硅光电倍增管(SiPM)由于其高增益、高时间分辨、低工作电压、磁场不敏感等优点,在高能物理、医学物理等领域具有广泛的应用前景。该文设计的系统包含前端电子学和数据采集系统两部分: 前端电子学板结合商用专用集成电路(ASIC)(VATA64)与复杂可编程逻辑器件(CPLD), 能够同时读出64通道的SiPM, 板上同时集成了稳定探测器增益的温度补偿电路和标定增益的发光二极管(LED)驱动电路; 数据采集系统以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,可以同时读出8块前端电子学板,并为SiPM提供编程可控的工作电压(40~100 V)。该系统已经应用于由瑞士、德国、美国和中国合作的正负电子气球谱仪(PEBS)实验的电磁量能器原型设计,并在欧洲核子中心(CERN)束线实验取得了良好的结果。该高密度多通道SiPM电子学读出系统可以逐通道调节探测器偏压,调节精度达4 mV, 调节后各通道增益的差异可小于2%。该系统对于其他SiPM在新型粒子径迹室或量能器的应用具备借鉴意义。
主动脉血流仿真可应用于血流运动和部分心血管疾病形成原因分析和风险评价。该文基于核磁共振成像扫描重建的主动脉模型,通过磁共振相位对比成像测量主动脉及主要支脉的时间-流量曲线及血液动力学参数,讨论了不同边界条件下时间-流量曲线、时间-壁面切应力曲线、平均壁面切应力和震荡剪切因子的影响。结果表明: 出口边界相对压力为0、 采用拟合血流方程的入口条件等边界下计算结果与测量的实际血流曲线作为出口和入口边界条件计算结果差异较大,其中入口参数对壁面切应力、平均壁面切应力和震荡剪切因子计算结果影响较大,出口参数对出口时间-流量曲线影响较大。
磁感应热疗在临床实施时,需要达到适形杀灭肿瘤和保护正常组织的治疗目标,因此要求在术前治疗计划系统中对靶区的温度分布情况进行数值模拟,以指导医生制定合适的治疗计划,确保治疗的安全性和有效性。该文基于VTK/ITK等医学影像开源算法工具包,采用医学CT影像3维重建数据场信息,对磁感应热疗过程中治疗区域内的肿瘤及其周围组织进行可视化和适形分割,以确立治疗靶区和植入热籽; 基于电磁学和生物传热学的理论方法,以及肿瘤内的适形热籽排布方案,对治疗时热籽磁热效应产生的能量场分布和热量扩散形成的温度场分布进行理论建模和仿真; 并将适形热疗方法实际应用于肿瘤磁感应热疗计划系统中。结果表明: 磁感应治疗计划系统的适形热疗方法可以辅助医生直观地分割肿瘤和组织器官,进而准确计算靶区的温度场分布,制定合理的适形热疗计划。
该文基于城市冠层模型对中尺度放射性物质大气扩散进行了数值模拟,并探讨了模型参数对预测结果的影响。以日本福岛核泄漏事件为案例,利用中尺度数值模型WRF及其耦合的单层和多层城市冠层模型对事故后的放射性物质的大气扩散与沉降进行了数值模拟,并基于观测数据,对不同的城市冠层模型对应的模拟结果进行了比较。结果表明: 使用多层模型可以得到与观测值最接近的风场模拟结果; 对于近源区域的137Cs的累积沉降量,使用单层模型的模拟值比使用多层模型或不使用城市冠层模型的模拟值更接近观测值; 对于远源区域的131I日沉降量,使用单层模型可得到与观测值更为接近的模拟结果,而对于远源区域的137Cs日沉降量,使用多层模型得到的结果更接近观测值。
