大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.     

基于多成形指标的大直径铝合金薄壁管数控弯曲成形极限

获得同时满足起皱、过度减薄和扁化质量要求的大直径铝合金薄壁管的弯曲成形极限即最小弯曲半径,已成为提高大直径铝合金薄壁管弯曲成形潜力的关键问题．本研究基于不同加载条件下的铝合金大直径薄壁管弯曲过程动力显式三维弹塑性有限元模型以及管材起皱能量预测模型,提出了管材最小弯曲半径的搜索算法,该算法有效考虑了模具、摩擦等工艺参数对小弯曲半径弯管成形的影响．在此基础上,获得了不同直径铝合金薄壁管的最小弯曲半径,并揭示了几何参数对管最小弯曲半径的影响,以及工艺参数组合对实现最小弯曲半径弯管成形的作用．结果表明：（1）在满足小弯曲半径弯管成形质量要求的模具和摩擦参数组合的合理范围内,减小芯棒球头厚度和直径,并施加轴向压缩载荷能够实现管材的极限弯曲成形;（2）若忽略几何尺寸对管材本构关系的影响,对于直径小于80mm的管材,管材的最小弯曲半径将取决于临界减薄;对于直径大于80mm的管材,管材的最小弯曲半径将取决于起皱．与解析预测结果相比,采用本文方法获得的管材最小弯曲半径最大相对减小了57.39％;（3）工艺参数组合促进实现最小弯曲半径弯管成形的效用,得到了实验的验证．     

连续柱状晶Cu-12Al合金线材无模拉拔变形行为

在拉拔速度1.0~1.4 mm/s、变形温度600~900℃的条件下, 对具有连续柱状晶组织的Cu-12%Al(质量分数)合金线材进行了无模拉拔成形, 分析了变形后合金的显微组织和力学性能, 研究了线材无模拉拔变形行为. 结果表明: 在拉拔速度1.0~1.4 mm/s、变形温度600~900℃的条件下, 连续柱状晶组织Cu-12%Al合金线材在无模拉拔成形过程中没有发生再结晶现象. 当拉拔速度为1.0 mm/s时, 随着变形温度从600℃升高到900℃, 连续柱状晶组织Cu-12%Al合金线材的晶界在无模拉拔成形过程中逐渐变得不平直; 无模拉拔成形后合金线材的延伸率随着变形温度的升高而降低, 抗拉强度随着变形温度的升高而升高. 在变形温度为600℃的条件下, 当拉拔速度为1.1~1.2 mm/s时, 无模拉拔成形对合金线材组织的影响不明显; 当拉拔速度达到1.3~1.4 mm/s时, 合金线材连续柱状晶晶界变得不平直; 在本文实验范围内无模拉拔速度的变化对合金线材延伸率和抗拉强度影响不大.     

C2连续的四次样条曲面插值

讨论了构造C²连续的四次样条插值曲面问题. 把四次样条函数降为C²连续可提供额外的自由度, 用于提高曲面的插值精度和控制曲面的形状. 给出了一个确定自由度的方法和C²连续的四次样条曲线需满足的连续性方程, 提出了构造C²连续的四次样条插值曲面的新方法. 新方法的特点是曲面需满足的连续性方程是三对角占优势的, 曲面的不连续点在给定的数据点处. 所构造的曲面具有四次多项式插值精度. 最后以实例对新方法和现有三、四次样条函数方法的插值精度做了比较.     

声子晶体振动带隙及减振特性研究

对声子晶体的简化结构—周期弹簧振子结构, 一、二、三维声子晶体纵向振动以及一、二维声子晶体弯曲振动的带隙特性及减振特性进行了研究.     

异形环件冷辗扩中环件半径扩大变形行为研究

异形环件冷辗扩是一种可以精密成形复杂截面的无缝环形零件的先进局部塑性成形技术,在航空、航天、汽车、轴承等制造工业中占据着十分重要的地位.在该成形过程中,随着芯辊压下量的不断增加,环件的半径不断扩大,因此,环件的半径扩大变形与芯辊的压下量密切相关.研究环件的半径扩大变形行为对于环件尺寸的精确控制和进给运动的设计具有十分重要的意义.本文基于理论解析法,研究了一种典型的异形截面环件即台阶形截面环件冷辗扩成形过程中,环件半径扩大变形与压下量之间的关系,发现并证明：在台阶形环件辗扩中,型槽填充深度的增加量始终小于压下量;在内台阶环件冷辗扩中,环件外径和大孔内径与压下量之间为单调递增的凹函数关系,即随着压下量的增加,环件外径和大孔内径扩大得越快;在外台阶环件冷辗扩中,环件内径和小外径与压下量之间也为单调递增的凹函数关系,即随着压下量的增加,环件内径和小外径扩大得越快.     

