考虑气动-结构耦合的机翼三维结构拓扑优化方法

针对机翼三维结构拓扑优化方法在工程实际应用中的气动-结构耦合问题,开发了一种在机翼翼型表面直接加载气动载荷的三维拓扑优化方法。用更接近真实工程的约束和载荷条件进行结构拓扑优化,便于考虑不同翼型之间气动载荷的差异,并兼顾拓扑优化方法的载荷敏感性;利用MATLAB编写自动网格划分、施加约束和载荷、求解优化的结构分析程序,实现气动-结构分析统一模型;最后通过实例验证了方法的可行性及有效性。结果表明该方法为载荷敏感的拓扑优化方法更精确得到符合实际工况的优化结果提供了一种实用的方案;并对于气动-结构耦合三维拓扑优化方法进行了原理性的探索研究。     

近空间飞行器机翼动态可靠性分析

为保证飞行器的结构可靠和飞行安全，开展近空间飞行器机翼结构动态可靠性分析和寿命预测是十分必 要的，基于近空间飞行器机翼受力分析，在考虑随机载荷和强度变化下给出了机翼动态可靠性分析的新方法。 首先分析了飞行器机翼截面的剪切应力、拉压应力和相当应力的计算; 然后考虑气动载荷作用次数用泊松随机 过程表征; 在机翼强度干涉理论的分析结构强度的基础上，提出截尾正态分布描述气动载荷的新方案，建立了 机翼动态可靠性模型，给出了可靠性指标; 分析了强度退化和飞行动态对可靠性的影响，以给出保证飞行器结 构可靠性的基本要求，为结构可靠性控制器设计提供参考。仿真结果表明，在实际飞行中若要保证飞行器的结 构可靠性，应尽量避免飞行速度过快增加及负迎角和大迎角，条件允许的情况下适当增加飞行高度。     

疲劳剩余寿命分布的当量关系及可靠性计算方法

通过大量试验分析了两级载荷作用下疲劳寿命分布参数的变化规律,研究了非恒幅循环载荷下的疲劳强度可靠性问题的特点及计算方法,通过对疲劳过程中剩余寿命分布规律的分析和研究,针对程序载荷作用下疲劳过程的物理本质,提出了一个以载荷循环数一疲劳寿命干涉模型为基础,以“损伤等效原则”计算不同载荷水平之间的当量循环次数,并充分考虑不同载荷历史下剩余寿命分布参数的变化的疲劳可靠性计算方法。     

疲劳剩余寿合分布的当量关系及可靠性计算方法

通过大量试验分析了两级载荷作用下疲劳寿命分布参数的变化规律，研究了非恒幅循环载荷下的疲劳强度可靠性问题的特点及计算方法。通过对疲劳过程中剩 余寿命分布规律的分析和研究，针对程序载荷作用下疲劳过程的物理本质，提出了一个以载荷循环数－疲劳寿命干涉模型为基础，以“损伤等效原则”计算不同载荷水平之间的当量循环次数，并充分考虑不同载荷历史下剩余寿命分布参数的变化的疲劳可靠性计算方法。     

随机谱载荷下无人机机翼外挂物悬挂挂架的损伤容限分析

机翼外挂物悬挂挂架结构的损伤容限分析是确保结构安全、实现预期目标任务的重要内容,目前针对无人机机翼外挂物悬挂挂架的损伤容限分析及研究较少.以大展弦比无人机机翼组合探头挂架为例,进行了机翼外挂物悬挂挂架损伤容限分析.根据机翼组合探头挂架的结构设计特征,建立了挂架的有限元分析模型,通过疲劳载荷工况应力分析确定了疲劳危险点,采用随机编谱方式,获得了分析部位的损伤容限载荷谱.基于断裂力学,采用Runge-Kutta方法来估算裂纹扩展行为,得到了分析部位的裂纹扩展曲线,获得了裂纹扩展特性.分析结果表明,该挂架的分析部位的裂纹扩展寿命为11 615 250次飞行起落,满足预期的剩余强度值设计要求,可根据裂纹扩展寿命制定检查间隔.     

