非结构动网格在变后掠翼气动问题中的应用

对非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究.采用了顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进.改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量.应用此非结构动网格生成方法并通过耦合求解基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的Euler方程,模拟了作简谐振动的NACA64A010及M6机翼变后掠状态下的跨音速绕流,计算结果与实验结果吻合良好.     

副油箱从机翼分离流场的数值模拟

采用非结构网格的方法对含有动边界的流场进行数值模拟，非结构动网格的生成采用了改进的弹簧方法和局部网格重新生成相结合的方法，在网格局部重新生成时，采用了阵面推进方法.以基于格心的有限体积法为基础，空间二阶精度，网格单元边界处守恒量通量的计算采用Hanel方法.分别采用四阶Runge-Kutta方法、GMRES方法求解基于ALE形式的Euler方程对振动的NACA0012翼型绕流进行了计算，两种方法都是可行的，其中GMRES隐式方法计算的结果与文献中结果以及实验结果吻合较好.对副油箱从机翼分离的过程进行模拟，给出的副油箱运动趋势和风洞实验结果相吻合.     

流固移动边界网格剖分和更新的改进弹簧近似法

在分析顶点弹簧近似法基础上,改进标准弹簧近似法,推导出修正弹簧刚度,以提高其对大扭曲变形的适应能力.通过NACA0012翼型非结构化网格流场算例检验在大变形下,改进弹簧近似法生成网格的质量.通过映射方法,把改进弹簧近似法用于结构化网格,提高网格更新质量.引入网格单元的长宽比和倾斜度等2个参数以定量分析网格质量.分析表明,改进弹簧近似法亦可有效地运用于结构化网格.通过二维圆柱绕流算例验证了用本文方法在网格更新方面的正确性.     

后掠机翼跨音速静气动弹性特性研究

后掠机翼在飞行过程中受气动载荷影响,其机翼将产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机性能和飞行安全,不能将此种机翼当作传统的刚性机翼加以弹性修正的方法进行分析。针对这种弹性后掠机翼,应用发展的非结构动网格生成方法,以Euler方程为控制方程,耦合结构静平衡方程,采用结构影响系数法,对中等展弦比、大展弦比后掠机翼的气动力载荷和结构变形进行了求解,并对结果进行了分析。     

轴流压气机失速特性的仿真研究

采用气动结构松耦合技术研究了飞翼布局无人机的方向舵嗡鸣响应及副翼、升降舵及襟翼的振动时域响应。首先建立较为详细的飞翼布局无人机的结构模型和气动模型,基于雷诺平均的N-S方程建立流体控制方程和结构动力学方程的耦合求解技术;气动计算中的网格变形技术采用非结构动网格,其中动网格更新技术采用弹簧近似光滑和局部网格重构组合方法;基于LU-SGS子迭代的时间推进技术和HLLEW的空间离散方法进行气动数据的计算,湍流模型采用SST湍流模型,采用三维插值技术进行气动与结构耦合界面结构变形位移与气动力载荷之间数据的传递;在方向舵转轴端部设置方向舵偏转运动的约束方程;基于提出的气动结构松耦合方法计算飞翼无人机方向舵偏转引起的方向舵嗡鸣和全机的方向舵、副翼、升降舵及襟翼振动的时域响应;并研究了旋转角频率参数变化对飞翼无人机全机振动响应特性的影响。研究表明旋转角频率对方向舵的偏转响应和副翼、升降舵及襟翼的振动响应频率影响较大。     

三维机翼结冰外形生成及流场分析

研究了各种结冰条件对民用飞机机翼冰型的影响因素,通过确定结冰区域,计算水收集系数,对翼型在特定条件下的结冰冰型进行了模拟,同时采用NURBS样条曲线、医学影像法则对三维机翼冰型建模,并分别生成了三维无冰机翼及结冰机翼的空间非结构化网格.模拟结果显示,结冰对气动性能影响较大.     

基于梁刚体元模型的圆柱风致响应耦合分析

基于梁刚体元方法提出了圆柱风致响应分析的近似模型,通过计算流体动力学(CFD)求解器FLUENT及其动网格方法求解流体方程,实现了结构与流体的流固弱耦合分析,并利用精细积分法提高了结构的动力分析效率.针对梁刚体元近似模型、刚性模型与弹性模型,比较了不同风速下三维圆柱结构的顶部位移与加速度响应.结果表明,随着风速的增大,结构横向振动幅值呈非线性增加;不考虑耦合作用的刚性模型计算结果误差较大.     

