波相互作用及壳体破片飞散4个方面进行深入分析。分析结果表明:仿真分析模型有效模拟了活性PELE冲击靶板的爆燃反应过程;靶板厚度对活性PELE在效应靶上的穿孔散布尺寸影响显著,随着靶板厚度的增加,活性PELE的靶后横向增强效应先增大后减小;活性芯体的爆燃反应释能使壳体最大径向速度提高了40%以上。

埋头弹药二次点火过程复杂流场特性

郭俊廷, 余永刚

2024, 45(7):  2282-2293.  doi:10.12382/bgxb.2023.0499

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为研究大口径埋头弹二次点火过程中燃烧室内部的流场特性,采用基于欧拉-欧拉方法的二维轴对称两相反应流模型,结合动态网格划分理论和用户自定义函数技术,对105mm埋头式穿甲弹的二次点火内弹道过程进行数值模拟。研究结果表明:可燃导向筒破裂后主装药床被点燃,燃气在弹底区域汇聚,形成局部涡流,涡流强度逐渐增大,涡流中心温度逐渐升高;在气相力的作用下,主装药床沿轴向和径向挤压至弹底区域,然后被大量燃气冲散至整个燃烧室;二次点火过程中最大膛底压力为560MPa,炮口初速达到1650m/s。

考虑时间约束的近解析滑翔轨迹快速规划方法

王培臣, 闫循良, 南汶江, 李新国

2024, 45(7):  2294-2305.  doi:10.12382/bgxb.2023.0343

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针对时间可控再入滑翔问题,提出一种基于阻力加速度-能量剖面的轨迹快速规划方法。该方法将滑翔轨迹规划问题分为纵向轨迹规划与侧向规划。在纵向轨迹规划部分,设计基于走廊边界双参数插值的多段光滑阻力加速度剖面,并给出终端当地弹道倾角约束的施加方法;重点推导考虑地球自转影响的时间、航程解析预测表达式,提升预测算法的快速性和精度,进而通过校正双剖面参数完成剖面设计,同时满足终端能量、航程、时间及当地弹道倾角约束。侧向规划则采用动态/静态航向角误差走廊方法,以实现禁飞区规避和终端航向调整;进一步引入考虑纵侧向运动耦合的目标航程及时间校正策略,完成考虑时间约束的3自由度滑翔轨迹生成。以美国通用飞行器CAV-H再入滑翔为例进行仿真,验证新方法的有效性、多任务适用性。验证结果表明:与现有时间解析预测方法相比,新的预测方法具有相当的计算效率和较高的计算精度优势;与现有基于标准剖面的方法相比,新规划方法具有较高的终端精度、计算效率以及较大的时间可调范围,亦可实现飞行能力边界的快速预示。

航空信息网络服务功能链请求调度策略

曹代, 詹思瑜, 郝鑫胜, 关楷, 付皓通

2024, 45(7):  2306-2317.  doi:10.12382/bgxb.2023.0258

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为解决航空信息网络场景下业务突发、拓扑结构动态变化以及资源有限所带来的资源利用效率低下问题,针对服务功能链请求(Service Function Chain Requirement,SFCR)高效调度的难题,提出一种网络功能虚拟化的服务功能链调度算法。算法依据SFCR与平台的相关性进行映射,提高服务器处理效率并有效减少虚拟网络功能实例化数量及整合平台资源;综合考虑时延和流量影响对网络功能实例进行整合迁移,降低网络能耗同时提升网络资源利用率。仿真结果表明,在满足时延需求条件下,新方法在运行平台数量、SFCR接受率、网络资源消耗等方面具有较好的优化性能,适用于解决航空信息网络场景下的SFCR调度问题。

一种自适应滤波与干扰观测器相结合的大型舰船状态估计算法

王泳安, 李东光, 吴浩, 刘洋

2024, 45(7):  2318-2328.  doi:10.12382/bgxb.2023.0588

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为满足航母等大型舰船目标的状态估计要求,提出一种由非线性干扰观测器和强跟踪容积卡尔曼滤波算法融合形成的交互多模型强补偿容积卡尔曼滤波算法。引入非线性干扰观测器,完成由外界不确定因素引起的干扰总量的估计,并对观测器稳定性进行证明。使用估计的干扰值实时修正强跟踪容积卡尔曼滤波的过程参数,最终形成交互多模型强补偿容积卡尔曼滤波算法,完成对目标状态相对准确的估计。研究结果表明:新提出的滤波算法能够较为准确地完成对目标状态的估计,与变结构多模型粒子滤波算法、变结构多模型无迹卡尔曼滤波算法和交互多模型强跟踪容积卡尔曼滤波算法相比,在目标位置和速度估计上具有更高的估计精度。