疲劳剩余寿命分布的当量关系及可靠性计算方法

疲劳剩余寿命分布的当量关系及可靠性计算方法谢里阳，林文强通过大量试验分析了两级载荷作用下疲劳寿命分布参数的变化规律，研究了非恒惕循环载有下的疲劳强度可靠性问题的特点及计算方法．与传统的只是根据＂失效概率等效＂计算各载荷水平下的当量载荷循环数的疲劳可靠...     

管桩预应力自动张拉机张拉部件的优化设计与疲劳寿命分析

针对现有管桩预应力张拉机的张拉部件因疲劳强度不足而引起断裂问题,设计了合抱式张拉部件,并结合实际生产工况进行了疲劳寿命分析和结构优化。以提高系统的响应速度为目标对张拉部件进行了轻量化的结构优化设计;考虑到其受到的变幅载荷是随机的,得到的疲劳寿命具有较大的离散性,且在前期优化设计中变幅载荷曲线难以准确获取,故对张拉部件进行了寿命预测和疲劳强度评估,将变幅载荷转化为峰值的恒幅载荷条件分析了其疲劳寿命。通过结合改善变截面处应力集中等方法,结果表明：重量减轻了3.5%,疲劳寿命提升了15.5%。本研究对优化设计方案的疲劳寿命预测与评估有工程实用价值,可为张拉机的设计与工程化提供参考。     

快速部署无人机充气机翼设计与分析

为完成快速部署无人机充气机翼设计与分析,考虑翼型重合程度、蒙皮质量及加工工艺等因素对充气机翼设计的影响,对充气机翼进行优化设计.结合柔性薄膜理论,建立充气悬臂机翼的等效梁模型,提出一种充气机翼蒙皮应力计算及分析方法.对不同内外压差、气动载荷下的蒙皮应力分布及机翼充气压差对临界气动载荷的影响进行分析.研究结果表明:蒙皮弦...     

基于数值仿真和动静态试验的副车架轻量化

以某混凝土搅拌车副车架为研究对象,介绍一种合理可靠的轻量化设计研究方法,实现了副车架轻量化设计的预期目标。首先,应用Hyperworks软件建立了主副车架的数值仿真模型,对弯扭极限工况下副车架的静载强度进行仿真分析;通过静强度实车试验,验证了数值仿真模型的准确性。然后,根据体积最小化理论,应用Optistruct软件,优化副车架的结构厚度,并提出斜支撑加强板设计的新方案。最后,通过刚度特性的数值仿真,探究了轻量化后主副车架的刚度匹配性;并通过道路动态实车试验,测得副车架轻量化前后的载荷谱;利用Ncode 8.0软件处理,分析了道路载荷谱,结合高周疲劳寿命理论,对比研究了副车架的疲劳寿命。研究结果表明:轻量化方案具有良好的制造工艺继承性;静强度仿真与试验、刚度匹配性分析、动态疲劳试验相联合的研究方法,提升了副车架轻量化过程的科学性;最终使副车架的整体性能得到了改善,并实现减重120kg。     

随机载荷下风电叶片疲劳寿命及可靠性试验评估

为对随机载荷作用下风电叶片的疲劳寿命及可靠性进行预测与评估,首先基于Miner累积损伤理论及全概率公式,推导出随机载荷作用下风电叶片的疲劳寿命预测模型;然后根据寿命等效原则(即随机载荷下的疲劳寿命与恒幅载荷下的疲劳寿命相等)提出了随机载荷下风电叶片疲劳可靠性评估的等效应力试验法;最后通过风电叶片复合材料的疲劳试验数据对本文方法的有效性进行验证.结果表明:本文方法能够有效预测与评估风电叶片复合材料的疲劳寿命及可靠性,为随机载荷作用下风电叶片的疲劳寿命预测及可靠性试验评估提供理论依据.     