基于空间分布弹性模量的快速动网格方法

为解决基于单一弹性模量的快速动网格方法的网格扭曲问题,提出了一种基于空间分布弹性模量的快速动网格方法。根据流场网格的大小在空间的分布设定虚拟弹性体的弹性模量的空间分布。组集每一个网格的单元刚度矩阵得到虚拟弹性体的整体刚度矩阵,进而得到虚拟弹性体变形的静力平衡方程,并与结构振动方程和耦合面位移插值方程联立推导出结构-虚拟弹性体整体的动力学方程,通过振型截断方法计算结构和流场网格变形。对于标准弹性梁流固耦合和Agard Wing 445.6颤振问题中出现非法网格(网格最小角为0°)的工况,该方法得到的弹性梁流场网格变形后的最小角均维持在67°以上,而机翼流场网格变形后的最小角均维持在36°以上。     

流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测

为准确预测机翼颤振边界,发展了一种基于流固单向耦合的能量方法。首先,为考虑机翼振动对流场的影响,采用课题组所发展的快速动网格技术更新流场网格;然后,在更新后的网格上采用SIMPLE算法求解基于任意欧拉拉格朗日格式的雷诺时均纳维斯托克斯方程,计算出流场压力。通过机翼表面压力计算机翼的气动力,进而计算机翼的气动功,将气动阻尼等效为黏性阻尼,通过等效黏性阻尼公式计算得到机翼振动的气动阻尼;最后,通过气动阻尼来判断机翼的颤振边界。采用所提能量方法对wing 445.6的气动阻尼进行了分析,并计算了其无因次颤振流速,计算得到的无因次颤振流速与实验值的相对偏差大约为1.5%。研究发现,在跨声速条件下wing445.6的气动阻尼随着模态阶数的增加逐渐增加。通过分析机翼表面气动功的分布发现,在跨声速流动中机翼附近流场的激波是产生正气动功的主要原因,也就是说机翼跨声速颤振主要是由激波引起的。     

基于虚拟弹性体的快速动网格方法

为减少流固耦合的计算时间,在现有弹性体方法的基础上,发展了一种快速动网格方法。首先根据弹性体方法的基本假设,将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体,然后将结构与该虚拟弹性体视为一个整体系统,并计算其固有振动的振型及频率,最后以结构受到的流体作用力为激励,通过振型叠加法计算结构网格及流场网格节点的位移。考虑到实际结构的流固耦合振动多为低阶模态的振动,在流固耦合计算中可以通过低阶模态的叠加计算流场网格节点的位移,从而达到快速更新流场网格的目的。采用该快速动网格算法,对某弹性梁颤振问题进行了流固耦合分析,计算结果与已有文献的结果吻合很好,说明了该算法的正确性。与现有的弹性体方法相比,该算法使流固耦合计算时间减少了65.5%。对Wing 445.6模型的颤振问题进行了分析,得到颤振边界与实验值吻合良好,且与现有弹性体法相比,可以减少计算时间54.8%。     

射流管伺服阀反馈杆刚度特性研究(英文)

建立了射流管伺服阀反馈杆的刚度数学模型.射流管伺服阀反馈杆为特殊的弹簧元件,可以通过恰当地设计反馈弹簧来实现射流管伺服阀的良好动态特性.同时还构建了反馈杆刚度的优化模型,通过有限元分析进行反馈杆刚度的分析和预测.     

二维含动边界流场的并行计算

将并行计算方法应用于含运动边界流场的数值模拟,采用弹簧方法生成非结构运动网格.并行程序结构采用主从模式,主进程只负责数据的发送和接收,每个从进程的计算任务对应一个子区域.通过守恒型ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方程的求解,对NACA0012翼型振动问题进行了数值模拟,并对不同分区数目情况下的计算时间、并行计算加速比和并行计算效率进行了比较.算例结果表明,随着分区数的增加,进行计算CPU的效率先增加后下降,而并行计算的加速比不断增加.     

快速生成三维非结构网格的一种方法

提出了快速生成三维非结构网格的一种方法。在（ｘ１,ｘ２,ｘ３）构成的三维曲线坐标系中,该方法只需在任意选定的一个拟Ｓ１面（即由ｘ１,ｘ２所张成的曲面）上生成非结构网格,而其它拟Ｓ１面上的网格是通过空间映射来完成的。所生成网格的总特点是在拟Ｓ１面上为非结构三角形网格,而沿ｘ３方向上具有结构网格的特征,因此,所生成的网格属于五面体单元。在拟Ｓ１面上生成网格时,采用分区生成技术,即在近壁面区生成以Ｏ型网格为基础的三角形单元,在远离壁面区采用本文发展的一种高效快速生成非结构网格的方法。该方法改进了Ｂｏｗｙｅｒ－Ｗａｔｓｏｎ算法,通过合理的配置网格尺度分布函数来保证整个拟Ｓ１面上非结构网格生成的质量,并借助于堆栈搜索技术,大大提高了计算效率。整个三维程序用Ｆｏｒｔｒａｎ语言编制,大量的计算表明：该程序能够快速高效地生成满意的三维非结构网格。     

应用有限元方法分析塑壳断路器磁脱扣器的动作特性

以计算得到的载流导体电流密度分布为激励,分析磁脱扣器的静态磁场,计算磁转矩和磁链随气隙和电流变化的静态数据网格,联立磁脱扣器的电路瞬态方程和可动部件的机械运动方程,考虑脱扣力的作用,运用4阶龙格-库塔法求解脱扣器动作特性.实验证明,脱扣器动作时间计算值的误差不超过10%.分析了磁脱扣器的保护特性与反力弹簧特性和初始工作气隙的关系,结果表明,改变反力弹簧的初始长度相对于改变弹簧刚度和初始工作气隙更容易实现对塑壳断路器脱扣电流的线性调节.     

