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2024年 第45卷 第12期    刊出日期：2024-12-31

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越野过程与行驶装置设计中的科学与技术问题

毛明, 陈轶杰

2024, 45(12):  4191-4204.  doi:10.12382/bgxb.2024.0977

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越野是人类生产、生活中一个十分常见的场景,开发安全、可靠、低功耗的高机动越野装备,以帮助人类到达自身不能到达的地方是人们的始终追求,特别是在军事与抢险救援等作业中。以创建一门技术科学学科为愿景,提出越野学的概念,阐释其内涵,系统地说明了越野学中表层土壤力学与附着力生成、行驶(走)装置设计理论与方法、越野行驶动力学与控制、越野机器人学与仿生越野学4个方面的关键科学与技术问题和当前的研究进展,并提出未来需要重点攻克的关键技术和越野装备研发建议。

磁梯度张量系统目标探测技术研究进展

李青竹, 李晶, 李志宁, 石志勇, 文雪忠

2024, 45(12):  4205-4230.  doi:10.12382/bgxb.2023.0964

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磁梯度张量系统作为磁性目标全张量梯度探测的应用基础,以区域磁异常产生的磁梯度张量场为信息源,通过矢量磁传感器间的差分计算实现磁梯度张量分量测量。相较磁总场和矢量场探测设备,磁梯度张量系统具有分辨率高、信息量大、抗干扰能力强等优势,能获取目标更多的潜在物性信息,研究世界范围内基于磁梯度张量系统的目标探测技术进展,可为我国磁探测设备现代化信息化建设提供理论参考和技术支持。通过阐述现代磁法探测技术发展过程和阶段,对国内外研究团队设计搭建的基于超导效应和磁通门法两种类型的磁梯度张量系统及其应用进行了介绍和归纳,并针对磁梯度张量系统的校正补偿与降噪、磁性目标定位与识别等关键技术进行了前沿综述,展望了未来高精度磁梯度张量探测仪器的设计研发思路,对磁梯度张量探测各类关键技术目前存在的问题和发展趋势进行了总结。

面向OODA作战流程的防空火力网端对端智能构建算法

罗雨雨, 丁伟, 明振军, 李传浩, 王国新, 阎艳, 王玉茜

2024, 45(12):  4231-4245.  doi:10.12382/bgxb.2023.1010

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针对防空战场环境下目标数量多、装备协同难、体系反应拙的问题,提出一种面向侦测-整编-决策-打击(Observe-Orient-Decide-Act, OODA)作战流程的防空火力网端对端智能构建算法。围绕OODA作战流程,构建由情报网、指控网和火力网组成的防空体系框架,并基于此框架着力解决影响战场胜负关键的火力网智能构建;将拦截武器损毁目标建模为马尔可夫决策过程,并给出相应的状态空间、动作空间与奖励策略等;在此基础上,通过对标准端对端近端策略优化算法进行改进,提高模型精度和减少训练时间。以某防空反导联合区域作战场景为例,开展所提算法的评估验证。实验结果表明:所提方法相比于规则和启发式算法能够快速准确地生成防空火力网设计方案,尤其在同等大规模作战场景中的计算效率和作战成本方面具有更突出的优势,为作战体系全流程的杀伤网构建提供了基础。

掏槽爆破成腔空孔效应数值模拟研究与分析

陶子豪, 李祥龙, 胡启文, 王建国

2024, 45(12):  4246-4258.  doi:10.12382/bgxb.2024.0250

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掏槽爆破是巷道掘进单自由面爆破的关键。为探究空孔对掏槽爆破效果的影响,基于空孔作用理论,利用有限元-粒子流耦合方法,建立单空孔掏槽爆破三维数值模型,并结合现场掏槽爆破试验结果,分析多段掏槽爆破空孔附近岩石应力分布特征,岩石破碎、抛掷及槽腔成形过程对空孔响应规律。研究结果表明:空孔对近场岩石应力场的分布具有导向作用,并在空孔周围形成明显的应力集中效应,增加应力高峰值区范围,进而为后续爆破提供有利条件;岩石抛掷效果以及槽腔大小与空孔之间表现出强相关性,单空孔掏槽爆破与无空孔相比,抛掷速度提升34.7%,抛掷效率提高了10.2%,现场试验中腔体体积增加17.1%,掏槽深度增加了16.3%,但槽腔整体形状变化不明显;研究结果对实际掏槽爆破参数设计和优化提供了部分理论依据。

基于孪生网络和区域注意力机制的球形爆炸破片毁伤效应识别研究

李豪天, 崔欣雨, 刘梦真, 黄广炎, 吕中杰, 张宏

2024, 45(12):  4259-4271.  doi:10.12382/bgxb.2023.1215

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在信息化战争中,爆炸物破片毁伤效应评估对实现精准打击具有重要意义,然而在毁伤实验中毁伤区域的分布和几何信息主要由人工统计,获取效率低下、精度不可控。为此,提出基于孪生网络和区域注意力机制的轻量化图像分割模型,实现小样本下对小目标球形爆炸破片毁伤区域的高效、精准识别功能。通过引入孪生结构、区域注意力模块和多尺度卷积模块提高模型对爆炸破孔的感知能力;加入多约束条件的损失函数,并筛选最佳优化器,使模型优化时更加聚焦有效信息,加速模型收敛;提出连通域融合分水岭算法的毁伤区域量化检测方法,实现爆炸破孔重叠情况下的精确识别。实验结果表明,相比目前主流模型,所提方法实现了更高的效率和精度,对毁伤区域面积和直径预测结平均误差分别为4.78%和3.79%;研究工作为实现含破片爆炸物毁伤智能化评估提供了参考。