小尺度实验是测量服装热阻常用的方法之一。为了测量高温下服装热阻,该文在锥形量热仪的基础上,设计了一套用于研究多层织物热传递机理的小尺度实验测试装置,建立了高温热辐射下使用热平板测量热阻的计算公式。基于该实验装置,在1~10 kW/m2的低热辐射强度下测量了多层防护服织物的内部温度变化以及穿透防护服之后的热流密度。结果表明: 随着热辐射强度的增加,尤其是在热辐射密度超过5 kW/m2时,总热阻减小,外层、防水层和隔热层的热阻减少,而舒适层的热阻先增大后减小; 低辐射强度下(不超过10 kW/m2), 织物对热辐射吸收率的变化对高温低辐射条件下热阻的测量影响可以忽略不计。
针对现有整车质量观测方法受路面坡度影响较大、待标定量较多、需传感设备较多、估计实时性较差等问题,利用电驱动车辆纵向驱动力准确的特点,将质量与坡度解耦,提取了驱动力信号和纵向行驶加速度信号的高频部分,用递归最小二乘法得到了整车质量。在获得比较准确的质量估计结果后,采用了运动学和动力学方法对路面坡度进行了多方法联合观测,通过运动学方法和动力学方法的协调互补,解决了坡度估计严重依赖于车辆模型精度、受加速度传感器静态误差影响较大的缺点。该方法在多种工况下能够对坡度作出迅速有效估计。动力学方法考虑了坡度的时变特性,利用带有遗忘因子的递推最小二乘法对坡度进行估计;运动学方法则利用了坡度与传感器静态偏差强相关的特点,直接得到当前坡度。实车实验结果表明: 所提出的整车质量与路面坡度估计方法鲁棒性好,收敛速度快,估计准确。
针对分布式电驱动车辆在转向极限工况失稳时通过驱动力协调提供横摆力矩有限及常规基于差分制动的稳定性系统控制精度不高的问题,提出了基于模型预测控制的4轮制/驱动力协调控制策略。该文依据模型预测控制系统结构,搭建了面向预测控制的车辆动力学模型; 以改善车辆行驶稳定性、极限工况下的通过性为目标,设计代价函数,构建了多输入多输出系统预测控制律; 利用经典的二次规划方法进行滚动时域求解。仿真实验结果表明: 制/驱动协调可提供更大的横摆力矩、更快的横摆响应; 基于模型预测控制的效果优于常规制动力反馈控制,可以进一步提高车辆横向稳定性。
干式双离合器自动变速器(DCT)的起步过程对其驾驶体验和使用寿命有很大影响; 而车辆起步路况和驾驶员操作极其多样化,因此需要随之调整起步控制策略,来实现起步性能优化。该文基于车辆动力学从车速、等效坡度、路面附着和驾驶员意图四方面对起步工况进行识别,其中驾驶员意图识别结合了模糊推理模型。 在起步工况识别基础上进行起步自适应控制,根据车速和路面附着选择最优的起步挡位,根据等效坡度和驾驶员意图控制双离合器的结合方式和结合速度。应用该识别方法和自适应起步控制策略进行仿真和实车测试,结果表明: 车辆能有效识别不同的起步工况并采用适合该工况的起步方式,该控制策略有效提升了DCT的起步性能。
传统汽车发电机无法进行实时在线的电压调节和智能化控制。该文通过分析传统燃油汽车发电机工作时存在的问题,对传统汽车发电机进行智能化改造,制定了发电机多种工作模式,并结合蓄电池电量及汽车运行状态设计了发电机智能化控制策略,实现了实时在线对发电机输出电压的调节,并通过台架试验和实车试验验证了该智能化控制的可行性和有效性。实车模拟城市工况的试验结果表明: 该发电机智能化控制策略可实现制动能量回收,降低车辆燃油消耗3.7%。
