圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验

大型圆柱壳结构从空中入水时,在水流强大冲击下将发生较大变形甚至断裂.为提高该结构的耐撞性,将仿真与试验相结合.通过静态拉伸和动态SHPB试验获取两种备选材料的非线性本构关系,拟合出塑性随动材料模型.制作了1∶ 10简化缩比模型,进行了跌落试验与仿真分析.建立了真实结构与全尺寸的薄壳、水、空气耦合的多物质仿真模型,通过ALE/Lagrange无侵蚀罚函数耦合算法,实现了入水过程的有限元仿真分析.找到了初始方案的不足之处,提出了改进方案并进行了仿真验证分析.该方法同样适用于其他具有大变形和非线性的流体冲击问题.      

民机客舱布局工效学量化设计模型

为提升客舱布局设计效率及面向民机客舱快速仿真设计系统提供技术支撑，提出了一种民机客舱布局量化设计模型。该模型面向工效学设计需求，以座椅排距、座椅排数、各级客舱舱段长度等作为设计变量，构造了舒适性、安全性、经济性三类目标函数，实现了客舱边界限制、人机空间耦合关系、适航安全性要求等约束条件的量化描述。分别以双通道宽体干线客机、单通道窄体干线客机和支线客机为应用算例，对所提模型的可用性进行了计算验证。结果表明:所提模型可适用于多种机型的客舱布局设计，能够提供多个满足舒适性、安全性、经济性等多样化工效学设计指标的量化设计方案，并可给出各类指标进一步的优化途径。所提模型在一定程度上实现了民机客舱布局量化设计，为概念设计阶段客舱布局快速设计和多方案比较提供了一种新的方法，同时也可作为航空公司客舱布局选型的定量化辅助决策工具。      

航空整体结构件加工变形有限元数值仿真

加工变形是航空整体结构件数控加工领域普遍存在的问题.选取典型航空整体结构件,基于有限元法研究了毛坯初始残余应力对于加工变形的影响,仿真结果与试验结果一致;对残余应力引起的加工变形特点进行了分析,基于不同加工路径对航空结构件加工变形进行了有限元数值仿真,结果表明,对于单一残余应力引起的加工变形分析,可以忽略加工路径的影响.考虑铣削力与残余应力的耦合作用,建立了残余应力、铣削力的耦合力学模型,给出了具体仿真流程,针对不同加工路径进行有限元仿真,研究了铣削力对于残余应力分布及最终加工变形的影响.     

基于Ansys的飞行员座椅坐垫舒适性仿真

鉴于飞行员对飞机座椅的舒适性要求越来越高,针对人与座椅之间的应力分布这个座椅舒适性评价指标,建立了包括骨盆在内的人-座椅坐垫有限元模型,对坐姿下人与坐垫的应力分布进行了仿真计算.通过比较1g重力环境下仿真和实验坐垫上应力分布,验证模型的有效性,在此基础上开展了不同过载下的仿真计算.分析可知仿真模型在坐应力分布和应力值大小方面与实验数据具有较高的一致性;不同过载下体内以及坐垫上应力最大值与施加的过载加速度直接呈线性关系.结果表明,建立的人-座椅坐垫有限元模型是有效的,可以用于评估不同坐垫或不同过载环境下的舒适性.      

基于CT的泡沫铝三维细观模型重建及应用

为了建立更加真实的闭孔泡沫铝三维细观分析模型,提出了一种基于计算机层析成像（CT）的有限元模型构建新方法。首先,对CT扫描得到的泡沫铝试件的扫描图像进行Otsu算法分析,确定了区分基体材料和空气的灰度最佳阈值。其次,基于映射网格思想直接从扫描图像生成了试件的有限元分析模型,实现了泡沫金属三维细观分析模型的重建。最后,以此为基础进行了泡沫铝试件准静态压缩和动态冲击试验的数值模拟,结果表明,准静态压缩下泡沫铝的内部变形随机分布于整个试件,且与其三维结构密切相关;而动态冲击下变形在冲击端附近首先发生,体现出显著的局部化效应。本文方法能真实地描述泡沫金属内部的细观结构,实现了对泡沫铝试件在准静态压缩和动态冲击作用下的受力、变形与破坏过程更加详细的模拟分析。      

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

基于刚柔耦合模型的月球着陆器动力学分析

基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.     

基于有限元仿真的航空整体结构件变形校正

针对航空整体结构件变形复杂、校正效果难以定量预测的工程问题,基于有限元仿真技术,综合研究加工变形—校正过程,对航空整体结构件的变形校正有限元建模、校正过程数值模拟、校正参数确定、校正载荷施加形式及校正残余应力等关键技术进行了研究,并运用上述技术对某航空铝合金材料整体结构件进行了变形校正有限元数值模拟.结果表明,综合研究加工变形—校正过程,提取变形有限元模型作为初始校正模型,进行有限元加载—卸载分析,可很好地模拟校正过程,并获得实际需要的校正参数.      

模块化桁架索网天线找形与展开动力学研究

为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模,首先,基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法:渐近迭代力密度法;其次,基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型,采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型,进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程,并采用广义–α方法对动力学方程进行高效数值积分;最后,对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明:索网找形方案满足天线反射面形面精度要求,得到均匀的索段张力分布;展开过程中桁架竖杆应力最大,在展开末段,驱动滑块对桁架产生较大冲击。     

航空航天仿真试验假人研制

介绍了国内航空仿真试验假人的功能要求和研制状况,将研制工作分为人体参数测量、机械结构、信号采集与处理和可靠性验证4个部分进行.重点阐述了仿真试验假人的骨架、关节和皮肤肌肉的材料选择及结构设计特点.传感测试能力可输出记录64路生理信号,整体性能接近美国军用假人ADAM的水平,为高危的载人航空航天装备动态性能试验测试提供了有效工具.     