基于分层解耦的四轮足机器人模型预测控制

邢伯阳, 许威, 李宇峰, 赵浩宇, 王康, 闫曈

2024, 45(12):  4272-4282.  doi:10.12382/bgxb.2023.0984

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轮足机器人是一种新型的复合机器人平台,其结合了足式机器人力伺服控制、浮动基座动力学与轮式机器人轮地接触的模型,具有轮式快速机动、足式越障机动以及轮步复合3种复合机动模式。为实现上述3种机动模式,提出了一种基于线性模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)的轮足机器人控制方法,其采用分层控制的框架对轮子转速与四足力伺服稳定控制进行解耦,对轮子进行独立的转速控制与扭矩估计,并将轮地扭矩反馈转化为外力扰动,引入MPC控制模型中进行在线补偿;针对机体MPC稳定控制通过状态扩维的方式将控制模型转化为Ax+Bu的标准形式,通过采用重力加速度将足端力扰动进行等效转换,从而实现在不增加系统状态空间维度的同时将外力扰动引入动力学模型。通过仿真和在Panda-W轮足机器人上的实际测试,验证了所提算法可以有效补偿轮足加减速时轮地扰动力,实现机体稳定控制并进一步完成Trot轮步复合机动,在典型的平地和越野地形下有较好的控制效果。

六硝基六氮杂异伍兹烷基压装炸药爆轰直径效应

何超, 刘彦, 白帆, 刘沫言, 王虹富, 黄风雷

2024, 45(12):  4283-4294.  doi:10.12382/bgxb.2023.0980

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为推进六硝基六氮杂异伍兹烷(Hexanitrohexaazaisowurtzitane,CL-20)混合炸药在微小型起爆序列中的应用,准确掌握其传爆特性,开展了CL-20基压装炸药爆轰直径效应研究。针对一种典型的压装CL-20混合炸药(C-1,CL-20/粘结剂=95/5),通过开展冲击起爆实验,标定了该炸药Lee-Tarver冲击起爆模型的反应速率方程参数,为直径效应仿真模拟研究提供模型参数。在此基础上完成圆柱阶梯装药爆轰直径效应的数值模拟及实验验证,建立装药直径与爆轰速度(简称爆速)的关系。采用锥形装药爆轰传播的数值模拟对比分析C-1炸药与PBX9404、PBX9502 两种炸药的爆轰直径效应的差异性,依据爆速对装药直径的关系拟合得到这3种炸药的临界直径,同时掌握不同约束条件对C-1炸药爆轰临界直径的影响规律。研究结果表明:C-1炸药的爆轰临界直径(1.34mm)介于PBX9404(1.27mm)和PBX9502之间(2.3mm),这是因为炸药爆轰直径效应导致的爆速衰减与其冲击起爆特性有关,爆速衰减的不同阶段分别是由不同的反应速率项(点火、低压慢反应、高压快反应)控制;此外,随着约束条件的增强,C-1炸药的临界直径减小,采用周向全约束,可大幅削弱侧向稀疏波的影响,相比无约束装药其临界直径降低51.5%。

基于DBSCAN聚类和LSTM网络的装甲车辆集群轨迹预测方法

陈刚, 王国新, 明振军, 陈旺, 商曦文, 阎艳

2024, 45(12):  4295-4310.  doi:10.12382/bgxb.2023.1064

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针对装甲车辆运动状态复杂性、战场态势不确定性、战术迷惑和欺骗性导致装甲车辆集群运动轨迹难以准确预测的问题,提出一种基于密度的空间聚类应用(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)和长短时记忆(Long Short Term Memory,LSTM)神经网络的装甲车辆集群轨迹预测方法。根据装甲车辆的斜坡上行驶、转向和车-车交互行驶状态,建立运动学模型。选取机动特征、环境特征和车-车交互特征等轨迹特征信息,基于双层LSTM网络预测单个装甲车辆的轨迹。基于DBSCAN算法将多条单装预测轨迹进行分段、相似度计算和聚类,获得集群代表轨迹作为装甲车辆集群的预测轨迹。仿真结果表明,所提方法能够有效预测装甲车辆集群轨迹,实现料敌于先、谋敌于前。

