机身主要承力框结构优化设计研究

将基于二次规划的准解析法优化理论应用于机身主要承力框的设计中,建立了机身主要承力框的优化模型.以承力框重量为目标函数,考虑了尺寸约束、强度约束和抗弯刚度约束,使优化后的机身结构不但满足强度要求,同时使优化后机翼机身对接接头的抗弯刚度与原准机保持一致.根据优化理论编制了SAAOP(Structure Analyzing and Optimizing Program)程序,计算结果表明该程序可应用于大型薄壁机身主要承力框的初步设计中.     

直升机滑油散热器动态性能分析

滑油散热器的动态特性是直升机滑油冷却系统设计的基础,使用模块化集总参数法建立了直升机滑油散热器的动态仿真模型,采用Laplace变换建立动态传递函数,结合动态仿真模拟曲线的比较以及传递函数的分析,对热侧和冷侧入口温度阶跃变化时的热侧出口温度动态响应性能进行分析,得到了影响动态性能的重要影响参数——芯体蓄热时间常数τw以及热侧温度随流动时间τ变化的时间常数hτ,从而可通过改变这两个重要影响参数来有效改变散热器以及系统的动态延迟时间.通过散热器动态实验测量,验证了模型的正确性.研究成果可有效改进散热器以及系统的动态性能,以及指导散热器与系统的优化耦合设计.     

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.      

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器，通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性，建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响，并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明:矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段，适用于不同功率需求；提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率；肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时，总融化时间分别缩短42.89%、71.96%，增强传热，但功率重量比降低；分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%，功率提高，为相变翅片管的优化设计提供参考。      

管壳式换热器的一种优化设计

换热器的结构优化涉及到多参数的耦合问题.区别于以往优化方法只是将换热器单个性能涉及因素作为目标函数,选取换热器性能涉及因素中的换热体积和换热过程压降损失为优化对象,以湿空气与水热交换作为具体工况条件,分析了管壳式换热器的传热和压降模型,得到了管壳式换热器设计的优化结果,找到了一种综合考虑换热器体积以及换热过程压降损失的换热器结构设计方法.与普通设计方法相比,该方法可以有效减小换热器体积与传热过程压降损失.     

考虑制造约束的印刷电路板式换热器优化设计

针对印刷电路板式换热器(PCHE)的微流道结构参数设计制造一体化问题,开展了考虑制造约束条件的换热器性能优化的研究。通过流体仿真分析了流道宽度、深度和深宽比对温度分布、压力损失和换热系数的影响。使用多目标遗传算法(MOGA)建立了换热性能的多参数多目标性能优化仿真模型,根据性能优化获得的设计参数建立微流道结构辊压成形工艺仿真模型,得到制造约束条件,将制造约束反馈到性能优化仿真模型中,得到宽为0.29 mm、深为0.39 mm的矩形微流道优化设计参数,且通过辊对辊(R2R)的辊压工艺实验验证了该优化方法的可行性。考虑制造约束的换热器优化设计方法在性能优化设计阶段引入工艺限制条件,是实现换热器一体化设计制造的有效手段。      

某型直升飞机环控系统制冷包设计

针对某型直升飞机,提出了其环控系统的简单式空气循环冷却系统的设计方案,并对其中关键部件--换热器进行了设计计算,其中,初级换热器为干换热器,次级换热器为湿换热器.通过计算机程序计算实现了换热器芯体的匹配选择.此外完成了该环控系统的结构设计,以及整个系统的阻力计算,阻力符合机种性能要求,证实了该环控系统设计的可行性.     

大飞机四轮升压制冷系统焓参数法匹配计算

国外先进民机座舱制冷系统已采用高性能四轮升压式高压除水制冷系统.针对传统的系统参数匹配方法复杂的特点,引入焓参数法建立了四轮升压式高压除水制冷系统匹配计算模型,用所建模型进行了匹配计算,并分析了流比、风扇功率比参数和涡轮功率比参数对系统性能的影响.计算结果表明:用焓代替温度作为系统各附件热力计算的状态参数,使得物理概念清晰,匹配过程简单,编程易于实现.避免了重复计算各附件连接点湿空气的饱和含湿量,简化了换热器的热力计算过程.研究成果为大飞机的研制提供了一定的理论指导.     

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.     

