工程与技术科学基础学科

穆华，任治新，胡小平，等

霍炬，王石静，杨明，等

杨晓霞，黄一

杨功流，刘洋希，李晓平

龙兴武，于旭东，张鹏飞，等

袁保伦，饶谷音，廖丹

岳鹏，史震，王剑，等

郝燕玲，杨峻巍，陈亮，等

覃方君，李安，许江宁，等

翁海娜，姚琪，胡小毛

柳国环，李宏男，林海

孙治国，司炳君，王东升，等

廖飞宇，韩林海

陆新征，林旭川，叶列平，等

朱宏平，余璟，张俊兵

刘林超，闫启方，杨骁

杜修力，金浏

杜修力，金浏

聂建国，王宇航

杨文侠，方有珍，顾强，等

倪敏，苟小平，王启智

张书瑞，李霞，温泽峰，等

韩艳，胡揭玄，蔡春声，等



工程与技术科学基础学科

船用惯性/地磁导航系统信息融合策略与性能

穆华，任治新，胡小平，等

摘要：地磁异常场的强度在空间上变化丰富而在时间上很稳定。对地磁异常值与位置之间的非线性函数关系进行了随机线性化，将地磁异常测量值直接作为观测量，采用扩展卡尔曼滤波技术实现地磁异常测量信息与惯性导航信息的融合，估计并校正了惯性导航系统导航误差。仿真表明，组合导航系统具有如下良好性能：对地磁异常具有广泛的适用性；对初始位置误差、速度误差及姿态误差具有较好的鲁棒性；对地磁数据噪声敏感度较低；可实时更新组合导航信息。将观测量选为参考数据测量值的信息融合策略引入惯性/地磁组合导航。定量描述地磁异常辅助惯性导航系统的信息量，分析组合导航系统对地磁图的适用性。 小波具有多分辨率分析特性，利用小波变换阈值滤波可以有效地处理光纤陀螺信号的噪声。具体的仿真实验分析比较表明，小波变换阈值滤波可以有效地剔除光纤陀螺的信号噪声；与传统的数字低通滤波方法相比，去噪效果更好。利用Allan方差法并通过最小二乘拟合可得到陀螺信号噪声中各误差源的幅度；通过比较滤波前后的各误差系数的具体数值，进一步证实了小波变换阈值滤波的有效性；并指出通过小波分析可以显示出陀螺信号中低频噪声的发展趋势。 为了适应惯导系统的长期稳定使用和避免从机组上拆装的麻烦，实现惯组的外场标定是非常有意义的。在不依赖转台等设备的条件下，分析了仅依靠速度误差和位置误差信息时激光陀螺捷联惯组的误差参数的可观测性问题。首先从外场条件下系统误差的动态方程出发分析了捷联惯组的误差状态（姿态误差以及陀螺和加速度计的六个常值漂移）的可观测性并且进一步分析了误差状态估计的收敛速度以及受观测噪声的影响程度。分析表明，单一位置条件下在没有精确初始姿态误差信息的情况下惯性仪表零偏是不可观测的，为了较精确地估计出惯组的误差系数需至少将惯组摆放三个位置。最后对理论分析结果进行了仿真验证。 加速度计是旋转加速度计重力梯度仪的核心元件，梯度信号测量要求其加速度计具有高分辨率和低的噪声水平，这就需要对现有石英加速度计进行改进，通过表头抽真空，提高控制回路增益来抑制噪声，提高分辨率。抽真空后表头近似为无阻尼状态，其控制回路中需增加阻尼补偿的环节，避免系统在工作频段附近出现振荡；并且，对控制回路中的校正环节也进行了重新设计，加入积分环节，使系统对位置信号的稳态误差为零，大幅度提高工作频段的系统开环增益，从而有效地提高了系统的动态测量精度。 高精度的惯性导航系统是提高舰船综合作战性能的基础。为了提高惯性导航系统的精度，采用单轴旋转惯性测量组件的方book=28,ebook=32法，研制了激光陀螺单轴旋转惯性导航系统。介绍了系统的硬件组成，主要包括系统基本结构，惯性器件的主要技术参数和导航计算机的组成。描述了系统的多位置初始对准方式和温度补偿方案。对该系统进行了长时间静态导航实验和跑车实验，实验结果表明：四次长时间静态导航实验峰值定位误差5 d优于1 nm，10 d优于2 nm；两次跑车实验峰值定位误差77 h优于1.4 nm、15 d优于2.5 nm。 旋转式惯导系统的标度因数误差效应理论分析关系系统的设计和精度的提高。从旋转式惯导系统的误差传播方程出发，推导了光学陀螺旋转式惯导系统中由于标度因数误差引起的数学平台角度误差表达式，并以此为基础，分析了非对称性标度因数误差的自动补偿效应、地球自转与对称性标度因数误差的耦合效应、转轴方向上的标度因数误差效应等现象，最后得到了要减小或者消除这些误差效应所应该注意的原则和结论。