非结构四面体网格上三维非线性扩散方程的有限体积法

为了有效地数值模拟科学和工程中有广泛应用的非线性扩散方程,在三维线性扩散方程非结构四面体网格的有限体积法的基础上,提出了一个计算非结构四面体网格上非线性扩散方程的有限体积法。方法采用网格单元中心作为计算节点,相对于网格点的方法,计算量减少了一半。用L agrange因子法得到网格点上的值,考虑了网格中心点和网格点的相对位置,更适应大变形的网格。利用算子分裂,使计算更加简单。用N ew ton-B iCG STAB法来求解得到非线性方程组。数值结果表明:该方法具有二阶精度、保持通量守恒、对大变形的网格适应性强。     

汽车悬架非线性螺旋弹簧的设计与仿真分析

通过拟合空气弹簧的特性曲线,并利用螺旋弹簧刚度计算公式得到螺旋弹簧中径和高度的关系,在ANSYS对非线性螺旋弹簧模型进行载荷分析,并对结果数据进行拟合,得到所设计弹簧的特性曲线方程.对建立四分之一悬架系统模型的动力学方程,利用摄动法将非线性弹簧特性曲线方程线性化处理且带入动力学方程中,在MATLAB/Simulink中进行仿真分析,以及与四分之一定刚度悬架系统对比分析.仿真结果表明:利用空气弹簧非线性特性所设计的非线性弹簧可有效提高车辆的舒适性和平顺性,相对于定刚度悬架其各参数指标均有很大程度的改善和提升.     

基准温度分布动网格生成方法的研究及应用

为减少包含刚性运动的流固耦合问题动网格生成的计算量,以温度体模型动网格方法为基础发展了基准温度分布动网格生成方法.在介绍温度体模型方法的基础上,对基准温度分布动网格生成方法的基本原理和方法特点作出具体阐述.以NACA66翼型为例,将该方法应用于大角度旋转运动及平移和旋转同时发生的复合运动中.结果表明,该方法能极大减少计算量,所生成网格具有优异的变形能力,在翼型运动范围和旋转角度均很大的情况下,仍能保证网格的高质量.     

基于非结构网格的斜腔驱动流数值模拟

为了分析大长宽比斜腔驱动流内部的流场结构,编制了基于非结构网格的二维CFD计算程序,主要包括：采用3次样条拟合边界点,使用阵面推进法生成非结构网格;采用Poisson方程解给出的结构化背景网格、Laplacian算子和对角交换技术改善生成网格的质量;利用同位网格上的压力加权插值算法避免压力速度失耦.通过对比等长宽比斜腔定常问题,验证了程序的有效性,发现在使用网格数仅为已有相关文献中的1/6的情况下,其结果与相关文献较吻合.对具有工业背景的长宽比为2的斜腔内流场进行了数值模拟与相应的分析,结果表明,斜腔驱动流中心线速度受雷诺数的影响较大,而受斜腔角度的影响相对较小;随着斜腔长宽比的增加,流场内的旋涡结构形式变化不大,只是中部旋涡的尺度增加.这些结果将有助于指导工业流动设备中类似结构的设计与加工.
     

空气悬架城市客车平顺性评估及优化

利用ADAMS/CAR建立空气弹簧城市客车多体动力学模型,研究车速和随机路面对客车平顺性的影响.采用Behnken盒式正交试验设计方法,对悬架参数进行灵敏度分析及优化,进而提升平顺性.研究表明:前悬弹簧刚度和前后悬减震器阻尼对平顺性影响较显著;当前悬弹簧刚度、减震器阻尼降低,以及后悬减震器阻尼增加时,整车平顺性得到较明显的提升.     

调整刀具动刚度,改善细长杆件的加工质量

采用“减小刀具刚度”的方法进行切削,从而改善了机械加工精度。对系统进行动态分析,建立二个自由度模型。在切削加工期间,将切削过程的等效刚度模拟为弹簧,在模拟系统中,附加了阻尼元件,而且还串联上刀具,恰当地选择元件的刚度,这样,即使减小了刀具的实际刚度,也会增加系统的稳定性,如果选择适宜的阻尼材料,装置设计合理.那么,就会在动态特性和机械加工精度(圆柱度)这两个方面获得好的效果。