水下圆柱壳声辐射激发水表面声波研究

张圣海, 徐剑秋, 黎胜

2024, 45(7):  2329-2340.  doi:10.12382/bgxb.2023.0191

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研究水下声源声辐射激发的水表面声波,对在空气中进行跨介质水下声源探测具有重要意义。为研究水下声源声辐射激发的水表面声波特性,基于水下声传播理论推导水下稳态点源球面声波激励水表面声波的理论解,依据有限元方法,以脉动球点源为例进行数值分析验证,设计相应实验验证水平衰减规律及声源深度影响。基于声-结构耦合有限元方法研究声源深度等声源参数及环境参数对水下圆柱壳声辐射激发水表面声波的影响。研究结果表明:所提激励下的圆柱壳声源在半自由场环境中激发的海水表面波振幅在某些振型对应固有频率下的振幅远大于其他频率;海底和粗糙海面对水表面波振幅有影响;在所提载荷激励下,有限水深中水下圆柱壳声辐射激励的水表面波振幅在3倍圆柱壳半径以内及20倍半径之外潜深范围内与潜深呈正比,其他范围随潜深呈反比。

水下中远场爆炸冲击波作用下航行体表面动态响应分析

张勇, 肖正明, 段浩, 伍星, 卢敏, 王浩

2024, 45(7):  2341-2350.  doi:10.12382/bgxb.2023.0306

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针对水下中远场爆炸作用下航行体表面动态响应复杂、预测困难的问题,基于任意欧拉-拉格朗日数值算法,考虑自由面对冲击波反射的影响,利用爆炸相似理论细化模型网格,运用有限元软件对水下爆炸模型进行求解。分析冲击波作用下航行体表面动态应力峰值出现的时间和区域,并对其动态响应随当量、爆距及水深的变化规律进行研究。利用数值拟合方法得到航行体表面动态应力方程,并通过决定系数验证其可靠性,在定当量、爆距情况下可直接求解其动态应力。研究结果表明:当量增加,动态应力在相同爆距区间内衰减速率增大;爆距增大,动态应力在相同当量区间内增长速率降低;深度每下降100m,动态应力增长20MPa左右。所得研究结果可为中远场水下爆炸作用下航行体安全防护和抗冲击研究提供一定参考。

飞秒激光作用TATB的大尺寸分子动力学模拟

伍俊英, 李钧剑, 尚伊平, 杨利军, 陈朗

2024, 45(7):  2351-2363.  doi:10.12382/bgxb.2023.0196

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深入认识炸药在飞秒激光作用下的快速化学反应机制和热力响应特征,是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。采用分子动力学方法,基于ReaxFF/lg反应力场,对不同飞秒激光能量作用于三氨基三硝基苯(TATB)炸药的过程进行亚微米级大尺寸反应分子动力学模拟,考虑炸药对飞秒激光的非线性吸收过程,分析炸药烧蚀去除机制、产物演化和热力响应规律。计算结果表明:不同强度的飞秒激光对TATB的烧蚀去除机制不同,当激光强度为6.79×10¹⁷W/m²时,TATB发生等离子体烧蚀,产物以小分子或等离子体为主;当激光强度为3.39×10¹⁷W/m²时,TATB发生不完全反应,产物以大分子或团簇为主;当激光强度为1.69×10¹⁷W/m²时,TATB发生光机械烧蚀,以完整分子形式被剥离去除;激光强度越高,烧蚀产物的温度和粒子速度越高,对烧蚀区周围的热力响应越严重,有引发点火的风险。

石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究

曹路晴, 乔扬, 谢晶, 陈鹏万

2024, 45(7):  2364-2373.  doi:10.12382/bgxb.2023.0302

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为探究石墨烯气凝胶在防护领域的潜在应用,采用冷冻干燥法并控制冷冻温度变量制备不同的石墨烯气凝胶试样,进行单轴面内压缩力学实验;结合3D数字图像相关技术和扫描电子显微镜,分析变形模式与破坏机理。研究结果表明:冷冻干燥法制备的石墨烯气凝胶试样具有3D多孔网络结构、低密度(<33.93mg/cm³)、高孔隙率(>98.5%)等特征,并具有受冷冻温度影响的特征微观结构;石墨烯气凝胶的压缩应力-应变曲线展现出多孔材料典型的三阶段特征,并且力学性能受冷冻温度的影响,-80℃所得石墨烯气凝胶的杨氏模量相较于-19℃提高160%,单位体积吸能提高67%;石墨烯气凝胶多次循环加载-卸载中随着内部致密区域的扩展,以塑性能为主的吸收总能趋于稳定不变,其状态变化可通过指数衰减模型描述;石墨烯气凝胶的横纵向片层不同的压缩变形形态发展为大规模的类弹簧型紧密折叠模式,使得石墨烯气凝胶表现出回弹性。所得研究成果为石墨烯气凝胶在防护领域的应用提供了理论与实践基础。