分析表明，合适的双轴转动方案能够补偿全部三个陀螺的非对称性标度因数误差；采用三轴或者三轴以上的转轴，能消除对称性标度因数误差与地球自转耦合引起的导航误差；为防止对称性标度因数误差和转位运动耦合而引起的大的导航误差，应采用正反转相结合方案。 由于MEMS陀螺精度低、漂移大，使得MEMS陀螺和加速度计构成的微惯性导航系统（Micro-INS）的精度很低，导航定位误差发散很快，不能满足载体进行导航定位定姿的要求。而相对MEMS陀螺，MEMS加速度计精度较高，据此提出用MEMS加速度计来构成的无陀螺微惯性导航系统（Gyro Free Micro Inertial Navigation System，GFMINS），即通过将高精度的MEMS加速度计安放在载体非质心处，代替陀螺来测量载体角运动信息，实现在短时间内的载体角速度测量精度优于MEMS陀螺的精度，以满足某些短时间运行载体的导航定位定姿要求。最后，针对某型火箭弹的运动模型，对两种惯导系统进行了仿真，结果表明，由误差补偿后MEMS加速度计构成的无陀螺微惯导系统，在100 s内的导航误差等效于传统惯导系统中陀螺漂移0.1（°）/h的误差。 基于大方位失准角条件下捷联惯导系统误差模型的非线性特点，采用非线性滤波方法进行初始对准。扩展卡尔曼滤波存在精度低，且需要计算雅可比矩阵等不足，而中心差分卡尔曼滤波在递推过程中具有计算量大，数值不稳定等缺点。针对上述问题采用了一种改进的中心差分滤波算法——平方根中心差分卡尔曼滤波。仿真结果表明，与扩展卡尔曼滤波相比，平方根中心差分卡尔曼滤波对方位失准角的对准精度由24.5′提高到5.83′，并且避免了计算雅可比矩阵带来的不便；与中心差分滤波相比，平方根中心差分卡尔曼滤波在保证滤波精度的同时，降低了滤波的计算量，提高了滤波的数值稳定性。 针对惯导系统传统阻尼方法存在的阻尼网络设计复杂、状态切换产生较大超调误差等主要问题，提出了一种基于变阻尼比例控制的惯导水平内阻尼方法，在无阻尼惯导东向、北向水平修正回路中增加一条前向比例环节通道，通过合理设计比例参数，利用提取的加速度信息进行惯导水平内阻尼，抑制惯导中舒拉振荡误差。相对于传统阻尼方法，该方法使得阻尼网络设计大为简book=29,ebook=33化。该方法通过连续调整比例控制系数，可实现阻尼系数的连续线性修正，能有效抑制无阻尼状态向阻尼状态切换时超调误差。关键词：惯导；阻尼；比例；超调 初始对准的时间和精度是舰船惯导系统的重要指标。针对在不同情况下惯导系统启动的实际工程需求，提出了单轴旋转激光捷联惯导系统的初始对准方案。研究了系统在动基座情况下进行粗对准方法。建立了单轴旋转惯导系统的误差模型，使用卡尔曼滤波的方法实现了系统精对准过程。分别对惯导系统三种不同动态启动条件，设计了不同的对准方案。数字仿真结果表明，经过6 h的初始对准，垂向陀螺常值漂移的对准误差在设定值的5.2％以内，垂向加表零偏的对准误差在设定值的1.8％以内。 回顾并比较了地震动激励下计算结构响应的位移输入模型和一致加速度输入模型，详细地讨论了由于阻尼项忽略不同导致两种输入模型的本质差别，分析了由此对计算结果产生的影响，并通过数值算例说明该影响不容忽视，进而建议在比较地震动多点激励与一致激励下的结构反应时，一致激励应采用位移输入模型而不是一致加速度输入模型，从而可避免由于两种模型本身阻尼项忽略不同对计算结果产生的影响。此外，指出了振型叠加方法在严格理论上不适用于位移输入模型。 为研究高强箍筋高强混凝土柱的抗震性能，首先进行了6根配置高强箍筋的高强混凝土柱和3个普通强度混凝土柱（作为对比）抗震拟静力试验，并对其破坏形态、滞回曲线、延性及耗能指标以及抗剪强度等进行了对比分析。结果表明：高强混凝土试件与普通混凝土试件破坏过程相似，均呈弯剪破坏形态，采用高强混凝土可有效降低试件轴压比，对其延性和耗能能力有利。将国内外进行的高强箍筋高强混凝土柱抗剪承载力试验结果与美国ACI318规范、我国混凝土结构设计规范（GB 50010-2002）的抗剪公式进行了对比，认为ACI规范及我国规范在计算高强箍筋高强混凝土柱抗剪承载力时均有不安全因素，宜在设计时注意。