基于线性时变模型预测控制的实时抗噪高速车辆运动控制

任宏斌, 孙纪禹, 陈志铿, 赵玉壮, 杨林

2024, 45(12):  4311-4322.  doi:10.12382/bgxb.2023.0979

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针对高速自动驾驶车辆实时高精度的运动控制问题,提出一种上层为基于路径点Cost的路径点筛选器与基于横纵向轮胎力分析的速度规划器、下层为基于线性时变动力学模型预测的路径跟踪控制器与速度控制器的两层架构,并引入最小均方(Least Mean Square, LMS)自适应状态估计器提升系统的抗噪性。路径点筛选器提升运算速度并减少筛选过程中的关键信息损失,速度规划器在安全行驶前提下生成最优速度曲线。路径跟踪控制器考虑跟踪偏差软约束,提升跟踪效果。LMS状态估计器基于在线矫正的动力学模型,对横摆角速度与横向速度在线估计。搭建dSPACE-TX2硬件在环仿真环境,在高速公路工况及双移线工况下对比所提出方案与传统运动跟踪控制。半实物仿真结果表明,所提出的运动控制架构提升了抗噪性能与21%的跟踪精度,且满足50Hz高频控制的要求。

主动围压下岩石爆破裂纹扩展及邻近巷道动态响应

毛翔, 何成龙, 陈大勇, 杨可谞, 霍子怡

2024, 45(12):  4323-4338.  doi:10.12382/bgxb.2023.1089

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为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程,采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验,利用动态测试技术和高速摄像等方法,得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型,将无围压下的仿真结果与实验结果进行对比,验证数值模拟方法的可行性。在仿真软件平台中引入应力初始化的方法模拟围压下岩石的破坏过程,分析不同围压环境对岩石爆破裂纹扩展的影响以及偏围压系数k对巷道结构破坏过程的影响。研究结果表明:在双向等围压条件下,随着围压水平的提高,对裂纹的抑制作用越显著,对于巷道有更好的保护作用;在单向围压条件下,随着水平围压的增大,巷道遭到破坏程度越大,随着竖直围压的增大,巷道越不容易发生破坏;偏围压条件下,围压对于爆生裂纹扩展具有明显的导向性,裂纹会朝着主应力的方向扩展,随着围压的增大,裂纹导向性越显著;当偏围压系数k<1时,裂纹主要沿竖直方向扩展,巷道并未发生破坏,当k>1时,随着k的增大,巷道迎爆面左拱肩的破坏程度越大,巷道稳定性越差。

冲击载荷作用下含损伤的低温混凝土本构模型研究

宁建国, 李玉辉, 杨帅, 许香照

2024, 45(12):  4339-4349.  doi:10.12382/bgxb.2023.1090

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在严寒或寒冷地区服役环境下,混凝土力学性能与常温状态下有很大的差异。为了研究低温服役环境下混凝土的动态力学性能,开展混凝土的冲击加载试验;考虑温度和应变率的影响,基于热激活能的损伤理论,引入温度效应,对低温混凝土冲击损伤规律进行分析;通过混合律原理、二相材料的圆球模型和应变率效应的结合,将低温混凝土各组分模量联系起来,得到混凝土的等效模量;在Drucker-Prager屈服准则中引入损伤,建立由温度和应变率为参数的损伤演化函数,进而提出低温服役混凝土的动态本构模型。研究结果表明:随着服役温度的降低,混凝土碎块尺寸明显增大,破坏程度降低,这一现象表明冰对孔隙裂缝有一定的粘结作用,随着温度的降低,这种粘结效果会加强,从而抑制冲击加载过程中损伤的发展;随着服役温度的降低,孔隙中冰的含量及模量增加,混凝土强度显著增加。

基于改进SSD算法的紫外像增强器视场瑕疵检测方法

丁习文, 程宏昌, 袁渊, 苏悦

2024, 45(12):  4350-4363.  doi:10.12382/bgxb.2023.1091

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紫外像增强器视场瑕疵是影响器件成像效果的重要因素之一。针对视场瑕疵样本数量少和视场图像显示差异大的问题,采取相应的数据增强策略,并在单发多框检测(Single Shot multibox Detector,SSD)算法的基础上,添加特征金字塔网络(Feature Pyramid Network,FPN),以解决多尺度特征难以有效识别与融合的问题。同时引入卷积注意力模块(Convolutional Block Attention Module,CBAM)去进一步加强网络对小瑕疵目标信息的关注,并抑制噪声干扰。试验结果表明:在自建的数据集上,添加了FPN和CBAM的SSD(Feature Pyramid Network-Convolutional Block Attention Module-Single Shot Multibox Detector,FPN-CBAM-SSD)算法在视场瑕疵实际检测效果方面更优于SSD算法。对于亮点、暗斑、条纹状、亮斑和暗点这5类瑕疵,其平均精准度分别提高了19.76%、22.84%、29.56%、34.55%和38.14%。FPN-CBAM-SSD算法能够满足实际应用需求,适应更加复杂的视场情况,可视为一种有效的紫外像增强器视场瑕疵检测新型方法。

基于Kriging模型的液压管道防油击可靠性分析

查从燚, 孙志礼, 刘勤, 董鹏飞

2024, 45(12):  4364-4371.  doi:10.12382/bgxb.2023.1025

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油击易造成管道破坏和泄漏等问题,传统的液压管道分析多基于确定性参数。由于制造误差、材料离散性以及环境变化等因素,实际工况下的管道参数往往具有随机不确定性。针对此问题,考虑不确定性的影响,建立液压管道的防油击可靠性分析模型。基于管路流固耦合四方程模型,利用特征线法进行油击作用下的管道动态特性分析,并以其引起的压力峰值是否超过屈服强度为判断依据,建立管道防油击的极限状态函数。由于极限状态函数为隐式,构建基于自适应Kriging模型的管道防油击可靠性分析方法,得到管道的油击失效概率。研究结果表明:基于自适应Kriging模型的可靠性方法在满足精度要求的前提下,能够大幅提高计算效率。