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

飞机环境控制系统的最小熵增分析

一种应用于飞机环境控制系统优化设计的新方法,以热力学第二定律为基础,运用熵增原理进行系统综合优化设计,分析了主要组成部件(热交换器和涡轮冷却器)以及座舱温度舒适性要求指标对系统熵增的影响.以某型飞机环境控制系统为例,通过数学建模和计算机仿真,获得了不同结构参数下,系统运行在最小熵增状态时的引气与供气参数优化匹配结果.研究表明,提出的最小熵增分析方法对未来复杂飞机环境控制系统的综合设计具有重要的指导意义.      

对地观测卫星总体参数多学科优化

针对对地观测卫星总体参数设计问题,建立了以对地观测性能最佳为目标的多学科优化模型,考虑姿轨控制、电源、结构、推进、有效载荷5个分系统的设计变量和相应约束条件,并考虑运载火箭对卫星设计的约束条件,通过经验公式建立分析模型.采用协同优化方法,利用外点罚函数法将系统级优化问题转化为无约束优化问题以改善协同优化系统级的数值缺陷,建立了多学科设计优化框架.计算结果表明通过优化可提升卫星的对地观测性能,验证了该方法的合理性.建模思路与优化方法可望用于更贴合工程实际的卫星参数设计.      

星载电子器件用空气射流散热特性

在前期设计卫星大功率电子设备地面测试用通风散热系统的基础上,对系统散热性能进行了优化设计,对不同结构参数下电子器件的空气射流强化散热开展了数值仿真.研究结果表明系统中喷嘴出口直径、喷嘴出口至换热面距离、射流倾斜角以及喷嘴出口风速等参数对散热性能均有直接影响,并给出了定量的无量纲参数优化设计结果.该结论也可应用于表面热流密度为1 kW/m2级电子器件散热的优化设计,并为星载大功率电子设备对流式热控系统设计和地面测试提供技术参考.      

机翼热气防冰系统设计

利用热流体系统仿真分析平台Flowmaster和计算流体力学软件Fluent进行联合仿真,对机翼热气防冰系统进行了设计和性能分析.设计参数包括防冰系统笛形管热气喷口孔径、孔数及孔间距等参数.基于Flowmaster对所设计的供气管路进行供气流量分配计算.基于Fluent模拟防冰腔内流动与换热,计算了防冰腔的热效率.根据防冰热载荷及热效率结果预测每段缝翼防冰所需热气流量,引入参数供气余度来分析防冰系统热性能.所提出的热气防冰系统设计方法可为热气防冰系统的工程设计与优化提供重要的帮助.     

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计与优化

LIPS-300离子电推力器工作时产生的大量热耗会严重影响其工作性能,因此推力器的热控设计和在轨温度预计是推力器设计的关键技术之一。文章首先提出了地球静止轨道LIPS-300离子电推力器热设计,建立了离子电推力器热分析有限元模型。然后,针对典型的地球静止轨道位保工况开展了LIPS-300离子电推力器的在轨热分析,得到了LIPS-300离子电推力器重点部件在轨工作时的温度预计：下极靴、阳极筒、屏栅、下磁钢为主要的高温位置,且下磁钢温度可能超出材料温度上限。最后,基于热分析的结果结合离子电推力器的特点提出适当增加外壳散热面积是离子电推力器优化设计的有效方向,而增强阳极筒、极靴与屏栅筒间的内部换热是无效的设计优化方向。     

燃气发生器身部多学科设计优化

为了探索液体火箭发动机多学科设计优化的一般方法,以液体火箭发动机燃气发生器身部为研究对象,在对其进行面向设计的多学科分析的基础上,建立了燃气发生器身部的多学科优化模型,涉及流动、传热、结构强度3个相互耦合的学科.引入了一种新的多目标方法——物理规划方法处理其中的多目标优化问题,通过类别函数将设计者的偏好转化为优化目标,避免了对各个不同大小和量纲的分目标之间重要性的比较和权衡.优化结果显示,利用多学科设计优化减轻了燃气发生器的质量,改善了原有设计,能够提高发动机的设计水平.      

遥感卫星总体参数设计的建模与协同优化

针对遥感卫星的总体参数设计问题,建立以卫星覆盖幅宽、地面分辨率和总重综合的指标为目标的优化问题,考虑卫星的控制(GNC,Guidance, Navigation and Control)、电源、结构和热控(TCS,Thermal Control System)分系统的分析模型并整理其中的耦合关系,以协同优化(CO,Collaborative Optimization)方法为框架建立多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型并用罚函数法求解,获得了协同一致且性能提升的结果.验证了所建模型的合理性和MDO方法应用于卫星总体参数设计优化的有效性.各分系统的模型及求解方法可为MDO方法的工程化应用研究提供参考.