该文展示了一种可以测定径向受力滚动轴承稳态摩擦力矩的方法和测试设备,并用以测量某乘用车发动机前端附件传动系统中典型滚动轴承在不同径向力和转速下的摩擦力矩。基于最小二乘法应用多种函数对摩擦力矩与转速之间的关系进行拟合,依据相关系数和显著性水平选定了最优拟合函数,进而得到了摩擦力矩与转速、径向力之间的经验公式。与试验数据的对比显示,所拟合公式比Palmgren公式具有更高的精度。该测试方法可直接用于其他工程领域中的滚动轴承摩擦力矩的测试。拟合方法与拟合公式对滚动轴承摩擦力矩的表征具有参考意义。
针对现有假人仅限于有限的特定碰撞方向应用的不足,提出了一种可同时满足正向(0°)、 侧向(90°)和斜向(60°)动力响应生物力学逼真度的假人胸部概念模型,使用弹簧阻尼单元模拟人体胸部不同方向的粘弹性动态力学响应特性,对人体尸体(PMHS)胸部正向、侧向和斜向力学响应进行了1维集总参数动力学模拟,及2维3方向耦合假人胸部有限元模型构建及参数优化。结果表明: 满足多方向力学响应的概念假人胸部方案是可行的,所建立的多方向耦合胸部数字模型是可靠的,该模型能够用于包含斜向碰撞在内的多种碰撞工况下的乘员胸部伤害风险研究。
基于机器视觉的驾驶人疲劳检测系统,通过对驾驶人眼睛动作的分析实现对驾驶人疲劳状态的估计。眼睛区域的准确定位是保证疲劳检测精度的前提条件。然而,实际行车过程中,驾驶人头部姿态随机、快速变化会造成眼睛区域定位精度的严重下降。该文在基于主动形状模型(ASM)算法实现驾驶人眼睛区域粗定位的基础上,针对ASM模型在实际检测过程中的姿态适应性较低与定位精度不高的问题,提出局部ASM模型来增强ASM算法的姿态适应性; 进一步引入平均合成精确滤波器(ASEF)算法与ASM算法相结合的思路提高对眼睛区域的定位精度; 同时,提出单、双眼相结合的ASEF算法来提高眼睛虹膜中心定位的鲁棒性。实验结果表明: 该算法对于驾驶人头部姿态变化具有较强的适应性,能够实现眼睛区域的准确定位。
以某电厂1 000 MW机组高压给水加热器及抽汽管道系统为对象,研究数据协调方法在传感器故障检测、识别和数据重构中的应用。数据协调过程中,采用主导因素法建立设备特性参数模型,构建参数间的特性约束关系。仿真案例研究结果表明: 该方法能够有效检测和识别传感器故障,故障数据重构平均相对误差2.42%,具有较高精度。
采用压敏漆(PSP)实验技术测量某F级重型燃气轮机第一级透平静叶前缘和压力面的气膜冷却效率及叶片表面压力分布,初步检验静叶前缘和压力面的整体气膜冷却效果,探讨吹风比、密度比和供气方式等参数对前缘及压力面气膜冷却特性的影响。结果表明: 前缘气膜孔采用交错布置,气膜冷却效率分布相对均匀,同时部分未被完全掺混的冷气在下游压力面产生气膜覆盖,随着吹风比增大,前缘冷却喷射在压力面的气膜覆盖范围增大且强度增强,由于受到叶栅通道涡的影响,气膜覆盖区域往下游向中间聚拢,形成气膜三角区; 压力面逐排供气意在探讨各排孔在不同吹风比和密度比条件下的基本冷却特性,成型孔的布置使得冷却效率由吹风比主导,各排孔的气膜冷却效率随着吹风比增大而增大; 相比于逐排供气,多排孔连供更接近于燃气轮机的真实运行环境,表征了各排孔相互干涉条件下的整体气膜冷却效率分布,多排联供使得冷气在下游逐渐形成累积,近尾缘区域之后表现得尤为明显,同时气膜冷却效率的累积特性基本符合“Shettle superposition”规律。