弹射座椅的静态舒适性仿真

针对弹射座椅舒适性存在的不足,基于Poser软件,首先以中国男性飞行员尺寸为依据,建立了三维静态人体模型,保证了人体主要部位尺寸的准确性;然后把AutoCAD中的弹射座椅导入3Dmax软件中,结合飞机座舱的几何尺寸及各操纵机构的几何尺寸,建立弹射座椅-座舱操纵机构模型.最后把该模型导入Poser 软件中,利用人机工效学的相关理论,建立弹射座椅-飞行员-座舱操纵机构系统平台模型.在系统平台中对飞行员进行操纵仿真和分析,讨论了影响弹射座椅舒适性的因素并提出了优化设计方法.由于系统平台中参数的准确性和可调节性,提高了弹射座椅舒适性研究的标准化和通用化程度.      

新型自适应起落架的单支腿落震性能研究

针对传统直升机起落架结构相对固定导致的地形适应能力不足的问题,设计了一种两级缓冲系统的新型缓冲作动行走一体化自适应起落架,实现了多工况下的着陆缓冲功能,常规着陆时磁流变缓冲器单独工作实现着陆缓冲功能,危险工况下磁流变缓冲器和油气缓冲器共同工作实现抗坠毁功能。在多体动力学软件LMS Virtual.Lab Motion中建立了带两级缓冲器的自适应起落架落震仿真模型。自适应起落架可以通过2个液压作动缸来调节不同姿态,进行了常规工况及耐坠毁工况的落震仿真分析,并根据仿真数据设计了缓冲器参数。在多种工况下进行了自适应起落架多级缓冲系统落震试验,对比分析了试验和仿真结果。结果表明,在2种着陆速度下,系统缓冲效率分别达到85%和75%,自适应起落架可以主动调节至多种姿态,并在各姿态下都具有良好的缓冲性能,还具备一定的抗坠毁能力。试验与仿真结果具有一致性,证明建立的自适应起落架的多体动力学模型能够有效地模拟落震过程。     

弹射座椅不利姿态控制规律设计

弹射座椅在低空不利姿态下的弹射救生性能是第四代弹射座椅的关键技术,而控制规律算法设计则是姿态轨迹控制的核心问题。提出了一种全新的控制规律设计方法,通过建立弹射全过程的轨迹姿态仿真模型、设计控制参数寻优计算模型,得到离散化的最优控制参数集。利用基于误差逆向传播(BP)算法的多层前馈神经网络模型,获得弹射状态全区间范围内的连续性控制规律算法。以单滚转不利姿态为例,进行了控制规律算法的设计验证。结果表明,采用本文控制规律算法后,弹射座椅在最低安全救生高度性能指标上远远优于多模态控制规律、美俄联合研制的K36Л-3.5型座椅,并基本满足国军际的性能要求。设计方案简单明确,结果算法逼近理论最优值,可以为第四代弹射座椅控制规律设计提供一定的参考意义。      

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

航天飞行器铸件舱段结构快速设计方法

为提高航天飞行器铸件舱段在方案论证阶段的结构设计效率、设计质量和迭代效率，基于航天飞行器复杂曲面结构特点对铸件舱段结构特征参数进行研究，提出曲线比率法以描述纵筋参数化布局；定义骨架模型发布元素，以实现铸件舱段的Top-Down设计。提出航天飞行器铸件舱段结构快速参数化设计方法，通过定义特征命名规则和创建特征集合实现建模规范化，通过封装舱段设计知识实现设计快速化，通过创建特征参数和公式实现特征参数化。通过建立交互式铸件舱段结构快速设计环境，实现铸件舱段结构的快速实例化、快速修改，并以航天飞行器铸件舱段为例验证了所提方法的可行性和有效性。      

蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

座舱瞬态热载荷的计算与仿真

以我国新一代战斗机的研制为背景,提出了高精度的飞机座舱瞬态热载荷的计算与仿真方法.与传统的计算方法相比,通过联解传导-辐射-对流耦合的控制方程以求出蒙皮温度、座舱各壁面温度,同时考虑了透过舱盖、风挡等透明体的太阳辐射对舱内驾驶员、座椅及仪表盘这类内表面温度和舱内空气温度的影响.通过将座舱内外壁面和舱内空气作为一体联解方程组后,结合某飞行剖面求解了飞机座舱实时瞬态热载荷,并比较了采用本方法与传统方法对计算精度的影响.      

多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析

为确保乘员安全性,载人航天器需通过氧分压控制系统将密封舱内的氧分压控制在指标范围内.提出了一种两舱段载人航天器密封舱氧分压控制系统数学模型,包括密封舱体、乘员、供氧组件、舱间通风(IMV)等多个子模块.通过与相关试验数据进行对比,证明了数学模型的准确性.针对由两个容积为60 m3密封舱组成的组合体,利用该模型分析了乘员驻留位置、舱间通风量、氧分压监测模式对两舱氧分压的影响.结果表明:当舱间通风量为0.5 m3/min 且6人驻留在氧分压非主控舱时,两舱氧分压上限差别达到2.2 kPa.两舱氧分压差别会随着舱间通风量的增加而减小.单舱监测模式和两舱监测模式对两舱氧分压影响并不显著,当舱间通风量超过1.5 m3/min时,两种控制模式的氧分压控制效果趋于一致.