封面图片说明

正第6期封面图片来自论文"参数化艇身阻力特性的全局敏感度及设计空间",是上海交通大学王晓亮形设计参数的维度、提高设计效率的研究.平流层飞艇檨檨副研究员课题组基于对降低平流层飞艇艇身外檨是一种能定点飞行、效费比高的平流层飞行器,能完成诸如中继通信、监察和运输等任务,具有极大的军事及民用价值,找到使艇身具有最小阻力系数的外形具有十分重要的意义.     

平流层软式飞艇的多参数敏感性分析

为研究各参数对平流层软式飞艇力学性能的影响,采用基于拉丁超立方抽样的全局灵敏度分析方法——Sobol’法对某平流层软式飞艇进行了多参数敏感性分析,统计分析了材料参数、荷载参数及外形参数对结构静力性能及自振特性的总体敏感度;采用单参数变化的思想,研究了主要敏感参数对结构最大等效应力、最大变形及自振频率的影响规律.结果表明:对于结构静力性能,蒙皮面密度及吊索相关参数的敏感度可以忽略不计;对于自振特性,吊索相关参数的敏感度可以忽略不计;增加长细比、蒙皮厚度、蒙皮弹性模量或减小径向最低点压差值可以有效地提高结构的局部力学性能;增加径向最低点压差值或减小长细比可有效提高结构腰部抗变形能力.     

基于FFD的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

水下滑翔机发展至今大体上可以分成2个大类:常规布局外形水下滑翔机与非常规布局水下滑翔机。翼身融合水下滑翔机作为一种非常规布局水下滑翔机,因其独特的流体外形布局,具有更好的流体动力特性。但设计出具有优秀水动力性能的翼身融合水下滑翔机外形较为困难,因此开展翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究工作具有十分重要的意义。开展基于自由变形(FFD)的翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究,以FFD参数化方法为核心,与CFD求解器、优化算法、网格变形方法相耦合,组成了完整的自动外形优化设计框架,并用该框架开展了翼身融合水下滑翔机外形优化设计工作。以翼身融合水下滑翔机下沉和上浮一个工作周期的平均阻力系数为目标函数,在考虑体积约束的条件下开展外形优化设计,优化结果表明翼身融合水下滑翔机的滑翔性能得到了明显提升。     

基于遗传算法的微型飞行器翼型优化设计

采用遗传算法对微型飞行器翼型进行优化设计,在优化过程中翼型由解析函数线性叠加法表示,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent对设计的翼型进行了升力系数和阻力系数的气动计算,然后应用遗传算法,以最大升阻比为目标,得到了一组优化的翼型外形参数,并用Isight软件集成实现了计算过程的自动化.     

遗传算法结合反设计的翼型优化设计研究

针对传统的气动外形优化设计存在计算量大、精度低的不足，以及采用余量修正方法的气动外形反设计存在难以提供合理目标压力的难题，为了提高已有气动外形设计方法的工程实用性，创新性地将优化方法中的遗传算法与反设计的余量修正方法相结合，并采用高精度的CFD分析方法，进行了翼型的气动外形设计。设计实践表明，文中的气动外形设计方法是可行的，且由于在优化方法和反设计方法中采用了不同的CFD分析方法，提高了气动外形设计的效率和精度。     

基于智能算法的汽车气动外形参数多目标优化

为了对汽车外形进行优化设计,利用CFD软件与智能算法相结合的方法,以在天窗微开高速行驶状态下的汽车为优化的对象,选取气动阻力最小、气动升力为0、天窗后缘压强最小为`优化目标,以汽车关键外形参数为设计变量,对汽车气动外形进行多目标优化设计.同时,应用了数据挖掘技术评价设计变量与3个目标函数的影响关系,选取优化后的最佳关键参数制作汽车模型并进行风洞试验验证.研究结果表明:通过遗传算法优化的车身外形,在其他设计目标满足要求的条件下成功地将阻力系数降低了9.5%,并通过风洞试验验证了该智能算法结果的准确性.基于智能算法的汽车气动外形设计具有指导意义与实际应用价值,为汽车气动外形的多目标优化设计提供了一种高效、精确、可靠的先进优化方法.     