采用Mander建议的约束混凝土本构关系和纤维单元程序USC RC仍可以对高强箍筋高强混凝土柱的受弯承载力进行较为准确的模拟分析。 建立了方形钢管混凝土叠合柱的非线性有限元模型，对其在往复荷载作用下的滞回性能进行了数值模拟。有限元模型考虑了反复荷载作用下混凝土的损伤、构件的几何非线性以及钢筋和内钢管与混凝土之间的粘结滑移。算例分析结果表明，有限元计算和试验结果总体上吻合良好。采用有限元模型对方形钢管混凝土叠合柱在轴压力和侧向力共同作用下的工作机理进行了细致分析。 连续倒塌是由局部薄弱层或薄弱区域而导致的整体结构倒塌，是地震下结构最常见的一种破坏模式。理论上，结构设计应book=30,ebook=34避免在地震下发生倒塌破坏，但对结构倒塌行为的研究有利于更好地理解结构倒塌机理并寻找有效的抗倒塌方法。倒塌过程与整体结构体系关系紧密，因而数值模拟成为研究倒塌问题的主要手段。该文开发了可以模拟复杂结构倒塌的程序，通过将数值分析结果与试验进行比较，说明数值模型可较好地模拟结构构件的各种极端非线性行为。采用建议的数值模型对两个实际结构进行了分析，分析结果对研究结构在地震下的破坏倒塌机理具有参考意义。 基于动力特性的结构损伤检测方法在过去几十年中得到了迅猛发展。该技术的核心思想在于结构的振动特性（比如频率、振型、模态阻尼等）是结构物理参数（如质量、阻尼和刚度）的函数，结构损伤即意味着结构物理参数的改变，而物理参数的改变必然引起结构振动特性的改变。该文介绍了结构健康监测与损伤动力检测方法的涵义、应用现状和分类方法。对基于动力特性的结构损伤检测方法和识别算法做了重点介绍，分析了各种方法的优点和不足之处。最后对有待进一步研究的问题和结构损伤检测方法发展趋势进行了展望。 黏弹土体的应力-应变关系利用分数导数黏弹性模型进行描述，建立了分数导数黏弹性土层的竖向振动控制方程。在考虑三维波动的条件下，利用势函数和分离变量的方法求解了分数导数黏弹性土层的竖向振动。考虑桩土边界条件和接触条件对分数导数黏弹性土中桩基的竖向振动进行了研究，分析了主要桩土力学参数对桩顶复刚度和导纳的影响规律。研究表明：分数导数的阶数、土体模型参数和桩长径比对桩顶复刚度和导纳有较大影响；分数导数黏弹性模型可以在较大的范围内较精确地描述土体的力学行为；当长径比增大到一定的程度时再增加长径比对桩基竖向振动特性的影响不大。 假定混凝土是由骨料颗粒及砂浆基质组成的复合材料，基于Voigt并联模型对混凝土细观单元进行等效化，对单元的等效弹性模量进行统计分析。以Weibull分布为假设分布，采用图解法结合逐步回归优选法进行参数估计，探讨了混凝土细观单元弹性模量的分布形式，并根据Kolmogorov非参数检验，对假设分布进行了检验；对不同尺度下的细观单元弹性模量进行统计分析，并对骨料空间分布随机性的影响作了初步分析；最后对不同级配下混凝土材料的特征单元尺度问题进行了研究。结果表明：1）混凝土细观单元弹性模量的随机分布形式及参数具有尺度效应，且并不完全服从Weibull模型；2）混凝土细观单元弹性模量的变异性与尺度相关，随单元尺度的减小，变异性先随之增大后逐渐趋于稳定，它反映了混凝土材料细观不均匀程度存在一个合理的细观尺度表述的事实，对应于变异系数向平稳段过渡的拐点所对应的单元尺度称为特征尺度；3）二级、三级、四级配下混凝土材料的特征单元尺度分别为10、15和18 mm；4）骨料空间分布的随机性对细观单元弹性模量随机分布特征影响可以忽略。 混凝土、岩石等工程材料是典型的多孔介质材料，孔隙或微裂纹的存在对材料的弹性模量及强度等力学参数产生很大影响。该文基于三相球模型确定了含孔隙复合材料的有效体积模量，提出采用空心圆柱形杆模型推导得到了含孔隙复合材料有效剪切模book=31,ebook=35量的理论公式，并在各向同性材料的假设条件下确定了材料的有效弹性模量及泊松比；推导并得到了含孔隙材料的有效抗拉、抗压强度及有效抗剪强度与孔隙率之间的定量关系公式，并进一步得到了含孔基质在达到有效强度时的临界应变与孔隙率之间的定量关系。