随机载荷作用下风电齿轮箱轴承疲劳寿命预测方法

以1.5 MW风电齿轮箱高速端轴承为研究对象,引入随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型,分析随机风载条件下径向载荷和轴向载荷对风电齿轮箱轴承疲劳寿命的影响;运用概率加权法和线性Miner累计损伤法则,给出疲劳寿命与应力之间的关系;提出一种随机载荷条件下风电齿轮箱轴承寿命预测的方法,用该方法对1.5 MW风电齿轮箱高速端轴承的疲劳寿命进行分析计算,结果为13.189a.该方法考虑了载荷的随机性,并以随机载荷作用下所引起的随机应力作为计算疲劳寿命的依据.相比其他方法更加接近于工程实际,预测结果更为准确.     

基于广义能量法的充气式快速部署无人机翼载荷设计分析

为完成充气式快速部署太阳能无人机总体设计,首先,考虑箭载发射或机载投放等快速部署方式对无人机尺寸和质量的限制,从飞行器翼载荷可行域的角度出发,基于广义能量法,建立了充气式太阳能飞行器能源动力模型、全天及夜晚能量平衡下的翼载荷边界模型;其次,研究了光伏电池转换效率及铺装率、储能电池能量密度及功率因子等参数对其翼载荷可行域的影响,分析了各参数间的耦合关系;最后,对比了常规、充气式太阳能飞行器翼载荷可行域。研究结果表明：充气式太阳能无人机翼载荷可行域受光伏电池转换效率、储能电池能量密度及功率因子的影响较大,光伏电池的铺装率对翼载荷可行域的影响较小;在不同翼型下,充气式太阳能无人机的翼载荷可行域明显大于常规太阳能无人机的翼载荷可行域,且充气式太阳能无人机最大飞行高度明显比常规太阳能无人机的大。     

加装翼尖小翼的仿生机翼在临近空间的气动性能分析

参照某型在飞无人机采用仿海鸥翼型设计出平直机翼并在其基础上加装翼尖小翼。通过对两种机翼的数值模拟,得出了加装翼尖小翼仿生机翼的气动性能明显优于平直机翼,加装小翼后仿生机翼有效地减小了下洗速度,降低了诱导阻力,使得机翼的气动性能有明显的改善。为无人机机翼的设计提供理论参考。
     

高超声速飞行器机翼关键部件损伤特性研究

为有效预防机翼关键部件损伤对飞行安全的影响, 分析了高超声速飞行器机翼关键部件的损伤演化及飞 行器飞行动态对损伤的影响。 通过建立高超声速飞行器机翼材料的损伤动力学模型以及对机翼翼梁根部载荷 应力分析, 依次分析了飞行器飞行高度、 速度、 迎角以及副翼偏转角等变量对机翼关键部件损伤特性的影响, 以确定影响损伤的关键变量。 分析仿真结果表明, 相对于其他变量, 飞行器迎角对机翼关键部件损伤的影响最 大。 从保证飞行器安全和延长寿命的角度分析, 应尽量限制飞行器的迎角。 从而为减损控制系统设计奠定基 础, 并为提高飞行器结构的可靠性和延长飞行器寿命提供参考。     

复合材料前掠翼设计与CFD/CSM一体化分析

提出了一种全复合材料前掠机翼的设计与CFD/CSM一体化分析流程。首先进行了机翼气动分析,获得不同迎角下的机翼气动特性;然后根据机翼结构各部件的传力特性,基于等强度原则确定了各部件的形状和尺寸并完成了变截面复合材料部件的铺层设计;最后通过CFD/CSM载荷传递进行了机翼结构的力学性能分析。CFD/CSM一体化计算结果满足设计技术指标;与传统金属机翼相比,结构减重达40%,刚度提升约30%。说明该设计方案在机翼的初步设计阶段具有良好的参考价值。     

