基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化

针对民用飞机中广泛采用的双梁式机翼结构,以机翼结构纵向构件(长桁)和横向构件(翼肋)的数量为参数生成机翼CAD模型,然后基于Patran的PCL(Patran Command Language)语言,根据整体模型分割、局部模型编号、局部网格控制、整体有限元生成的思路,实现了以纵向和横向构件的数量变化为基础自动进行机翼结构有限元模型的构建及分析,并将上述流程集成到机翼结构的布局优化中.最后参照某大型民用飞机的机翼外形尺寸建立了CAD模型,以机翼的静强度、刚度和蒙皮稳定性为约束,以机翼结构质量最低为目标,对上、下蒙皮长桁和翼肋数量进行了优化.优化后的布局使机翼结构质量降低了10.1%,表明了布局优化方法的有效性和可行性.     

飞机红外辐射及大气透过率计算方法

研究了飞机目标的红外辐射特性,以及红外辐射在大气中的辐射衰减特性.根据现有的理论基础以及飞机自身结构特性,将飞机的红外辐射源分为蒙皮、尾喷口和羽流3部分,并提出了3个辐射源在不同波段、不同角度下的红外辐射特性计算方法.根据红外辐射的大气传输特性,采用了不同波长、不同弹目距离下的大气透过率简易计算方法,并将其与Lowtran7进行比较.计算了飞机在不同波段下,经大气衰减后,最终到达红外探测器的辐射强度.     

神舟八号飞船交会对接CCD光学成像敏感器

介绍了CCD光学成像敏感器的功能和组成,以及低噪声视频电路、高速数据处理平台、抗杂光干扰算法、杂光干扰地面试验验证方法等关键技术,并给出了相关测试结果.实际飞行结果表明,CCD光学成像敏感器相机各项指标满足任务书要求,在最后的对接段最远测量距离达164m,位置测量精度优于2mm,滚动轴姿态测量精度优于0.03°,横轴姿态精度优于0.1°,位置和姿态测量精度超过了世界先进水平.     

用于GMA的新型永磁偏置闭合磁路

利用ANSYS有限元软件进行仿真模拟,对超磁致伸缩执行器(GMA,Giant Magnetostrictive Actuator)的磁路结构进行了分析和优化.根据磁致伸缩棒内磁场均匀性好,场外漏磁小的设计目标,利用极性相反的双永磁补偿原理,提出了一种新型的内置式永磁组合偏置结构,使得沿磁致伸缩棒长方向磁场分布均匀的同时,偏置磁场和激励磁场都形成良好的闭合磁路.ANSYS分析结果表明,棒中偏置磁场不均匀度为3.51%,激励磁场不均匀度为8.73%,均满足不均匀度小于10%的设计目标;在执行器指定位置(距离GMA 7 cm)的总漏磁场强度为30.4 A/m,符合实际应用的标准要求(<80 A/m).     

超燃试验用加热器三维粘性流场数值模拟

超燃冲压发动机试验时,使用燃烧型加热器模拟高焓、高马赫数的来流条件,而加热器的喷注结构对改善加热器出口流场均匀性具有重要作用.使用三维数值模拟软件Fluent对2种喷注结构的燃烧型加热器进行了三维定常反应流场模拟,获得了设计工况下的流场.结果表明,采用多孔斜喷结构能使氢气在横向有较大的穿透深度,加上空气的引射作用在燃烧室头部产生大尺度横向涡,增强了氢气和空气的混合燃烧以及燃气的掺混,使加热器出口温度场不均匀性从53%降为21%,氧气摩尔分数不均匀性从63%降为17%,更有利于开展超燃冲压发动机试验.     

飞秒激光系统图像调焦装置以及方法

飞秒激光直写技术在复杂三维微结构加工领域具有显著优势，而调焦是否精准直接影响了所加工结构的完整度.提出了在光路中临时置入调焦光源和物的图像调焦技术，通过调节物的位置使其成像面与激光聚焦面一致，从而通过清晰可分辨的成像状态间接反映激光聚焦状态.利用Zemax软件模拟分析了原飞秒激光光路与加入调焦光源和物的调焦光路，二者可实现相同加工物镜后工作距离与良好成像质量，证明了该方法的可行性.通过分析得到该过程的成像误差主要由成像镜头焦深(3.9 μm)引起，我们获得的理想调焦精度可达到1/2焦深以内.设计了单层高度为5 μm的二层圆柱结构，通过多次实验验证了所加工元件高度误差在1.5 μm范围以内，与理论分析一致，满足飞秒激光系统的调焦要求.     