安全凸空间与深度强化学习结合的机器人导航方法

董明泽, 温庄磊, 陈锡爱, 杨炅坤, 曾涛

2024, 45(12):  4372-4382.  doi:10.12382/bgxb.2023.0982

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针对机器人在全局地图未知且环境内存在动态和静态障碍物场景中的导航问题,提出一种基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)的移动机器人导航方法。相较于其他应用于复杂动态环境的DRL机器人导航方法,该方法在动作空间设计、状态空间设计和奖励函数设计上进行了改进,并采用了控制环节与神经网络分离的设计,有助于将仿真研究便捷有效地实现在各类机器人的实际应用中。在动作空间设计上,为缩小可行轨迹的采样空间并同时满足短期动态避障和长期的全局导航需求,将通过激光点云数据计算得到的安全凸空间与机器人运动学极限的交集设定为机器人的动作空间,并从该动作空间中采样出参考位置点形成参考路径,而后机器人通过模型预测控制算法对参考路径进行跟踪。在状态空间和奖励函数的设计上,额外添加了安全凸空间、长短期参考位置点等元素。消融实验结果表明,该设计在各种静态和动态环境中都能达到更高的导航成功率、更短的耗时,并且具有较强的泛化能力。

水下火炮气幕式发射膛口流场演化特性的数值分析

柏雯斌, 余永刚, 张欣尉

2024, 45(12):  4383-4394.  doi:10.12382/bgxb.2023.1041

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为研究水下火炮采用气幕式发射条件下的膛口流场演化特性,建立气幕式发射二维非稳态膛口两相流模型,并验证模型的正确性,随后对30mm滑膛式火炮气幕式发射的膛口初始射流流场及燃气射流流场进行数值模拟。计算结果表明:在弹丸推动作用下,弹前气幕向膛外扩展形成初始射流;初始射流先在膛口附近形成两道斜入射激波,并在中心轴线处发生正规反射,随着气幕内环境压力的衰减,两道入射激波又在近轴线区域发生非正规反射,形成初始射流瓶状激波结构;初始射流马赫盘位置基本保持不变,直径随时间呈线性增长,弹丸出膛后,火药燃气迅速向弹丸侧前方扩展,并快速吞噬初始射流马赫盘,在t=210μs时,入射激波首先在弹底壁面发生非正规反射,随后在靠近轴线处又发生两次非正规反射,形成双三波点的瓶状激波结构,燃气射流马赫盘轴向位移随时间呈指数衰减规律,直径呈现增长-突增-稳定的趋势。

基于DQN变动力智能决策的轨迹规划

梅泽伟, 李天任, 朱佳琳, 邵星灵, 丁天雲, 刘俊

2024, 45(12):  4395-4406.  doi:10.12382/bgxb.2023.1009

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针对航天飞行器气动力不足难以维持应急侧向操纵确保安全避开障碍物的问题,提出一种基于深度Q学习网络(Deep Q-learning Network, DQN)变动力智能决策的轨迹规划方法。根据变动力航天飞行器运动学方程,设计基于航程误差的纵向制导律和考虑避开障碍物的横侧向制导律,用于实时校正倾侧角的幅值和符号,保证终端制导精度和绕飞安全性。从变动力智能决策层面出发,将航天飞行器动力档位调节问题转化为马尔可夫决策过程,以攻角、马赫数以及航天飞行器与障碍物的相对距离为状态空间,以航天飞行器动力档位为动作空间,设计考虑碰撞概率和终端约束偏差的奖励函数,构建DQN网络对智能体进行训练,以得到最佳动力档位。仿真结果表明,所提算法可以赋能航天飞行器在满足终端约束条件下提升运动过程的横向避障能力。

Zr基BMG-W含能破片的力学性能与毁伤性能

胡敖博, 赵超越, 陈进, 陈鹏, 李鹏, 孙兴昀, 蔡水洲

2024, 45(12):  4407-4422.  doi:10.12382/bgxb.2023.0989

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为揭示Zr基块体金属玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)-W含能破片的强塑性协同提升机制,并阐明其冲击毁伤过程,采用放电等离子烧结法制备了系列球形W颗粒含量不同的Zr基BMG-W含能破片,并通过准静态压缩与弹道枪加载侵彻双层靶实验深入研究其力学性能与毁伤性能。研究结果表明:W颗粒的添加显著提升了Zr基BMG-W含能破片的力学性能,烧结温度为 370~385℃,W颗粒体积含量为20%~40%的Zr基BMG-W含能破片均具有优于纯BMG的强度与塑性,其中380℃下制备的Zr基BMG-40W含能破片的断裂强度与塑性应变最大,分别为 2047.0MPa 与16.6%。Zr基BMG-W含能破片的强塑性协同提升机制包含2方面:W颗粒阻碍剪切带快速扩展,使其转向、增殖,延缓含能破片的断裂失效;模量失配引起的剪切带萌生与扩展使W颗粒附近BMG基体中形成局部塑性变形区域,降低了BMG基体对W颗粒的空间约束,W颗粒自身发生塑性变形,推迟含能破片的断裂失效。随W颗粒含量增加,Zr基BMG-W含能破片的毁伤性能先增加、后减小,但均优于纯BMG含能破片,其中Zr基BMG-40W含能破片的毁伤性能最强,扩孔比为27.9。Zr基BMG-W含能破片的冲击毁伤过程主要包括一次爆燃、动能穿孔、二次爆燃与后效毁伤。