充液管结构人员抗爆炸冲击防护试验研究

刘钰, 鲁殊凡, 索涛, 侯兵, 范志强, 李元

2024, 45(7):  2374-2382.  doi:10.12382/bgxb.2023.0260

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区域冲突和恐怖袭击等爆炸环境造成的人员伤亡事件频频发生,且爆炸引起的人体损伤也已成为现代战争中士兵的主要致伤形式。针对人体抗爆炸冲击波防护的迫切需求,设计制作模拟人体的硅胶试验段,利用激波管试验研究一种柔性充液管结构的冲击波衰减作用,探索将冲击波的能量转化为管内的液体内能和动能,实现冲击波能量的有效转移和耗散。研究结果表明,通过协调冲击波作用下的液体流动耗能和液体自身吸能(凝胶化),最高可以衰减35%的超压峰值和30%的比冲量。相关研究对于提高人员爆炸冲击防护水平具有重要的研究意义和应用前景。

内爆载荷下民机用定向泄爆容器结构的动态响应

左铭朔, 徐豫新, 李永鹏, 李旭东, 郭德龙, 杨祥

2024, 45(7):  2383-2392.  doi:10.12382/bgxb.2023.0327

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为保证民机航空安全、满足民机抗爆结构设计要求,研究不同当量TNT内爆冲击下民机用定向泄爆容器结构的动态响应。设计用于民机上爆炸物危险排除的定向泄爆容器,通过爆炸试验验证泄爆容器的可靠性,确定泄爆容器的爆炸物临界包容当量为42g。进一步对该泄爆容器在不同当量内爆载荷下的动态响应进行数值仿真,分析塞块的运动过程以及内爆载荷对泄爆容器的作用机理。研究结果表明:剪切销在爆炸冲击波作用下剪切断裂,剪断过程中塞块发生振动,剪切销剪断后塞块持续加速,容器内最终产生约7.5MPa的准静态压力,塞块冲破机身壁板后匀速飞出,容器泄压并自泄爆口向内形成约0.38~0.85MPa的压强梯度;TNT当量对塞块飞行速度的影响明显,塞块飞行速度随当量的增加而提高,且提高率不断减小。所得研究结果可为民机防爆容器的设计以及应用提供支撑。

天然气爆炸载荷作用下钢筋混凝土板毁伤试验研究

乔博阳, 谷恭天, 王成, 宋诗祥, 高扬

2024, 45(7):  2393-2403.  doi:10.12382/bgxb.2023.0538

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为研究天然气爆炸压力积聚作用下钢筋混凝土板的毁伤规律,搭建9.8m³半地下式气体爆炸加载装置,对两种厚度(80mm、100mm)、3种强度(C30、C40、C50)的钢筋混凝土板进行当量甲烷爆炸加载下的毁伤试验研究,获得爆炸空间中准静态压力、钢筋混凝土板面外位移、等效应变等分布特征。研究结果表明:封闭空间中,爆炸压力积聚与板体开裂泄压作用下,爆炸准静态压力出现振荡特征;等效应变与裂纹特征一致,呈对称Y型分布,且等效应变具有明显的双峰和三峰特征;两种厚度的钢混板具有显著不同的破坏模式,80mm厚度时钢筋结构保持完整,混凝土破裂飞散,发生局部混凝土冲切破坏,100mm时在固接处发生断裂,混凝土板整体抛出,产生大面积钢筋混凝土复合体冲切破坏。

泄压坑道式工房内爆试验与数值模拟研究

陈泰年, 任辉启, 李素灵, 张珊珊, 张程健, 袁野

2024, 45(7):  2404-2413.  doi:10.12382/bgxb.2023.0480

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为探索复合构型坑道式工房内爆炸效应和泄压消波措施,提出泄压坑道式工房设计。通过理论分析和线性拓展预测的方法预判坑道内压力分布,建立多工况泄压坑道式工房的有限元模型。通过数值模拟得出结构内部和外部冲击波传播与衰减的规律,分析冲击波涡流成型机理以及泄压消波的过程,计算得到多工况下坑道内部和外部的压力分布规律。通过试验研究对线性拓展计算和数值模拟结果进行对比分析,揭示由丁字接头、泄压通道、膨胀室组成的复合构型坑道式工房对于消波效率的显著提升作用,得出坑道结构内泄压消波的效能以及坑道结构口部外冲击波分布规律,以期为坑道式工房的结构选型及布局优化设计提供技术支撑。