大展弦比联接翼结构重量估算

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器创新布局形式.针对飞机总体设计阶段需要知道飞机结构重量与气动外形参数之间关系的问题,提出了一种建立大展弦比联接翼布局飞机外形参数与结构重量之间关系的方法.该方法首先应用结构有限元的参数化建模和结构优化方法获得联接翼的结构重量,然后应用试验设计法和响应面模型获得外形参数与其结构重量之间的定量关系.应用这种方法,获得了某大展弦比联接翼结构重量与其外形参数(包括前翼展长、后翼展长与前翼展长之比、前翼展弦比、前翼上反角、前翼后掠角、前后翼根弦前缘纵向距离以及前后翼根弦前缘垂直距离)之间的关系.所获的计算结果对联接翼布局飞机总体参数的确定具有参考价值.     

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

一种航天器用先导级电磁阀的新型结构设计

提出了一种新型两位三通结构的先导级电磁阀设计方案,由2组永磁体和3组控制线圈构造3条永磁锁位磁路和2条电磁偏置磁路,不仅实现了阀门的小型化结构和无功耗位置保持,而且提高了阀门的密封可靠性.这种阀门可以作为大推力发动机推进剂主阀的先导级控制阀,能够满足在轨长期应用的需求.通过电磁场有限元分析和产品样机试验的方法,对设计方案的可行性进行验证,验证结果表明新型先导级电磁阀的各项性能指标均达到设计目标.     

基于频控阵的稳健Capon波束形成

为了克服相控阵波束仅具有角度分辨力的缺陷,频控阵通过在阵元间加入相对于载频十分微小的频率增量,实现了波束的距离-角度二维相关。引入3种接收信号处理机制,并对其进行理论推导分析,仿真说明了其中2种机制的实用性。针对指向误差存在情况下,估计的目标导向矢量与真实的目标导向矢量失配的问题,采用稳健Capon波束形成（RCB）算法,给出纠正偏差后的导向矢量闭式解,并在2种信号处理机制下,对其方向图进行了仿真。结果表明,利用RCB算法能在目标位置形成高增益,干扰位置形成零陷,验证了算法在频控阵中应用的有效性。      

基于火灾疏散安全指数的飞机客舱防火设计

为研究飞机客舱设计对防火性能的影响,首次提出火灾疏散安全指数(FESI) 的概念.利用PyroSim及Pathfinder仿真软件对飞机客舱的火灾场景和疏散过程进行模拟,确定不同客舱内表面积、出口宽度和高度及搭载人数下出口的FESI,分析以上设计因素对客舱火灾疏散能力的影响.使用BP神经网络算法确定几种窄体飞机在确保火灾疏散安全情况下的最大搭载人数.并以B737-800飞机为例对其疏散方案进行优化,模拟结果表明:客舱的内部表面积、舱门尺寸及座位数都是显著影响客舱防火性能的设计因素,典型布置下的B737-800飞机最大承载人数为154人,在疏散方案优化后可增加至175人.所提出的FESI不仅可对现有飞机的防火性能进行评估,优化客舱布局及人员疏散方案,还可为国产大型飞机客舱防火设计提供依据,同时为其他领域的消防研究提供参考.      

民用飞机机翼结构快速设计及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了民用飞机机翼结构及整体油箱的设计措施,并在一个开放式飞机总体设计环境中实现这一功能.定义了飞机翼面坐标系,提出了机翼、梁/墙、桁条、翼肋和蒙皮的参数化描述及模型构建方法,建立了交互式机翼结构及油箱三维设计环境,自动获取结构及油箱的体积、重量、重心和惯性矩等物理信息.在此基础上,实现了机翼结构和整体油箱的自动化模型调整及几何体质量特性的自动重算,为总体设计阶段进行飞机重量、气动和结构的多学科设计优化奠定了基础.最后,给出设计实例说明了机翼结构的设计和自动化调整方法是有效的.     