基于MLAT-DRL算法的协同区域信息采集策略

娄抒瀚, 王冲冲, 龚炜, 邓立原, 李莉

2024, 45(12):  4423-4434.  doi:10.12382/bgxb.2023.1081

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针对对抗环境下无人机集群协同信息采集任务面临的环境结构复杂、集群通信受阻等难题,提出一种基于多层次混合观测空间与注意力机制的深度强化学习(Multi-Level hybrid observation space with Attention-Deep Reinforcement Learning,MLAT-DRL)算法,用于信息采集任务中无人机的决策。采用集中式训练、分布式执行(Centralized Training with Decentralized Execution,CTDE)范式,实现无通信条件下无人机集群的高效协同;提出多层次混合观测空间方法,形成环境特征的多尺度表达,实现了对全局信息和局部观测的高效利用;在算法网络结构中引入结合注意力(Attention)机制的循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN),提高了无人机集群的风险感知能力;采用优先经验回放(Priority Experience Replay,PER)策略,提高样本利用率,降低训练难度。经过仿真实验验证,MLAT-DRL算法在数据采集和风险规避等方面效果均优于基线算法。

无通信条件下基于视觉毁伤评估的弹群对地目标自主攻击决策

徐艺博, 颜佳润, 曾志文, 吕云霄, 冯世如, 卢惠民

2024, 45(12):  4435-4450.  doi:10.12382/bgxb.2023.1078

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面向利用巡飞弹集群对地面高防御移动目标进行作战的任务场景,提出基于高度划分巡飞弹不同作战功能的攻击决策流程方法。通过在任一巡飞弹部署YOLO X与VGG-16耦合的察打评估一体在线目标识别与毁伤评估网络(YOLO-VGGNet),能够使弹群仅基于视觉感知信息在无通信条件下进行自主作战。同时提出一种末端再评估与目标攻击点选取方法,使得巡飞弹既能在飞临目标的攻击末端对地面目标进行再评估,又能对目标未受打击的特征部位进行定位,从而弹群节点均能自主决定是否继续进行攻击并优先攻击目标的特征部位。仿真实验结果表明:在无通信条件下,通过应用所提的基于YOLO-VGGNet的在线毁伤评估网络,巡飞弹集群既能对任务区域中的运动目标进行完全毁伤,又能减少不必要的弹药损耗并优先攻击目标特征部位,研究有望提升弹群整体作战效能。

燃烧室双旁侧二次进气固体燃料冲压发动机燃烧特性

常亚, 武志文, 王锐, 高琨鹏, 章喆, 王宁飞

2024, 45(12):  4451-4461.  doi:10.12382/bgxb.2023.0905

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针对固体燃料冲压发动机中因扩散燃烧带来的燃速与燃烧效率偏低问题,提出一种燃烧室双旁侧二次进气固体燃料冲压发动机方案,以提高固体燃料冲压发动机燃烧性能。基于标准k-ε湍流模型和涡耗散方程建立冲压发动机燃烧模型,并对冲压发动机基本模型(无旁侧进气)与双旁侧二次进气冲压发动机模型的内流场、燃面退移速率、燃烧效率等展开仿真计算,同时研究了旁路比对双旁侧二次进气冲压发动机性能的影响。仿真结果表明:燃烧室双旁侧二次进气冲压发动机内流场将出现二次回流区、旋流区等新的流场特征,在一定程度上有助于增强发动机掺混燃烧;燃烧效率和比冲随旁路比的增加呈现先增加、后降低趋势,并在旁路比为60%时二者最高,相较冲压发动机基本模型燃烧效率提升了将近40%、比冲提高了12.09%;推力随旁路比增加整体呈现增加趋势,在旁路比为60%时增量最大,之后推力增益效果随着旁路比的增加逐渐减小。

垂直布置支板对斜爆震发动机掺混与起爆特性的影响

刘忆东, 秦琼瑶, 李建中, 袁铭泽, 李珑罡, 李夏飞

2024, 45(12):  4462-4474.  doi:10.12382/bgxb.2023.1076

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斜爆震发动机是一种新型的吸气式发动机,在马赫数9以上的高超声速飞行中有着极大的优势。其中内喷构型斜爆震发动机由于掺混距离短,面临燃料混合不均匀的问题,不均匀的燃料分布会影响爆震波的稳定可靠起爆。为实现燃料的高效低阻掺混,提出一种垂直布置支板结构。采用数值模拟方法研究垂直布置支板在实现斜爆震波稳定起爆方面的优越性,分析垂直支板角度对于掺混和起爆的影响。研究结果表明:增大垂直支板角度降低了掺混段出口氢气质量分数,引起氢气分布结构的弯曲;起爆区域倾斜且起爆距离略微增大后逐渐减小。由此可知,增大垂直支板角度强化氢气掺混的同时减小了起爆距离,从而实现了斜爆震波的稳定可靠起爆。