基于软材料的SHPB波形整形技术

脉冲整形常被用来修正霍普金森压杆的入射波形,以保证加载过程中试件的应力均匀性和恒应变率.本文提出了一种具有较好的波形整形效果和较宽适用范围的分离式霍普金森压杆(SHPB)入射波整形方法.采用真空封泥这种可忽略强度的材料作为入射波的波形整形器,结合撞击速度调整封泥的用量,可以得到正弦函数及缓升平台的类梯形波等不同的整形效果.数值模拟分析表明,真空封泥的波形整形效应主要由材料变形过程中的径向惯性效应控制.应用实例显示,经波形整形的SHPB实验试件两端的应力平衡得到较大的改善.     

平面二维河床纵向与横向变形数学模型

在分析不同类型土质河岸冲刷机理的基础上,改进了现有三类土质河岸冲刷过程的力学模拟方法.然后将仅能模拟河床纵向变形的平面二维水沙数学模型与建立在力学基础上的河岸冲刷模型结合,组合成平面二维河床纵向与横向变形数学模型.该模型不仅适合于模拟天然河道的洪水演进与河床纵向冲淤过程,而且还能模拟河床的横向变形过程,尤其能模拟黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的冲刷与崩塌过程.     

辊压板式复合楔横轧精成形机

首先分析了辊式楔横轧机刚度好,但扇形模具加工困难,板式楔横轧机刚度差、占地面积大,但平板模具加工容易,而且两者都不宜加工较大工件．据此分析结论,提出了辊压板式复合楔横轧机的力学原理,进而提出了复合楔横轧机的设计原理和整机设计．在上下滑动压板的上方和下方分别设有上下压辊,压辊与滑动压板滚动接触,平板模具是嵌装在上下滑动压板中,而且成形过程中上下压辊的中心线与轧件的中心线始终在同一垂直面内,这既保留了辊式楔横轧机刚度好和板式楔横轧机模具加工简单的优点,又克服了板式楔横轧机刚度差和辊式楔横轧扇形模具加工复杂的缺点,而且能轧制较大工件．     

某运输机高升力控制系统设计

基于某飞机对前缘缝翼和后缘襟翼的控制需求,设计了高升力控制系统,它能够对襟缝翼及传动线系提供电传飞行控制、保护以及机内自检测功能.针对系统中双驱动综合需求,利用逆向思维法设计了差动减速器,解决了双马达输出的转矩综合问题.在扭矩传输过程中应用万向接头及滑动接头,避免了可能的扭力传输线路变载及卡滞等问题.利用反传动双向逆止器的作用,防止了在传动线系故障状态下,襟缝翼舵面的气动力矩反传导致左右舵面的不对称.通过正余弦传感器的相互耦合作用,降低了襟翼扭曲检测对控制器测试接口的需求.以简单的开关联锁电路,实现了襟缝翼控制器失效后对襟缝翼的控制功能.这些方法的使用,简化了系统的设计,提高了系统的安全性.     

基于约束TIN的开采沉陷可视化及预计

本文以开采沉陷损害和传统预计方法为背景,以优化预计方法和提高预计精度为目的,对开采沉陷的三维可视化表达进行了研究,通过一个实例分析了开采沉陷对地面建筑物的影响及可视化的预计过程。在可视化模型的建立过程中,根据岩层和地表移动的特点对Delaunay三角剖分算法做了进一步改进,通过内插特征点模拟变形等值线,使岩层的细节变化更为直观,该方法对于开采沉陷的三维可视化及变形的预计具有积极的意义。     

具有圆弧形槽孔层合材料三维应力分析

基于一种修正的余能原理,建立了具有一个无外力圆柱面的新型三维层合杂交应力元,它可高效地分析具有圆柱形槽孔的厚、中厚、及薄层合材料的自由孔边三维应力分布. 根据建立的应力分量的应力函数表达式导出的单元应力场,严格满足层内以柱坐标表示的平衡方程、层间界面上应力连续条件、及圆柱面上无外力边界条件. 元间反力连续条件通过Lagrange乘子进行松弛. 层间位移保持连续,同时计入了横向剪切变形影响. 数值算例表明,该元不仅可以提供远较一般假定位移元及一般假定应力元准确的孔边应力分布,而且计算效率高、收敛快,同时,亦可用于多种圆弧形槽孔的应力分析.     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