基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.     

蒙皮柔性夹持数控切边的工艺设计方法

针对可重构柔性工装配合五轴铣床实现蒙皮数控切边这一新技术,进行了工艺设计方法研究.首先介绍了数控可重构柔性工装的定位原理、结构原理以及基准传递协调原理.针对新技术应用中合理布局、精确定位和稳定夹持等3个问题,进行了工艺分析研究.突破了曲面零件装夹姿态定位算法、支撑立柱升程计算、自动化布局设计和装夹过程仿真等关键技术,开发了面向新装备新技术的工艺设计仿真系统.应用任意拉格朗日-欧拉法实现了蒙皮切边过程的有限元仿真,给出了仿真实例.选择某型号飞机镜面蒙皮零件,应用所提出的工艺设计方法进行了工艺试验,对试验结果进行了误差分析,结果表明加工精度满足制造要求.     

飞机蒙皮铝合金超声辅助搅拌摩擦焊试验分析

针对飞机蒙皮对接时,因搅拌摩擦焊(FSW)工艺窗口狭窄易致底部虚焊、弱连接等缺陷问题,为了探索更适合大飞机蒙皮长程稳定焊接的新方法,设计了超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)与FSW的蒙皮连接对比试验,采用1.8 mm厚度的2524-T3铝合金进行了同种工艺条件下的UAFSW与FSW焊接,对表面成形良好、内部无缺陷的FSW与UAFSW焊缝,进行了拉伸、金相、扫描电镜观察等对比分析试验。结果表明,与FSW焊缝相比,UAFSW焊缝缺陷率明显降低,工艺窗口扩大;UAFSW焊缝表面纹理更细密,层叠现象消失;UAFSW焊缝的平均抗拉强度略高于FSW焊缝,达到母材强度的90.7%;UAFSW焊缝的平均延伸率则比FSW焊缝高20%左右。研究发现,超声的加入使UAFSW焊缝微观组织更细更均匀,晶粒尺寸变细小,且晶粒沿轧制方向的规律性被打乱,呈现无明显方向的杂序排列。     

基于POD曲线的预警机雷达检飞概率模型

针对预警机雷达检飞试验中距离取样间隔及检飞航线边界条件的确定问题,以保证发现概率(POD)曲线的覆盖率与精确性为目标,提出基于POD曲线的预警机雷达检飞概率模型.首先,根据POD曲线的覆盖率和精确性要求确定检飞试验拟合曲线所需的采样点数.然后,根据POD曲线的经验分布函数建立检飞试验中最小探测距离和最大探测距离的计算方法,并由此确定检飞航线上距离取样间隔的长度.最后,根据发现概率的统计特性得到距离取样间隔内采样点数以及航次数等试验参数,为雷达检飞试验设计与预警性能评定提供定量依据.      

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性;并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化;退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

基于约束Delaunay三角剖分的筋特征识别与构建算法

为识别飞机结构件中的筋特征,提出一种基于Delaunay三角剖分的识别与构建算法。首先,根据飞机结构件腹板和平顶筋加工方式的不同以及二者几何上的相似性,引入广义腹板概念表示腹板面和平顶筋,并建立筋的表示模型;其次,利用约束Delaunay三角剖分算法,剖分广义腹板面,进行平顶筋面和腹板面的识别与区分,并提取平顶筋面的中轴线;最后,利用中轴线拆分平顶筋并将斜顶筋作为广义腹板的子特征进行识别与构建。实例结果表明,该算法是正确和有效的。      

人体变形中局部坐标系旋转失真问题

分析了人体变形中选取3个基轴构建坐标系所存在的缺陷,提出了一种位置-四元数的方法,解决了曲线骨架驱动的旋转失真现象.采用四元数球面线形插值和B样条四元数插值的方法构建人体变形中曲线骨架的局部坐标系,采用位置-四元数-缩放的方式代替传统的转化矩阵,通过人体表面顶点在该坐标系下的绑定,实现人体皮肤、肌肉的变形.试验结果显示:该方法有效地消除了局部坐标系的旋转失真现象,适用限制少,易于实现.