服役状态下履带车辆综合传动装置换挡过程油压曲线自动寻优

任校辰, 彭建鑫, 王成, 宫燃, 胡宇辉

2024, 45(12):  4475-4487.  doi:10.12382/bgxb.2023.1028

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履带车辆在服役状态下面临复杂恶劣的行驶环境,作为其重要组成部分的综合传动装置液压操纵系统的关键参数会出现性能退化,进而导致换挡品质大幅恶化。为改善综合传动装置在不同服役状态下的换挡品质,研究服役状态下液压操纵系统退化机理,建立包括动力源模型、行星变速器统一动力学模型和负载模型的换挡过程模型。根据换挡品质评价函数,利用遗传算法及全局寻优算法对综合传动装置换挡过程油压曲线进行优化。建立换挡油压曲线优化仿真实验平台,开展车辆不同服役状态下换挡油压曲线优化实验。研究结果表明,换挡油压曲线优化方法能有效改善车辆不同服役状态下的换挡品质。

含断屑块PCD刀具主偏角对切屑流向的影响

王家炜, 于爱兵, 李毅, 叶家往, 赵家震, 齐少春

2024, 45(12):  4488-4499.  doi:10.12382/bgxb.2023.1051

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合理选用刀具角度能够提高含断屑块聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)刀具的切屑控制效果。用有限元模拟和高速摄影观察切削过程,分析主偏角对切屑流向的影响规律。提出切屑接触率的概念用来衡量断屑块对切屑流向的影响程度,收集并统计切屑类型,建立主偏角与切屑接触率之间的关系曲线,确定主偏角的合理取值范围。提出断屑块偏转角度参数,建立偏转角与切屑接触率之间的关系曲线。研究结果表明:增大主偏角会减弱断屑块对切屑流向的控制作用;当主偏角范围为75°~ 95°时,切屑能够流向工件表面并折断形成C形、6形和紧凑型短螺旋切屑;通过调整断屑块偏转角可以改善非合理主偏角切削条件下的断屑效果;选用合理的主偏角和断屑块偏转角度,能够提高含断屑块PCD刀具的切屑接触率,实现有效断屑,提高优良切屑比例。

Ti/Fe(NCN)新型铝热剂的制备和燃烧性能

万立祥, 朱理想, 李宵鹏, 郎茂运, 蔡昌武, 尹艳君

2024, 45(12):  4500-4507.  doi:10.12382/bgxb.2024.0006

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铝热剂作为一类高能、钝感、安全性好的含能材料,在固体推进剂、金属焊接、新型材料制造等领域有着广阔的应用前景。近年来,一类金属碳化二亚胺或称金属氰胺化合物M_x(NCN)_y(其中M为碱金属、碱土金属、过渡金属或非金属元素),由于其独特的电子结构和新奇的物化性质,逐渐成为研究热点。借助金属碳化二亚胺化合物的高含氮量和亚稳态特性,以Fe(NCN)为代表,与纳米Ti组装为一种新型铝热剂体系—Ti/Fe(NCN),并对Ti/Fe(NCN)含能材料的组分、结构、形貌、燃烧特性及反应过程进行了探究。研究结果表明:当Ti与Fe(NCN)质量比为5∶1时,燃烧过程剧烈,放热量为605J/g,释放压力319kPa,且反应产物中检测出Fe、TiC_0.2N_0.8及气体产物N₂;Ti/Fe(NCN)新型铝热剂有望丰富含能材料研究体系,同时为新型含能器件的研发提供新思路。

应用于穿墙雷达的超宽带Vivaldi天线设计

甄法健, 刘云清, 李兴广, 佟永财

2024, 45(12):  4508-4516.  doi:10.12382/bgxb.2023.1052

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为满足穿墙雷达对超宽带、高增益、小型化天线的需求,提出一种应用于穿墙雷达的新型超宽带Vivaldi天线。通过设计具有梯度分布的斜槽,优化天线表面电流,改善天线增益;加载非对称性椭圆曲率引向器耦合高频能量,改善天线高频增益。天线工作频段为1~3GHz,增益达到7dBi,具有定向对称辐射特性及良好的时域响应特性,天线尺寸为160mm×150mm×1.5mm。在全波仿真软件中进行穿墙场景模拟,对天线的穿墙辐射能力和墙后目标检测能力进行验证,透射信号和目标回波信号表明天线具备穿墙雷达天线的性能。

