民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的刚度需求分析

建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形分析方法.翼型压力分布计算采用面元法,结构分析采用有限元方法.在此基础上,计算了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形情况以及变形对气动力的影响.数值结果表明:后缘部分的柔性蒙皮在气动载荷作用下被"吸"成鼓包形状;同时,翼型上表面压力在"鼓包"位置出现比较大的变化.采用Jacobs的蒙皮形变准则(蒙皮的最大形变量小于弦长的0.1%),计算和分析了可变形后缘弯度机翼对柔性蒙皮的刚度要求.计算结果表明:对于可变后缘弯度机翼而言,增大蒙皮弯曲刚度和拉伸刚度的比值可以减小蒙皮结构对拉伸刚度的要求.柔性蒙皮的最大形变量是随着其拉伸刚度的降低而增加,但增加的幅度取决于蒙皮弯曲刚度的大小;当蒙皮弯曲刚度大于某个值时,蒙皮的变形量由弯曲刚度来控制,拉伸刚度不在起作用,这对柔性蒙皮的结构设计具有重要的指导意义.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素,因此,准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上,建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法,通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算,对计算方法进行了验证．在此基础上,综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术,结合模态空间下结构动力学方程,建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台,对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明,不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率,相比较雷诺平均Navier-Stokes方程,MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构;与颤振明显的区别,各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导,一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合,使结构产生加速度,承受较大的惯性力载荷冲击,是引起结构疲劳的主要因素,验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

考虑结构非线性的铁路弹性车轮动态特性研究

为研究结构非线性(包括弹性车轮橡胶材料非线性和接触边界非线性)对弹性车轮力学行为的影响,设计静动态试验获得弹性车轮中橡胶材料非线性本构关系并探讨了橡胶黏弹性特性;推导弹性车轮系统中橡胶弹性模量与刚度的转换关系,并确定黏弹性橡胶材料的刚度特性;基于橡胶Yeoh本构模型,建立整体车轮、线弹性车轮、考虑材料非线性特性的弹性车轮(以下简称:非线性弹性车轮)以及同时考虑材料与接触非线性特性的弹性车轮(以下简称:接触弹性车轮)等四个动力学模型,研究四种车轮模型在轮轨垂向力激扰下车轮的动态规律,并探明橡胶材料参数对弹性车轮动态特性的影响.研究表明:弹性车轮能有效降低车轮垂向振动;线弹性车轮的端点和中点较之非线性弹性车轮分别最大增加10%和13%的变形量,且橡胶中点变形量小于端点变形量;线弹性车轮较之整体车轮最大能降低17%的垂向振动,非线性弹性车轮较整体车轮最大能降低22%的垂向振动,同时考虑橡胶材料非线性和接触非线性对弹性车轮的动态特性影响不显著;四种车轮振动主频均为3～5, 10以及22 Hz;弹性车轮的振动和变形量随材料硬度增加而增加.     

考虑质量设计的合同组批生产问题研究

针对在制定组批方案中可能会产生的质量浪费现象,在考虑质量设计因素的基础上,建立以质量离散度为优化目标的组批模型,进而设计出考虑质量设计的合同组批算法。该算法改进了粒子群算法以实现聚类组批,首先松弛设备容量限制,以合同的质量离散度最小为目标,运用粒子群算法进行聚类计算,得到初步的组批方案;然后考虑设备容量约束,基于质量离散度最小原则,对违背设备容量范围的批次进行修复调整,得到最终的组批方案。以某大型国有钢铁集团的无缝钢管厂为例,基于生产实际数据设计了数据实验,以质量离散度为评价指标,将本文算法与基本粒子群算法进行对比,探讨了批次数量对问题求解的影响。实验结果表明,本文提出的模型和算法是可行和有效的。     

翼型和机翼的多目标优化设计研究

为使已有的单目标优化方法推广用于多目标/多学科优化中去, 构造一个合适的综合目标函数(确定性算法)或适应函数(遗传算法)是十分重要的. 提出了一种适用于具有约束优化问题的目标函数组合法(OFCM), 讨论了采用确定性算法和遗传算法进行高性能翼型和机翼的双目标和双学科优化的问题. 二维(翼型)和三维(机翼)算例表明本文的方法可用于优化不同流体条件下、不同类型的翼型和机翼.     

考虑混合修形的非对称直齿轮副啮合特性与振动特性分析

基于能量法与切片理论,提出了一种非对称直齿轮副啮合特性及振动特性分析模型.该模型将延长啮合、非线性赫兹接触、齿基刚度修正以及轮齿修形考虑在内,能较为准确地分析非对称直齿轮副的啮合特性.通过将解析方法得到的时变啮合刚度和接触应力与有限元方法得到的结果进行比较可以得知:两种方法得到的啮合刚度和接触应力吻合很好,并且解析方法的计算效率远远高于有限元方法;随着工作侧压力角的增大,齿面接触应力和齿轮副重合度减小,啮合刚度增大.在啮合特性分析模型的基础上,建立了非对称直齿轮副动力学模型.通过振动特性分析可知:随着工作侧压力角的增大,振动幅值增大,系统的固有频率略微降低.本文解析模型可以为非对称直齿轮副的设计提供理论依据.     