高速铁路隧道衬砌结构损伤累积与裂纹演化机理

高速铁路隧道混凝土衬砌结构含有初始孔隙或微裂纹等初始损伤。高速列车通过隧道所产生的气动疲劳载荷作用,使这种初始损伤会逐步扩展。选用混凝土的弹性模量衰减规律来反映气动疲劳载荷对隧道衬砌细观混凝土的作用效应,以弹性模量衰减的第二阶段为主要研究阶段,模拟了在循环气动载荷作用下,高速铁路隧道衬砌混凝土细观损伤机理及疲劳损伤裂纹的发展变化规律。研究表明:高速铁路隧道服役的中后期,气动疲劳载荷对隧道耐久性的危害作用更大。     

基于载荷设计的电动飞机复合材料机翼结构优化方法及试验验证

基于柔度法静气弹分析方法,对电动飞机复合材料机翼考虑气动弹性载荷的结构优化方法进行研究。以考虑翼型弯度的涡格法计算机翼气动载荷,并与CFD计算结果进行对比,验证其准确性。使用遗传算法对机翼结构进行铺层优化,以铺层度及铺层角度百分比为优化变量,结构重量最低为优化目标,强度及复合材料工艺性作为设计约束,对机翼结构进行优化,计算强度时考虑气动弹性载荷。最后通过静力试验验证仿真结果的准确性。研究表明直机翼考虑气动弹性载荷后翼根弯矩、剪力及扭矩均有增加,基于该优化方法可设计合适的机翼结构刚度,在满足强度设计要求同时能达到减重目的。     

基于高精度模型的机翼气动结构多学科设计优化方法

利用低自由度协同优化方法对轻型飞机机翼进行了气动/结构多学科设计优化,气动和结构两个子系统实现了并行,其中气动分析采用CFD软件Fluent,结构分析优化采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran。建立了基于Catia、Gambit和Fluent等通用软件的气动自动化分析模型。提出了利用三系数四次响应面模型拟合机翼上的升力分布以实现不同子系统并行和气动力的传递。以气动自动化分析模型和三系数四次响应面气动载荷分布模型为基础,提出了面向高精度气动分析的气动分析代理模型的建立方法。机翼优化结果表明LDFCO/V1方法可以成功地利用高精度模型实现机翼气动/结构多学科设计优化。     

矿用清障车托举机构疲劳寿命分析及结构优化

研究矿用清障车托举机构的疲劳寿命,并针对传统经验设计下的结构进行优化设计.采用多体动力学和有限元联合仿真的方法,建立整车刚柔耦合动力学模型,将仿真获得的载荷时间历程作为托举机构疲劳分析的随机载荷谱,利用S-N方法对托举机构进行疲劳寿命预测.结果显示,机构最小疲劳寿命为4.54×106次(相当于4.3年),对于需要长期运作的矿用车来说该值偏小.进而采用基于变密度法的拓扑优化方法以静态多工况刚度和动态低阶固有频率为目标对托举机构进行优化设计,获得了最优的臂架拓扑图,再对托举机构进行尺寸优化,依据优化结果完成新托举机构的设计.最后与原托举机构的强度和疲劳寿命进行比较,结果表明,优化后的托举机构强度和疲劳寿命分别改善了11.7%和521%.     

机翼前掠过程气动中心变化规律

基于一种滑轨式变前掠翼布局飞行器,采用三维N-S控制方程的有限体积法离散格式,对不同状态下飞行器的气动中心进行数值计算,得到了变前掠翼布局飞行器气动中心的位置。在相同马赫数下,总结了变前掠翼布局飞行器气动中心随前掠角的变化规律;在相同前掠角下,总结了变前掠翼布局飞行器气动中心随马赫数的变化规律。通过机体表面压力云图以及机翼截面压力系数分布图,分析了变前掠翼布局飞行器气动载荷分布,总结了引起气动中心变化的原因。结果表明:在相同马赫数下,气动中心随前掠角的增大,先少量后移再较大前移;在相同前掠角下,随着飞行马赫数的增大,气动中心均向后移动,移动量在可接受范围内;选取合适的任务模式,可使气动中心仅在小范围移动。