基于极值外推的特种车辆疲劳耐久性多轴载荷谱编制

郑国峰, 杨思宇, 陈柏先, 隗寒冰, 赵树恩

2024, 45(7):  2414-2425.  doi:10.12382/bgxb.2023.0431

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非道路特种车辆服役载荷谱是整车结构耐久性的关键,为此提出基于极值外推的特种车辆疲劳耐久性多轴服役载荷编制方法。考虑到多轴载荷谱外推时的载荷通道之间具有相位关系,开展以临界平面损伤参量为基础的多轴载荷等效合成研究;构建极值超出量服从广义Pareto分布的多轴外推模型。利用等效合成载荷谱进行载荷外推,将基于等效合成系数获取的外推量分配到每个载荷通道上,实现考虑相位关系的多轴载荷外推。以典型工况下特种车辆的轮端六向力信号为研究对象进行多轴外推,并对比外推前后的载荷谱与采集载荷谱通道之间的相位关系、穿级计数、雨流计数和功率谱密度。研究结果表明:基于极值外推的特种车辆整车疲劳耐久性多轴载荷编制,可以实现在相同典型工况下多轴载荷谱的有效预测。

陀螺电机轴承小样本非等间隔的寿命预测研究

蔡曜, 王建青, 司玉辉, 王玉琢, 郭伟, 武展

2024, 45(7):  2426-2441.  doi:10.12382/bgxb.2023.0259

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现有轴承寿命预测的研究成果直接应用于陀螺电机轴承时,存在轴承振动信号难采集、模型使用小样本、非等间隔数据建模精度低等问题。选取陀螺电机电流信号作为可测信号并制定执行标准,截取有效电信号;提取初值化均方根值和Renyi熵作为退化特征以描述轴承寿命。设计的非等间隔、融合经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和生物地理学算法(Biogeography-based Optimization,BBO)的灰色模型(Grey Models,GM),即非等间隔EMD-BBO-GM(1,1),其包括间隔变化、数据分解、模型构建和参数优化共4个模块,可实现轴承寿命预测功能。选取小微挠性陀螺电机进行轴承寿命预测试验。研究结果表明,新模型使用两种退化特征获得的预测寿命与实际寿命相当,拟合精度不低于98%,预测精度不低于95%;与标准GM(1,1)相比,预测精度提升量为24.975%,间隔变化、数据分解和参数优化3个模块的贡献度分别为90.94%、3.64%、5.42%。

伴随维修资源配置与任务调度的多目标联合优化

刘盛钰, 齐小刚, 刘立芳

2024, 45(7):  2442-2450.  doi:10.12382/bgxb.2023.0337

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现代战争作战节奏快、横跨地域广,对伴随维修保障模式提出了更高的要求。如何在复杂战场中实现资源配置与任务调度的流程整合,充分发挥伴随维修系统效能,已经成为当今装备维修保障的迫切需求与发展方向。综合考虑多中心、开放式、多修复状态、时间窗、非遍历、容量限制等因素,首次提出随时补货的思路,将地区危险系数与维修组当前成本相结合,以维修组创造维修效益最大化、承担风险成本最小化为目标,建立更完善的数学模型。针对上述问题进行相应的编码,改进多目标人工蜂群(Multi Objective Artificial Bee Colony,MOABC)算法,提出求解质量、收敛速度良好的多目标人工蜂群-多记忆蜜源(Multi Objective Artificial Bee Colony for Memorizing Multiple Honey Sources per Bee, MOABC-MMHS)算法;针对小部分极端值影响均值的问题改进覆盖率(Coverage,C)指标的使用方式,以频率的方式对其进行展示;通过仿真实验与多指标评价验证模型和算法的科学性,实现了伴随维修资源配置与任务调度的联合优化。研究结果表明,上述模型与算法能够为伴随维修保障提供相应的辅助决策。

基于故障敏感度学习和集成学习的可诊断性设计方法

吕佳朋, 史贤俊, 王元鑫

2024, 45(7):  2451-2462.  doi:10.12382/bgxb.2023.0413

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对系统进行可诊断性设计,能优化诊断方案、提升诊断方案与系统的契合程度,对于准确检测或隔离系统故障具有重大意义。为此提出一种基于故障敏感度学习和集成学习的可诊断性设计方法。对于采集到的不同状态下的系统测试点信号进行特征提取,结合系统的可诊断性评价结果,提出特征贡献度量化算法,对信号中不同特征对故障诊断的贡献度进行评估,使用改进的D-S证据理论算法对不同信号的特征进行融合,确定适用于故障检测与隔离的故障敏感特征集合;采用集成学习方法对基分类器的诊断效果进行加强,最终获得对当前系统的诊断方案。仿真实验结果表明,采用新的可诊断性设计方法设计出来的针对系统的诊断方案,可以对系统故障进行良好的诊断,其中与未进行故障敏感度学习环节相比,故障诊断的错误率由5.33%下降到2.66%,与未进行集成学习环节相比,故障诊断的错误率由16.22%(基诊断器的平均值)下降到2.66%。在与其他诊断方案的对比实验中,新方法的故障诊断错误率相较于对比方法的平均值下降了3.34%。