考虑偏平面屈服特性的三维耗散应力空间

天然沉积土大多处于复杂三维应力状态．建立岩土材料三维本构模型的方法（三维化方法）应满足热力学定律这一基本物理规律．本文通过引入与塑性剪应变相应的迁移应力,使基于耗散能增量函数建立的岩土材料本构模型能合理地描述偏平面的三维屈服特性．同时,给出了耗散应力空间应力张量与真实应力张量之间的关系表达式,使本构模型能在三维耗散应力空间中采用相关联的流动法则计算不同应力方向的塑性应变．其次,在热力学框架下对比分析了常见三维化方法的热力学本质,如直接引入强度准则的方法、g（θ）方法和变换应力方法等．说明了三维耗散应力空间与变换应力空间的等价性,验证了变换应力方法在热力学框架下的合理性,同时指出直接引入强度准则的方法和g（θ）方法的不合理之处．最后,通过模型预测值与试验值的比较,验证了建立的三维耗散应力空间及其等价的变换应力空间的适用性．     

先进民机飞控系统发展的需求与设计考虑

随着现代民用航空业的发展以及日益激烈的市场竞争环境,对民用飞机机载设备的要求不断提高,尤其是安全性、经济性、舒适性和环保性需求.飞行控制系统如何实现技术能力提升来满足这些需求,成为先进民用飞机的飞行控制系统设计与研制必须考虑的问题.本文分析和回顾了国内外典型系列民用飞机的飞行控制系统技术的发展趋势,提炼了民用飞机的飞行控制系统进一步发展面临的需求,并针对性地提出了对飞行控制系统的设计考虑.     

考虑二维水平地震作用的钢框架厂房减震设计

针对具有楼板不连续和各层抗侧移刚度变化不均匀等特点的厂房,建立针对性的结构有限元模型。通过模态分析发现,该结构前三阶自振周期数值接近且后两阶阵型具有扭转特征;通过模拟地震时程分析,找出结构位移响应规律,从而有针对性地布置消能支撑,并分析了该方案的减震效果。     

基于BPNN的电液伺服扭振试验机PID控制算法研究

弹性轴类零件液压伺服扭转振动试验概在实验过程中,由于系统非线性及负载变化或干扰因素的影响,其控制系统参数及数学模型易发生改变,导致控制效果变差。针对该试验机的控制系统,提出了基于BP神经网络（BPNN）的PID自适应控制算法。利用MATLAB／Simulink工具箱对该算法进行仿真实验。结果表明：结合了神经网络特点的智能PID控制器具有响应快、精度高、鲁棒性好和抗干扰能力强等优点,改善了控制系统的动态性能。     

基于AMESim的两自由度高频激振转阀的仿真研究

传统的伺服阀大部分都是滑阀式,虽然控制精度高、性能稳定,但其工作频宽有限,难以满足高频大流量液压系统的需求。为此,提出一种两自由度的高频激振转阀。首先介绍其结构与工作原理,并根据流体连续性方程、阀口流量方程等理论推导出转阀的数学模型和提出提高激振频率的方法。然后采用AMESim建立高频激振转阀的仿真模型,分析系统压力、系统流量和阀口面积的影响,发现转阀阀口的流量与压力都跟随系统压力和阀口面积的增大而提高,但两者都不受系统流量的影响。     

蒸气在变壁温竖直细圆管内的流动凝结换热特性

针对细小直径圆管的特点, 对经典的Nusselt分析进行修正, 考虑凝结液膜弯曲引起的表面张力以及气液界面蒸气剪切力影响, 建立变壁温条件下竖直细管内流动凝结换热的数学模型, 从理论上探讨小管径下, 沿程管壁温度和重力等作用因素对流动凝结影响程度发生的变化. 实验检验证实分析模型的结果是可靠的.     

基于变密度法的水声隔声超材料拓扑逆向设计

低声阻抗超材料在水下环境中可以被视为声学软边界,并且在水声隔声方面具有重要应用前景.然而,设计出能够有效阻隔低频水声声波(<1000 Hz)的低声阻抗超材料仍然面临挑战.本文基于变密度法,对具有90°旋转对称性的低声阻抗超材料开展拓扑逆向设计,得到了一类具有中心四边形框架附着变截面韧带拓扑特征的声学超材料,其声阻抗只有水的1/40～1/30.有限元仿真揭示了超材料在薄厚度约束下(41 mm)能够在200～1000 Hz低频宽带范围内实现高效的水声隔声,平均隔声量大于19 dB.进一步等效参数分析发现,通过改变超材料方位角,能够产生纵波速度远小于横波速度的新颖物理现象.慢纵波速度使得超材料获得更低的等效声阻抗,从而进一步实现低频宽带水声隔声性能.本文的工作有望为低频宽带水声隔声超材料设计提供一种新的思路.     

考虑渗滤效应的水泥浆锋面扩散理论及试验研究

基于渗流连续性方程、Darcy渗流定律、质量守恒方程、线性滤过定律及压力降方程,建立了水泥浆锋面扩散理论模型,分析了渗滤效应下水泥颗粒的运移滤出机制和浆液锋面的扩散规律;应用自主研发的模型试验系统,研究了水泥浆锋面压力的动态变化规律,并与理论值进行了对比分析.结果表明,在渗滤效应作用下,沉积层渗透系数沿浆液扩散距离增大;锋面速度变化率与沉积层渗透系数呈负相关;特定扩散距离处,锋面压力降p'呈先增后减,而锋面压力p及平均单位压力降ΔP'呈先减后增趋势;锋面压力理论值与试验值偏差率仅为.10%~26%,两者吻合度较高.研究结论可指导注浆设计,对实际工程具有一定的应用价值.     

考虑气液相滑移影响的气井两相节流预测模型研究

为进一步提高气井井下节流两相流流型判别及质量流量预测的准确性,通过建立气液两相节流模型临界压力比和质量流量预测评价方法,对3个常用的气液两相节流模型进行了评价。从质量、动量及能量守恒原理出发,运用对比拟合的方法同时考虑节流过程气液相滑移的影响,提出了新的气液两相井下节流流型判别准则。在此基础上提出了适应于临界流/亚临界流条件下节流质量流量预测的新模型,并运用新模型预测了临界压力比及节流质量流量。在实验数据范围内,该模型的预测性能明显优于已有模型。