基于多岛遗传算法的大型预应力钢丝缠绕承载机架成本优化方法(英文)

预应力钢丝缠绕机架(PWWF)是一种先进结构,是大型装备中价值为高的部件。由于PWWF是变刚度、非线性受力及变形自协调的多体混合结构,其传统的设计方法是极其复杂、反复迭代且成本难以控制。本文提出了基于多岛遗传算法的大型钢丝缠绕机架的成本优化方法。在变张力缠绕理论基础建立了预应力钢丝缠绕承载机架的优化设计流程和优化模型。并给出结合轴向载荷为6000KN的等静压设备机架的优化设计实例。与传统设计方法相比,优化成本降低约了21.6%。该优化结果已通过数值模拟方法验证,并成功应用于实际设备的制造中。结果表明,该优化方法合理、可靠。该方法为超546MN和907MN超大规格多机架结构的成本优化提供指导。     

圆筒纤维缠绕变张力神经网络动态控制

 缠绕张力作为纤维缠绕成型中的关键影响因素,其波动直接影响缠绕精度和制品的性能。针对缠绕张力的动态变化,且保证制品等环向残余应力,提出神经网络动态控制缠绕变张力方法。考虑芯模变形影响,基于各向异性缠绕层弹性变形及各向同性内衬厚壁筒理论,给出外压作用下缠绕层的径向应力及环向应力;在弹性范围内采用应力叠加原理建立剩余张力与缠绕张力之间的解析算法。基于制品环向残余应力叠加特点,采用给定输出层权值的神经网络算法,通过误差反向传播及放大方法,对等环向残余应力制品纤维缠绕过程中的缠绕变张力进行动态更新。仿真与实验结果表明:该控制方法对纤维缠绕变张力起到动态优化作用,可以达到预期要求,且更符合实际缠绕过程。     

夹层复合材料圆柱壳表层的缠绕优化

以平衡型稳定网络为约束条件,以等强度和提高临界失稳载荷为设计目标,对夹层复合材料圆柱壳体的缠绕表层进行了优化研究。首先,基于等强度设计,得到表层的最优缠绕方式为螺旋加环型缠绕,且螺旋缠绕角应满足α≤54.7°;其次,以结构强度及稳定性为双重指标,采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同长径比的夹层复合材料圆柱壳的最优螺旋缠绕角α_(opt)。研究发现:当长径比0.5≤η≤3时,随η增加,表层的最优缠绕方式从单一螺旋加环型缠绕过渡至纵向铺放加环向缠绕,且最大临界失稳载荷Pcr近似呈二次递减关系。该优化方法不仅可达到轻量化要求,而且满足结构强度和稳定性双重指标。     

纤维缠绕球形贮箱刚度分析

对纤维缠绕球形贮箱在外压、内压和温差等作用下,进行应力、变形和稳定性等结构刚度分析。结果表明,与金属材料贮箱相比,纤维缠绕球形贮箱具有显著的刚度约束条件,如临界卸载内压和临界温差等。纤维缠绕球形贮箱在按强度要求进行结构设计和分析的基础上,还需校核刚度约束条件。为此,提出了纤维缠绕球形贮箱结构稳定性的各类临界载荷包括外压、卸载内压和温差等的计算公式及判据,为结构方案设计和研制的试验提供参考。     

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。     

面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计

为了提高运载火箭等航天装备结构的承载效率，实现航天薄壁筒壳结构的轻量化和精细化设计，以具有强缺陷敏感性的航天薄壁筒壳结构为研究对象，开展了面向缺陷容忍的加筋筒壳结构优化设计。通过在设计过程中考虑结构设计与临界失稳载荷和结构缺陷敏感性的耦合关系，同步提升结构的屈曲载荷和抗缺陷能力，实现筒壳结构的精细化和轻量化设计。并针对计及缺陷敏感性加筋筒壳单次分析耗时和优化效率低的问题，使用不完全折减刚度法（iRSM），替代非线性显式后屈曲算法进行非完善筒壳结构的承载能力分析，提出了一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计框架。以一个直径1.6 m的正置正交网格加筋筒壳结构作为算例进行说明，结果显示，相比初始设计，优化结果可在质量不变的前提下，实现设计载荷提升10%以上，有效提高航天加筋筒壳结构的承载效率；并且所提出的优化设计框架能在保证稳定找到优化结果的同时，降低计算成本80%以上，实现面向缺陷容忍加筋筒壳结构的高效优化设计。     