新型GAP/RDX/TEGDN推进剂宽应变率下的力学性能及模型参数标定

董理赢, 谭向龙, 吴艳青, 杨昆

2024, 45(12):  4517-4529.  doi:10.12382/bgxb.2023.1001

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高能低易损固体推进剂力学模型参数的准确性对其宏观力学响应预测具有重要的意义,为解耦标定固体推进剂黏弹塑性损伤模型参数,提出一种基于试验的模型参数标定方法。采用万能试验机和分离式霍普金森压杆装置开展准静态和动态试验,标定GAP/RDX/TEGDN(GRT)固体推进剂黏弹塑性损伤参数,分析其宽应变率下的力学性能和损伤机理。试验结果表明:GRT推进剂的力学行为表现出明显的应变率依赖性,随拉伸速率(1~1000mm/min)的增加,抗拉强度和延伸率分别提高75%和43.33%;随准静态压缩应变率(0.001~1s^-1)的增加,屈服强度提高16.67%;随动态压缩应变率(2100~4100s^-1)的增加,屈服强度提高72.98%;材料的断裂应变与应力状态相关,断裂应变随应力三轴度(η取值为0.33~0.74)增大而减小了36.36%。根据GRT推进剂细观表征得出准静态拉伸下以界面脱粘为主的破坏机制,准静态压缩和动态压缩下以颗粒破碎为主的破坏机制。在此基础上,通过准静态和动态压缩试验标定Plastic-Kinematic本构模型参数,应力松弛试验标定Prony级数参数,缺口试验和准静态拉伸试验标定断裂损伤模型参数,所提方法能够更精准地标定模型参数,为推进剂宏观力学性能预测分析提供支撑。

钴铬合金选区激光熔化工艺参数可靠性优化

周金宇, 王新愿, 程锦翔, 王林

2024, 45(12):  4530-4538.  doi:10.12382/bgxb.2023.0923

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选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)是当前最常见的增材制造技术之一,工艺参数、材料特性以及气氛稳定性对成形质量有重要影响。以激光功率名义值、扫描速度和扫描间距为设计变量,以激光功率、钴铬合金粉末粒径局部分布均值和风速波动度为随机参数,设计多因素多水平实验。基于秩关联原理实现不完备数据的概率增广,获取设计变量、随机参数与试样性能之间的响应面。在满足许用抗拉强度的概率约束下,以成形效率最高为优化目标,建立钴铬合金SLM工艺参数的可靠性设计优化模型。针对SLM过程随机参数非正态和功能函数非线性的问题,引入通用生成函数,融合离散枚举和随机抽样,基于自适应细分-重要抽样创新优化算法,求取最优工艺参数,在可靠性约束下获得最高成形效率。

冰孔约束下圆柱体倾斜入水空泡演化与流场特性数值模拟

杨哲, 鹿麟, 李强, 孙志群, 侯宇

2024, 45(12):  4539-4553.  doi:10.12382/bgxb.2023.0969

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为研究冰孔约束对圆柱体倾斜入水过程的影响,基于流体体积多相流模型建立冰孔约束下的圆柱体入水数值方法,并通过实验测试,完成数值方法准确性的验证。在此基础上,开展不同冰孔孔径下圆柱体入水运动过程的模拟仿真,分析冰孔约束条件下圆柱体入水过程中的空泡演化特性与运动特性。研究结果表明:冰孔约束改变了自由液面的流动情况,从而影响了表面喷溅方向和形态。另外,由于液体撞击冰孔壁消耗了部分空泡用于扩张的能量,导致空泡扩张受阻,并且撞击后形成反射流,而反射流与空泡扩张方向相反,进一步使空泡受阻,致使背水面空泡壁呈弯曲状。在较小冰孔直径工况下,空泡壁与冰孔发生直接接触,使空泡发生局部变形,并且扩张受阻。而在较大冰孔直径工况下,空泡壁未与冰孔接触,此时反射流成为抑制空泡形态的主要原因;除此之外,冰孔约束下,自由液面处会出现了更大范围的剪切变形区域,并且腔内存在更多大尺度的涡旋,这些涡旋导致腔内的压力梯度增大,从而使空泡受到不同方向的压力,进而抑制自由液面处的空泡形态;冰孔约束导致圆柱体入水载荷峰值增大,并造成圆柱体的速度衰减更快。

基于反目标法的引信复杂终点弹道等效模拟试验系统

娄文忠, 何博, 袁勇, 李志鹏, 山亮, 冯恒振, 张明荣, 朱豪坤

2024, 45(12):  4554-4564.  doi:10.12382/bgxb.2023.0985

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面向全域机动作战愈加要求引信具有复杂终点弹道高发火可靠性需求,针对当前正向碰靶试验具有试验着角有限、发火信号不可实时采集以及试验周期长和成本高等问题,开展基于反目标法的引信复杂终点弹道等效模拟试验系统研究。基于有限元仿真,以30mm小口径炮弹引信为对象,对比正向碰靶与反目标法引信关键模块受到的轴向冲击特性的相似性,基于弹塑性力学建立了圆柱形靶板反向碰击引信产生冲击特性的理论模型,模型采用微面力法进行数值求解,并通过仿真结果对比验证,基于20mm轻气炮搭建了等效模拟试验系统模型,并对两种触发开关的响应特性进行实时采集研究。试验结果表明,现用于小口径炮弹引信的某触发开关对正碰2mm铝合金靶板的响应时间约为58.2μs,对比正向炮射试验引信碰击2mm铝合金靶板发生“表炸”的推算结果,验证了基于反目标法的等效模拟试验系统的可行性。