用电容层析成像(ECT)示踪法研究了单个球形重质大颗粒在流化床密相区的停留时间分布特性及随流化风速变化时运动状态的演化过程。 通过对实验结果的概率统计分析和对大颗粒受力特征的分析,揭示了大颗粒在床内运动行为的统计规律性和随机性。研究发现: 大颗粒在床内的平均停留时间随流化风速的降低先缓慢增大,当流化风速低于某一临界值后,停留时间急剧增大,并过渡到以一定的概率到达布风板低侧,直至最终滞留在床中间; 大颗粒密度越大,演变过程对应的流化风速越大。由于周围两相流压力场、速度场随时间的随机脉动性,大颗粒在床内的停留时间分布很宽。
目前可用的单个颗粒传热计算公式是在假设颗粒为球形颗粒的基础上得到的,但实际颗粒与球体差异很大,其外形很不规则。但在涉及颗粒流的实际工业计算和相关数值模拟计算中,研究者们通常将实际颗粒近似看成球体,而能否简单采用这一球形假设,还有待进一步验证。该文通过自由漫步的方法生成了与实际颗粒很相似的分形颗粒模型,并运用分子运动论和气体扩散理论建立了分形颗粒在低Reynolds数条件下传热计算模型,研究了分形颗粒的传热特性。计算使用的颗粒直径范围为小于5 μm。计算结果表明: 分形颗粒在低Reynolds数条件下进行传热计算时,采用球形假设会产生很大误差,最大误差可达82%; 分形颗粒的比表面积和分形维数对Nu有重要影响。
在基于机器视觉系统的瓶装药液检测技术中,药液中杂质颗粒的光辐射场分布直接影响其在药液图像中的信息强度,从而影响系统对杂质颗粒的检出率。为了提高药液检测系统的检出率,该文根据折射定律等光学定律,首先采用光线积分法分析得到了杂质颗粒的光辐射场分布规律,然后将光辐射场分解为两个基本场的叠加,运用基本场对应的矩阵的叠加矩阵的均方差度量来进行光辐射场的优化。实验结果表明: 根据该优化方法搭建的药液检测系统与传统的检测系统相比,光辐射场分布更加均匀,颗粒检出率提高了26%。
当接收机天线被建筑物遮挡或信号被强噪声淹没时,接收机为正常捕获信号,需进行长时间相干积分和多次非相干积分以提取全球卫星导航(GNSS)弱信号,但长时间相干积分会因为导航数据位跳变导致积分后信号能量衰减影响捕获,且多次非相干积分会带来平方损耗限制了对弱信号的捕获能力。针对这一问题,该文在非相干积分基础上提出以最大能量为准则估计最优导航数据位方法,消除导航数据跳变对积分时间长度限制,从而提高弱信号的捕获能力。捕获仿真结果表明: 该方法能大幅提高增益,可捕获到20 dBHz的弱信号。
该文针对冗余度机器人的轨迹规划问题进行研究,以实现航空工业中特定空间弯曲管道内表面的自动化喷涂作业。在建立复杂内曲面约束和冗余度机器人运动学模型基础上,通过求解冗余度机器人的逆运动学方程,建立适用于一般空间曲管类零件内曲面喷涂作业的冗余度机器人轨迹规划方法。在仿真中使用此方法,得到了不同情况下冗余度机器人的无碰撞喷涂轨迹。在喷涂应用中使用此方法,冗余度机器人完成了无碰撞的喷涂作业,经检测涂层的厚度和均匀度满足工艺要求。
该文建立了一种刷式密封的3维模型,结合 ANSYS 系列商用软件,利用计算流体动力学(CFD)方法计算了刷式密封的流场和温度场。研究了刷丝排数对泄漏量的影响,对刷丝排数为14排,厚0.93 mm的刷式密封进行了流场和温度场计算,重点研究了刷丝间隙中的流动和刷丝及刷丝间隙中温度分布的细节及规律,讨论了不同工况参数及压差、干涉量、线速度对最高温度的影响。结果表明: 随着刷丝排数的增加,泄漏量先呈指数下降,后呈趋缓的线性下降,最后基本趋于稳定。干涉量和线速度对最高温度的影响更为明显。