结果表明该文方法能较好的预测含孔混凝土材料的有效力学性能，且公式简单，易于应用。 在大量已有研究成果的基础上，基于大型通用有限元软件ABAQUS提供的用户子程序UMAT开发了一组适用于组合结构构件的单轴材料滞回本构模型，并编制了可用于组合截面纤维自动离散的前处理程序，由此集成了钢—混凝土组合结构纤维梁模型，可用于完全剪力连接的组合框架体系在竖向荷载及水平往复荷载作用下的整体弹塑性分析。与国内外大量试验的对比结果表明，该文开发的钢—混凝土组合结构纤维梁模型具有较高的精度和较为广泛的适用性。纤维梁模型虽然不能考虑钢梁与混凝土板之间的滑移效应，但与试验结果的对比表明是否考虑滑移效应对结构体系整体计算结果的影响不大，但建模工作量大大减少，计算效率显著提高，在分析组合框架体系在地震往复荷载作用下的受力性能时具有较大的优势。 为了研究薄壁钢板组合截面PEC柱（强轴）在恒定竖向荷载下的抗震性能，通过了解国内外在PEC组合柱研究领域的现状，对3个变化混凝土强度的薄壁钢板组合PEC柱足尺试件进行了恒定轴压下水平循环荷载试验。观测记录了各个试件受力阶段的外在混凝土裂缝与压溃和薄壁钢板组合截面翼缘钢板局部屈曲现象，得到了试件的荷载—位移滞回曲线。根据试验结果分析了试件的抗侧刚度、裂缝开展与破坏模式、试件的抗震延性与耗能等力学性能。结果表明：试验试件具有较高的承载能力和较好的延性与耗能性能；构件的破坏模式为薄壁钢板组合截面翼缘发生局部屈曲、柱脚混凝土压溃和拉结筋屈服甚至拉断。 对压缩单裂纹圆孔板（single cleavage drilled compression-SCDC）砂岩试样，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击加载，进行了岩石张开型（I型）动态断裂实验。分别采用2种方法确定砂岩的动态断裂韧度，第1种方法是实验—数值法：由SHPB弹性杆上应变片获得作用在试件上的加载力，然后输入有限元分析程序求得试样裂尖动态应力强度因子，对应于裂尖起裂时刻的动态应力强度因子即为材料动态断裂韧度值；第2种方法是准静态法：将载荷峰值代入静态应力强度因子公式确定动态断裂韧度。2种方法的结果差异较大，对无量纲裂纹长度a/R=0.64（A组）试样，准静态方法确定的断裂韧度值要比实验—数值法确定的断裂韧度值平均要小35％～62％；对无量纲裂纹长度a/R=1.61（B组）试样，准静态方法的计算结果比实验—数值法的计算结果平均要小72％～83％。从原理上讲，实验—数值法比准静态法能更合理地测定岩石的动态断裂韧度。 该文基于了Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论模型，考虑滚动接触物体具有曲面接触斑，利用有限元法，推导出物体柔度系数，即力与位移之间的关系，将理论模型转化为数学上的非线性规划问题。结合拉格朗日乘子法，求解非线性方程组，从而得到接触斑力学行为。该模型是考虑曲面接触斑三维弹性体滚动接触理论模型，考虑了滚动接触物体的真实几何尺寸和接触book=32,ebook=36区外边界因素对滚动接触行为的影响。为解决任何几何形状弹性体滚动接触问题提供了方法。该文主要对二维问题的数值模拟，所得数据结果较为合理。并结合商业有限元软件计算结果对静态问题进行对比验证，两种模型的分析结果吻合的较好。该文的模型和数值方法进一步完善后将适用于任意曲面接触斑滚动接触问题的求解。 车辆和桥梁气动力参数的准确识别是风-车-桥系统耦合振动研究的前提，目前大多数研究中通常忽略了车辆和桥梁间的相对运动。由于采用风洞试验测量手段研究此类问题存在一定困难，因此该文基于CFD数值仿真平台采用动网格技术模拟计算了横风作用下考虑车辆运动的车辆和桥梁气动特性，分析研究了风场的紊流特性、车辆的运动速度以及车桥的相互气动干扰对车辆和桥梁气动特性的影响。计算结果表明：车辆和桥梁的气动力特性受车辆的运动速度和车桥间的相互作用影响较大，风场的紊流特性对车辆和桥梁的气动力也有一定影响。最后通过对比分析单车、桥和车-桥耦合的流场压力和速度云图，探讨了车辆和桥梁气动力的相互作用机理。