Savonius风机叶轮双侧外形优化设计

为了提高Savonius风机叶轮的风能利用率,本文提出一种双侧外形不同的叶轮方案,并对双侧外形参数进行优化。利用基于雷诺时均的N-S方程和SST k-ω湍流模型以及滑移网格技术建立叶轮数值仿真计算的CFD模型;同时建立风机叶轮双侧外形参数的Kriging-PSO优化模型;基于CFD和Kriging-PSO优化模型对Savonius风机叶轮双侧外形进行优化。研究结果表明:形状参数为(0. 626 8,0. 541 3)的叶轮发电效率最高(0. 284),相比于常规的Savonius叶轮的发电效率(0. 265)提高7. 17%。     

平流层飞艇热敏感因素分析

以平流层飞艇为研究对象,建立飞艇热特性模型并分析主要的热影响因素. 通过有限拆分法,建立完整的平流层飞艇热特性模型. 为了使建立的热模型能够适用于不同类型的飞艇,将其外形建模和表面离散化处理,分别采用分布参数法和集总参数法,对蒙皮单元和内部填充气体进行热特性数值计算. 通过相关试验数据对建立的模型及其求解方法的可靠有效性进行验证. 分别计算8种不同热影响因素作用下飞艇表面蒙皮温度及内部填充气体温度的变化,对每种因素的影响规律进行定性和定量的分析,得到飞艇热特性的主要敏感因素及不敏感因素,归纳出飞艇蒙皮出现极值温度的条件. 比较不同热源对飞艇热特性的影响和规律,给出飞艇热特性模型中的可简化部分.     

翼身融合水下滑翔机后缘舵流体特性研究

为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。     

带状簧片弯曲折叠力学性能敏感性分析

针对空间可展的金属带状簧片弯曲折叠时的弯矩和应变能响应,引进主次因素度分析、Sobol敏感性理论,对簧片的力学性能受自身几何参数影响进行了敏感性分析,并采用Isight软件的数值方法进行了结果验证.综合比较了几何参数对力学性能指标的影响程度,总结了主次因素度分析、Sobol敏感性理论和数值计算3种方法的优缺点.研究结果为指导实际簧片结构设计和参数优化设计提供了一定的参考和依据.     

某型飞艇外形多目标优化设计及其决策

飞艇的外形设计直接影响了飞艇的飞行性能、气动特性以及结构重量。文中以飞艇的阻力最小以及结构重量最轻作为优化目标,采用多目标粒子群优化算法对某型飞艇的外形进行了多目标优化设计。实际工程设计中,存在的诸多扰动因素会影响设计方案的性能。由于飞艇体积庞大且气囊为柔性材料,扰动因素对于飞艇的性能影响尤为明显。为此,文中提出了一种"基于信噪比的多目标决策方法"。该决策方法以信噪比为准则,不仅可以方便地对多个设计方案进行评价和排序,而且考虑到了工程实际中误差的客观存在,具有较大的工程应用价值。采用基于信噪比的多目标决策方法,从飞艇外形多目标优化的非劣解集中选择出最稳健的设计作为该型飞艇外形的最终设计方案。     

三体船阻力的数值计算研究

采用商业CFD软件FLUENT模拟了三体船周围的粘性流场,并考虑流体粘性及自由表面影响,数值预报了一艘三体船试验船模的阻力.计算中进行了2种不同侧体布置情况下船体周围流场细节的详细模拟,得到了相应情况下的船体总阻力,确定了合理的侧体位置.在此基础上,改变了侧体与主体横向间距进行了3种布置方案的相应计算,并进行比较,选取了最佳的侧体间距.通过计算结果与实验值进行的对比,验证了计算的可靠性,计算达到了船型优化的目的.     

基于FCE方法的超声速机翼厚度分布优化

远场组元(Far-field Composite Element,FCE)激波阻力优化方法是基于类别形状函数变换(Class Shape Transformation,CST)参数化方法发展出的一种超声速飞行器气动外形优化方法。文章使用CST参数化方法对超声速客机的大后掠机翼进行外形参数化,并以机翼容积和局部相对厚度为约束条件,使用FCE方法对其厚度分布进行以激波阻力最小为设计目标的快速优化。与原机翼相比,FCE优化方法使机翼激波阻力系数降低达61%,是超声速飞行器概念设计阶段降低激波阻力十分有用的优化方法。     

Application of numerical modeling and genetic programming to estimate rock mass modulus of deformation

Estimation of the rock mass modulus of deformation (E_m) is one of the most important design parameters in designing many structures in and on rock. This parameter can be obtained by in situ tests, empirical relations between deformation modulus and rock mass classification, and estimating from laboratory tests results. In this paper, a back analysis calculation is performed to present an equation for estimation of the rock mass modulus of deformation using genetic programming (GP) and numerical modeling. A database of 40,960 datasets, including vertical stress (σ_z), horizontal to vertical stresses ratio (k), Poisson’s ratio (ν), radius of circular tunnel (r) and wall displacement of circular tunnel on the horizontal diameter (d) for input parameters and modulus of deformation for output, was established. The selected parameters are easy to determine and rock mass modulus of deformation can be obtained from instrumentation data of any size circular galleries. The resulting RMSE of 0.86 and correlation coefficient of 97% of the proposed equation demonstrated the capability of the computer program (CP) generated by GP.     