陀螺管芯是微机电(MEMS)陀螺的核心器件,利用多频激励方法可以提高陀螺管芯的动态特性测试效率。该文基于静电激励-电容检测的原理进行线振动MEMS陀螺的动态特性测试,构造了线性初始相位差分布的等幅多频激励信号解决合成信号最大值限制的问题。用多频激励方法,完成频率分辨率为1 Hz、 谐振频率3 000 Hz附近601个频率点的单个模态测试只需1.5 s。多频激励和正弦扫频激励对比测试表明: 两种方法测得幅、相频特性曲线几乎完全相同; 谐振频率、幅值和相位的测试重复性相近; 但多频方法测试精度略低于扫频激励。多频方法完全可满足大批量管芯装配前的筛选和配对测试的迫切需求。
支撑地脚动态特性直接影响机床整机的动态特性,对地脚结合部进行参数辨识可以更准确地建立机床整机动力学模型。该文提出一种地脚结合部等效刚度和阻尼的辨识方法。将某床身试验台的地脚结合部等效为3向弹簧阻尼系统进行动力学建模,通过模态试验得到床身的模态频率与阻尼比,由此辨识出地脚结合部的等效刚度和阻尼。然而,该方法无法直接对任意支撑状态下的地脚等效参数进行辨识。针对这一问题,该文先对均匀质量床身对称支撑状态下的地脚结合部进行参数辨识,然后改变地脚所受正压力的大小,重复参数辨识过程,得出结合部参数与正压力的关系,用于计算任意承重状态下的地脚结合部参数。参数辨识结果表明,地脚结合部等效刚度和阻尼均随着正压力的增大而增大。通过有限元仿真对参数辨识结果进行了验证,考虑地脚参数的有限元模型仿真结果与试验结果一致。
数控高速加工复杂轨迹时,过象限摩擦误差是轮廓误差的重要来源。将过象限摩擦误差约束加入速度规划模型,能有效弥补伺服系统中的摩擦力反馈补偿缺乏全局信息的缺陷,在保证加工精度的同时实现最优加工效率。首先建立了考虑摩擦影响的机床进给伺服系统动力学模型,结合数学推导与参数正交实验方法,针对光滑复杂轨迹研究了过象限摩擦误差产生机理,提出了系统换向时由摩擦产生的最大跟随误差的预测数学模型,并将其作为约束加入数控速度时间最优规划模型。实验结果表明: 该模型可以较为精确地预测过象限摩擦误差。对比轨迹跟踪结果证明了包含过象限摩擦误差约束的速度规划能有效控制最终轨迹轮廓精度。
为了研究异种钢焊接接头高温持久性能的薄弱环节和影响因素,采用与实际结构相同的母材和焊丝,按照实际的焊接工艺制造了含有过渡层的试板模拟件接头。对接头进行高温持久试验发现,绝大多数试样都在过渡层层间的熔合区发生断裂。通过金相观察、显微硬度测试、成分分析和扫描电镜(SEM)观察等手段,证明过渡层内的熔合区存在软化层,导致了应变集中,因此容易开裂。软化层的形成是由于过渡层层间Cr元素差异较大,使C元素向较高Cr含量一侧迁移,从而形成贫碳区,使硬度降低。过渡层熔合区存在结晶方向的差异,也会对接头持久性能造成不利影响。优化焊丝合金成分和改进焊接工艺可提高异种钢焊接接头的持久性能。
该文对甲烷-空气湍流平面射流预混火焰进行了直接数值模拟。射流入口的扰动速度数据依据给定的湍流能谱生成,利用入口处的湍流积分长度尺度和湍动能确定了能谱的峰值波数。计算结果给出了气体温度、质量分数和涡量模的瞬态分布,表明在剪切层内随着旋涡尺度的增大出现了拟序结构。化学反应受到湍流的作用,瞬时反应面出现了明显的皱折,反应面积增大。沿射流中心线,湍动能逐渐衰减,温度脉动和甲烷质量分数脉动均方根值则逐渐增大。