关键词：自主导航；惯性/地磁导航；随机线性化；地磁场 光纤陀螺；信号噪声；多分辨率分析；小波变换阈值滤波；数字低通滤波；Allan方差法 捷联惯导系统；外场标定；可观测性；收敛速度 加速度计；控制回路；空气阻尼；校正网络 惯导系统；单轴旋转；激光陀螺；初始对准；温度补偿 光学陀螺；旋转式惯导系统；标度因数；自动补偿；误差分析 MEMS；惯导系统；加速度计；无陀螺惯导系统；误差补偿 大方位失准角；初始对准；平方根中心差分卡尔曼滤波；扩展卡尔曼滤波 激光捷联惯导系统；单轴旋转；初始对准；动态启动；卡尔曼滤波 地震动；位移输入模型；一致加速度输入模型；阻尼；多点激励 结构工程；高强混凝土柱；高强箍筋；抗震性能；延性；抗剪承载力 钢管混凝土叠合柱；有限元模型；滞回；损伤；工作机理分析 防灾减灾；连续倒塌；地震；数值模型；非线性；钢筋混凝土 健康监测；损伤检测；动力特性；振动；算法 分数导数；黏弹性；应力—应变关系；振动特性；势函数 混凝土；Voigt并联模型；单元等效弹性模量；Weibull分布；Kolmogorov检验；特征单元尺度 孔隙；混凝土；三相球模型；圆柱形杆件模型；有效模量；有效强度；临界应变 钢—混凝土；组合结构；纤维梁；ABAQUS；UMAT；有限元 薄壁钢板组合截面；PEC柱；试验研究；滞回性能；耗能能力；破坏模式 压缩单裂纹圆孔板；分离式霍普金森压杆；岩石动态断裂韧度；实验—数值法；准静态法 滚动接触；共形接触；余能原理；非Hertz；非线性规划 风-车-桥系统；横风作用；车辆运动；气动特性；动网格技术