转静干涉下压气机叶片尾缘锯齿设计与性能优化

杨文军, 隋东东, 王旭鹏, 潘五九, 王磊

2024, 45(12):  4565-4577.  doi:10.12382/bgxb.2023.0981

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转静干涉效应诱发了压气机叶片尾流的复杂激扰行为,而尾缘锯齿特征为叶片尾流的激扰控制提供了有效手段。在考虑叶排间转静干涉的基础上,通过在静子叶片尾缘引入锯齿特征,以改善其对叶片尾流扰动以及压气机性能的影响,并进一步利用拉丁方试验设计优化了转子叶型,实现转静干涉下压气机叶片的尾流扰动控制与性能优化。研究结果表明:非均布锯齿特征有效改善了静子叶片的尾流形态,增强了叶片主流与尾流区域的混合效应,减小了叶片尾缘的速度亏损;跨声速压气机的效率提高了2.70%,稳定工作范围提高了12.31%;通过优化转子叶片型面,压气机效率提高至91.42%,进一步拓宽了其性能裕度;研究成果不仅对尾流扰动控制具有重要的理论价值,而且对高性能叶盘系统的设计具有重要的工程意义。

模型失配条件下混合动力两栖车功率协调预测控制

王绪, 高晓宇, 黄英, 崔涛, 骆承良

2024, 45(12):  4578-4588.  doi:10.12382/bgxb.2023.0919

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为实现混合动力两栖车综合效率最优,提出一种功率协调预测控制策略。该策略旨在协同优化能量管理策略与车速控制策略之间的耦合关系。针对车速预测模型失配的问题,提出利用极限学习机进行实时误差预测,并通过预测值进行预测模型校正。设计模型预测控制器实现能量管理与车速控制的实时优化控制,并通过仿真进行验证。研究结果表明:提出的策略相较于传统的基于模型预测控制的能量管理策略能够降低等效燃油消耗、荷电状态(State of Charge, SOC)标准差、母线电压标准差和电池容量衰退,降低幅度分别为9.35%、59.63%、15.79%和45.33%;通过有无模型校正的功率协调预测控制对比,表明通过模型校正可实现等效燃油消耗、SOC标准差、母线电压标准差和电池容量衰退分别降低6.95%、25.91%、13.46%和24.07%,体现了所提出的基于极限学习机模型校正的功率协调预测控制在提升燃油经济性、维持电气系统稳定性和降低电池损耗方面的优越性。

基于复迭代滤波的连续波调频雷达同频非相参调频干扰抑制方法

陈齐乐, 杨瑾, 乔彩霞, 张睿恒

2024, 45(12):  4589-4596.  doi:10.12382/bgxb.2023.0996

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针对连续波调频(Frequency Modulation Continuous Wave, FMCW)雷达易被同频非相参调频信号干扰的问题,设计基于复迭代滤波(Complex Iterative Filtering, CIF)的干扰抑制方法。根据FMCW雷达目标回波差频信号为多个单音信号叠加以及干扰差频信号为覆盖雷达通带的调频信号的特点,采用所提的CIF方法将FMCW雷达输出差频信号分解在本征模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)域,并通过各IMF恒虚警检测获得干扰信号能量分布位置,设计干扰能量剔除及目标回波差频信号幅相重构方法实现干扰抑制。通过仿真和实测数据验证了抗干扰方法的有效性。实验结果表明,在低于-20dB信干噪比条件下,所提方法能够有效抑制同频非相参调频信号的干扰。

激光在箔条云环境中的传输特性模拟

谭钰然, 查冰婷, 郑震, 张合, 何芮

2024, 45(12):  4597-4611.  doi:10.12382/bgxb.2023.1002

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针对激光引信作用时易受箔条云的影响,但箔条云对激光干扰特性研究尚不充分的问题,建立一种箔条云环境中的激光传输特性模型。建立无/有风条件下的箔条云扩散模型,得到不同环境下箔条云稳定阶段的扩散模型,确定了无/有风情况下的箔条云主干扰云团干扰作用的相似性;基于菲涅尔原理,研究单根箔条不同形态下的散射特性;对箔条云进行分割,采用连续场蒙特卡洛辐射传递模型,建立激光在箔条云环境中的传输模型,得到不同中心浓度箔条云环境中无/有目标时激光回波模型。将此模型与实测数据进行对比,验证模型的正确性。研究结果表明,箔条云干扰回波具有脉宽窄、峰值高等特点,且箔条云干扰回波的连续次数与箔条云浓度呈正相关关系,所提模型可为激光引信抗箔条云干扰研究提供支持。

双定子盘式运动整流发电机发电特性

陈阳, 刘欣

2024, 45(12):  4612-4622.  doi:10.12382/bgxb.2023.0902

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针对军事户外活动充电不方便的问题,提出一种可用于军用背包的双定子盘式运动整流永磁发电机。该发电机轴向尺寸小、携带方便,能够实现人体运动能量的收集。基于该发电机的结构特点和工作原理,建立其多环等效解析模型,应用积分法对该发电机的空载气隙磁密、反电动势以及负载输出电压和输出功率进行解析计算,并与有限元仿真结果进行对比分析。通过对该发电机不同结构参数和进给速度的输出功率及效率分析得出:该发电机输出功率受极弧系数的影响效果并不明显,受永磁体厚度和气隙长度的影响较小,受盘式外转子齿数和齿轮传动系数的影响较大;通过增大模数、进给速度和有效电枢长度可以有效提高该发电机的输出功率及效率。