起重机主梁截面风力系数预测及结构优化设计

为解决传统计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法获取港口起重机主梁截面风力系数过程繁琐、难以实现结构快速优化设计的关键技术难题，提出了一种基于卷积神经网络的起重机主梁截面风力系数快速预测模型。本研究所提出的风力系数快速预测模型利用自由几何变形方法处理基础截面形状以获取具有丰富几何特征的起重机主梁截面图形集，并采用CFD方法计算各主梁截面图形对应的风力系数生成数据集。在此基础上，基于数据集训练预测模型并对其网络结构进行优化，建立了主梁截面与风力系数之间的非线性映射关系。此外，进一步将该预测模型与遗传算法结合建立了一种主梁截面优化设计方法，并以数据集内F₁₁截面为例将防风性能作为优化目标测试了该优化方法的准确性和效率。算例测试结果表明，所提出的风力系数快速预测模型在预测各主梁截面的风力系数时平均相对误差为1.87%,预测时间为毫秒量级，比传统CFD方法计算效率有数量级地提升；应用本研究所发展的起重机主梁截面优化设计方法优化后的F₁₁截面较优化前风力系数降低了15.89%,能够极大地提高主梁截面的防风...     

CFD在船舶喷水推进器设计与性能分析中的应用

为进一步深入研究喷水推进器的性能,讨论了计算流体力学作为一种先进手段在喷水推进器设计和性能分析中的应用.通过求解雷诺时均的控制方程,计算了某喷水推进泵和"喷水推进器 船体"的流场.利用计算流体力学(CFD)的后处理技术,分析了喷水推进泵的流动特点,发现了泵设计的不足并提出了可改进之处.CFD方法分析"喷水推进器 船体"流动特性比传统理论方法更准确、细致、方便.借助CFD工具,可在模型试验之前对喷水推进器的设计进行深入分析和优化设计,还可完成性能预报.     

采用Sobol方法的暴雨径流管理模型参数灵敏度分析

为了定量探究典型城市暴雨径流管理模型（SWMM）中水文水力参数的全局灵敏度,利用基于方差分解的Sobol方法,计算不同雨强下SWMM中各参数对径流量、峰值流量以及峰现时间的灵敏度,简要分析结果的收敛性. 研究结果表明,在不同雨强下,SWMM中水文水力模块的灵敏参数及相关排序有所差异. 在大雨强条件下,不渗透地区表面的曼宁糙率对3类输出变量都是最灵敏参数,总阶灵敏度均大于0.6;混凝土管段的曼宁糙率系数对峰现时间的灵敏度远大于对其他2类输出变量的灵敏度. 在小雨强条件下,无洼地蓄水不渗透性百分比为灵敏参数,不渗透性地面洼地储蓄为最灵敏参数,第1阶灵敏度指数为0.396. 在模型前63 000次运行中,计算得到的Sobol指数上下波动,在运行84 000次之后,Sobol指数逐渐趋于收敛.     

基于代理模型的旋翼翼型动态失速优化设计

利用代理模型方法取代计算流体动力学（CFD）方法,开展旋翼翼型的动态失速特性优化设计. 建立基于动网格技术的旋翼翼型非定常气动特性求解方法,获得旋翼翼型在不同外形下的升阻力和力矩气动特性参数. 利用类型转换（CST）翼型参数化方法,对初始翼型进行拟合重构;选取12个设计参数,利用基于自然启发的全局优化差分进化算法,优化目标是降低旋翼翼型的力矩和阻力特性,主要限制条件是保证升力特性不降低和翼型厚度增幅不明显. 将本文的优化设计结果与基于伴随方法和CFD方法的优化结果进行对比. 结果表明,基于Kriging模型的动态失速特性优化方法与伴随方法相比,在二维翼型优化设计上具有更好的寻优性能,优化翼型气动特性的表现更好;该方法与CFD方法相比,在利用全局优化算法的优势下,减少了过早陷入局部最优点的可能性,对比优化结果表明,在力矩和阻力特性相差无几的情况下,升力特性的表现更优.     

The Calculations of 3-Dimensional Ising Model of Finite Width

In order to calculate 3-dimensional Ising model,we develop a method to build a much smaller transfer matrix containing the largest eigenvalue from the original 2~(N_1N_2) × 2~(N_1N_2) matrix V_1. Firstly,the transfer matrix V_1 is written as the linear combination of several basic vectors. Secondly,we divide the basic vectors into several subgroups. The multiplication of a basic vector and V_1 can be written as the linear combination of basic vectors from the same subgroup. Finally,we use a new transfer matrix V_2 to describe the relationship between basic vectors of the same subgroup.V_2 is much smaller than the original transfer matrix and contains the largest eigenvalue of V_1.We use this method to calculate the specific heat per atom Cpaand the magnetic momentum per atom Mpa. The results show that there exists a pair of temperature and magnetic field intensity where the specific heat gets to its maximum value. When N_1N_2 increases,the maximum value of specific heat becomes larger.