来源出版物：中国惯性技术学报, 2007, 15(3): 322-326 入选年份：2012

基于小波变换阈值法处理光纤陀螺信号噪声

霍炬，王石静，杨明，等

来源出版物：中国惯性技术学报, 2008, 16(3): 343-347 入选年份：2013

外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析

杨晓霞，黄一

来源出版物：中国惯性技术学报, 2008, 16(6): 657-664 入选年份：2013

重力梯度仪加速度计控制回路分析与设计

杨功流，刘洋希，李晓平

来源出版物：中国惯性技术学报, 2009, 17(2): 145-147，152 入选年份：2013

激光陀螺单轴旋转惯性导航系统

龙兴武，于旭东，张鹏飞，等

来源出版物：中国惯性技术学报, 2010, 18(2): 149-153 入选年份：2013

旋转式惯导系统的标度因数误差效应分析

袁保伦，饶谷音，廖丹

来源出版物：中国惯性技术学报, 2010, 18(2): 160-164 入选年份：2013

基于MEMS加速度计的无陀螺惯导系统

岳鹏，史震，王剑，等

来源出版物：中国惯性技术学报, 2011, 19(2): 152-156 入选年份：2013

基于平方根中心差分卡尔曼滤波的大方位失准角初始对准

郝燕玲，杨峻巍，陈亮，等

来源出版物：中国惯性技术学报, 2011, 19(2): 180-184，189 入选年份：2013

阻尼参数连续可调的惯导水平内阻尼方法

覃方君，李安，许江宁，等

来源出版物：中国惯性技术学报, 2011, 19(3): 290-292，301 入选年份：2013

舰船单轴旋转激光捷联惯导系统动态初始对准

翁海娜，姚琪，胡小毛

来源出版物：中国惯性技术学报, 2012, 20(1): 34-38 入选年份：2013

结构地震响应计算模型的比较与分析

柳国环，李宏男，林海

来源出版物：工程力学, 2009, 26(2): 10-15 入选年份：2014

高强箍筋高强混凝土柱抗震性能研究

孙治国，司炳君，王东升，等

来源出版物：工程力学, 2010, 27(5): 128-136 入选年份：2014

方形钢管混凝土叠合柱的力学性能研究

廖飞宇，韩林海

来源出版物：工程力学, 2010, 27(4): 153-162 入选年份：2014

地震下高层建筑连续倒塌数值模型研究

陆新征，林旭川，叶列平，等

来源出版物：工程力学, 2010, 27(11): 64-70 入选年份：2014

结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望

朱宏平，余璟，张俊兵

来源出版物：工程力学, 2011, 28(2): 1-11，17 入选年份：2014

分数导数粘弹性土层模型中桩基竖向振动特性研究

刘林超，闫启方，杨骁

来源出版物：工程力学, 2011, 28(8): 177-182 入选年份：2014

混凝土材料细观单元弹模非均匀统计特性研究

杜修力，金浏

来源出版物：工程力学, 2012, 29(10): 106-115 入选年份：2014

含孔隙混凝土复合材料有效力学性能研究

杜修力，金浏

来源出版物：工程力学, 2012, 29(6): 70-77 入选年份：2014

基于ABAQUS的钢—混凝土组合结构纤维梁模型的开发及应用

聂建国，王宇航

来源出版物：工程力学, 2012, 29(1): 70-80 入选年份：2014

薄壁钢板组合截面PEC柱抗震性能的足尺试验研究

杨文侠，方有珍，顾强，等

来源出版物：工程力学, 2012, 29(8): 108-115 入选年份：2014

霍普金森杆冲击压缩单裂纹圆孔板的岩石动态断裂韧度试验方法

倪敏，苟小平，王启智

来源出版物：工程力学, 2013, 30(1): 365-372 入选年份：2014

具有曲面接触斑弹性体滚动接触理论及其数值方法

张书瑞，李霞，温泽峰，等

来源出版物：工程力学, 2013, 30(2): 30-37 入选年份：2014

横风作用下考虑车辆运动的车桥系统气动特性的数值模拟研究

韩艳，胡揭玄，蔡春声，等

来源出版物：工程力学, 2013, 30(2): 318-325 入选年份：2014