三维编织复合材料冲击损伤分布的温度和结构效应

三维编织复合材料是通过纤维束编织和基体成型制备得到的复合材料,能以"近净成型"的方式实现材料结构一体化制造复杂外形结构件,减少装配连接数量.该材料已经在航空航天、高速车辆和重要民用设施中得到广泛应用.我们采用高速摄影记录冲击变形过程,用计算机断层扫描(CT)技术和有限元方法表征三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在多次冲击...     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能试验研究

依据功能梯度这一概念,利用超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）优秀的裂缝控制能力,将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为UHTCC,开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作.继理论分析工作后,本文进行了无腹筋长梁4点弯曲试验研究,通过4组不同厚度UHTCC层的复合梁弯曲试验结果验证了理论公式的正确性;并通过与普通钢筋混凝土梁的对比发现,使用UHTCC控裂的功能梯度复合梁不仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高,降低钢材的用量,还可以有效控制梁的变形值,提高构件的延性.根据试验结果和理论分析还确定了复合梁中UHTCC层的最佳厚度,不但节约材料的用量,提高粱的弯曲性能,还能有效地将正常工作条件下梁的裂缝宽度控制在0.05mm以内,防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.     

单向连续板式楔横轧机

本文作者的前期研究 (见: 中国科学E辑：技术科学, 2009, 39(10): 1631—1634)是将辊式楔横轧机刚度好、占地面积小和板式楔横轧机模具加工简单、成形精度高的优点综合于一体, 同时摒弃了辊式楔横轧机模具加工复杂、成形精度差和板式楔横轧机刚度差、占地面积大的缺点, 设计了辊压板式复合楔横轧精成形机. 由于该机在轧制时上下轧板往复相对滑动, 因此必须克服惯性, 能量损耗大, 当轧制大型工件时, 占地面积也大. 为了解决上述问题, 本文提出了单向连续板式楔横轧机. 该机的轧板无需往复滑动, 因此其能量利用率和生产效率高, 而且具有自动清除氧化皮的优点, 特别是它解决了大型轴类件轧制成形的技术难题.     

等离子体激光复合直接成形的弧柱形态与成形特性

提出了等离子激光复合直接熔积制造金属零件技术, 研究了高温合金直接成形过程中激光与等离子弧柱和成形特性的关系. 利用高速摄像仪CCD拍摄了复合激光前后的等离子弧形态图像, 通过图像处理提取弧柱轮廓, 从而实验研究分析了激光的平均功率、脉冲宽度、脉冲频率、复合角度等对等离子弧形态与高温合金成形特性的影响规律, 得到了激光对等离子弧形态有重要影响且可提高直接成形精度的结果.     

高堆石坝筑坝材料宏细观变形分析研究进展

随着我国水电事业的快速发展,高堆石坝的建设已达200～300 m级.超过200 m级高堆石坝将表现出与以往明显不同的变形特性,其变形控制是工程建设的难点之一.由于堆石体等筑坝颗粒材料宏观上连续,而细观上离散,易发生颗粒破碎,其本构模型与变形机理尚未明确,因此需要从宏观和细观两个层面对其应力变形特性进行研究.本文总结了近年来高堆石坝及筑坝堆石体在宏细观变形方面的研究进展,着重对高堆石坝宏观本构研究及参数率定、筑坝堆石体细观力学研究方法、细观变形机制以及堆石料缩尺效应等方面做了介绍,并对后续高堆石坝建设过程中筑坝材料的变形控制的研究趋势进行了展望.     

微轧制下高碳马氏体钢的超延展性与尺度效应

高碳淬火钢难以在室温下发生塑性变形,人们曾将此现象归因于成分(碳含量过高)和组织(马氏体塑性差),未考虑几何尺寸的影响.为此,本研究在室温下对厚度为400?m的9Si Cr淬火马氏体钢进行微轧制实验,发现微轧制下实验钢的塑性良好,延展率达200%以上,且硬度比淬火态提高了39%.本文对此新发现进行了研究.首先,负辊缝轧制使横向压应力增大,同时由于单位体积的接触表面积变大,而引起纵向压应力和垂直方向压应力同时增大,因而静水压力增加.这些因素有利于抑制轧件边裂、头部劈裂以及轧件内部缺陷生成和扩展,致使塑性改善.这一现象可以用传统理论进行解释,属于第一类尺度效应.其次,由于位错和孔洞一旦到达试样表面就会释放和消失,所以轧件的比表面积越大对提高塑性越有利.因此,比表面积充分大的薄轧件已不能视为均匀连续、各向同性的理想材料,其表面效应属于第二类尺度效应.实验结果表明:长期以来认为高碳马氏体组织塑性差的认识在薄轧件轧制中受到挑战,需要同时考虑两种尺度效应,才能深入认识其力学表现和物理本质.