考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计

 复合材料蒙皮稳定性是飞机翼面结构设计需要考虑的重要方面。由于翼面结构稳定性理论分析的复杂性,工程中,通常采用与理论分析相比拟的简化方法、使用简便可靠的经验公式在设计过程中进行稳定性校核。多墙式结构是当前翼面结构中普遍采用的结构形式,墙的布局和蒙皮的厚度对复合材料蒙皮的临界屈曲载荷有着重要影响。因此,针对多墙式翼面结构,以工程经验公式为基础,以蒙皮单位长度上的的重量为优化目标,以墙的布局参数和蒙皮厚度为设计变量,以临界失稳载荷为约束,建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型,导出了目标函数敏度计算的解析式,并提出了优化问题的求解方法。以翼盒结构为例,验证了该方法的有效性。     

3J53弹簧表面裂纹缺陷原因分析

3J53钢丝在车间缠绕成弹簧并经热处理后发现其表面存在线性缺陷。用扫描电镜对钢丝线性缺陷的形貌进行了分析,对线性缺陷区域进行了能谱分析,并利用金相显微镜观察了线性缺陷的中心部位及其周围区域的金相组织。结果表明:钢丝表面的线性缺陷呈锯齿状,沿钢丝轴向方向,为裂纹型折叠缺陷。折叠缺陷是钢丝在生产过程中形成,在绕簧和热处理过程中,裂纹型折叠缺陷发生扩展和延伸,最终形成线性缺陷。     

蜂窝夹层结构稳定性模拟研究

蜂窝夹层结构随面板厚度或芯层厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。建立考虑芯层几何特征的有限元模型,研究临界失稳载荷与失稳形式的内在关系,分析了面板厚度、芯层厚度和面板-芯层厚度比对夹层结构稳定性的影响规律。研究结果可为蜂窝夹层结构的工程应用提供依据。     

预浸带缠绕过程缠绕层温度场变化研究

为了研究工艺参数对复合材料缠绕层的温度分布的影响，采用经典热力学理论针对预浸带缠绕过程中的传热机制进行分析；基于缠绕过程中的周期性变化规律，同时以变化的旧层初始温度为传热模型的初始边界条件，构建预浸带缠绕温度分布模型，并通过Matlab编程获得一维热传递模型的精确数值解。理论分析了缠绕初始温度、缠绕速度及芯模温度对缠绕层温度变化的影响。结果表明，对缠绕层温度影响程度依次为芯模温度＞缠绕速度＞缠绕初始温度；而且无论影响参数如何变化，缠绕层的温度分布始终为内层温度较低，并随着径向位置增大，缠绕层温度也在逐渐升高，直到外层最高温度。此外，通过实验对比分析，说明该温度分布模型满足工程要求，可为缠绕工艺研究提供指导。     

某型飞机护板作动筒自动开锁故障分析及改进

针对某型飞机护板在飞行中自动打开的故障,对护板收放作动筒工作原理、结构组成进行了研究,在开锁试验验证和故障件分解检查后,确定了作动筒自动开锁的原因是由于弹簧力过小,使得作动筒开锁压力小于瞬时回油压力所致.通过改进作动筒内部零件弹簧的安装方式,增大了开锁压力,提高了开锁压力的稳定性,排除了故障,为飞机飞行安全提供了保障.     

二冲程发动机分缸不均匀性分析

针对两缸二冲程航空发动机缸间不均匀性问题,运用试验、仿真相结合的方法分析引起缸间不均匀性原因,建立发动机GT-Power一维仿真模型,通过缸压信号对发动机不同工况分缸不均匀性进行仿真分析,并进行发动机台架试验,对比分析不同工况发动机两缸缸压和空燃比。结果表明:引起缸间不均匀性的原因是缸间进气和喷油的差异,小负荷主要影响因素为喷油差异,部分负荷主要影响因素为缸间进气差异,且随节气门开度的增大差异减小,为发动机均匀性控制的软硬件实现提供理论依据。      

斜、直圆柱绕流的CFD模拟

采用CFD软件CFX5.5对直圆柱和斜圆柱绕流进行数值模拟,计算了直、斜置圆柱的阻力系数、升力系数、周向平均压力系数及其脉动压力系数的均方根值,并与试验结果进行了比较.计算表明,斜圆柱绕流与直圆柱绕流有很大的差异:斜圆柱绕流的平均阻力系数减小,平均升力系数不等于零,升力系数的频域除包含有传统的卡门涡脱频率外,还包含有许多低频成份.     

前置圆柱列涡轮静叶栅流场特性的数值研究

数值模拟了前置圆柱列涡轮静叶栅的三维流动,详细分析了圆柱列动静状态下叶栅流向的气动特性变化,发现不同时刻上游尾迹扫过下游叶片排不同位置,是造成多级涡轮非定常特性的主要原因。通过圆柱列动静两种状态下叶片表面压力脉动、流场变化特性的比较,发现静叶表面的压力分布存在差异,静叶前缘受上游圆柱列影响较大;随着流动的继续至叶栅流道下游,差异逐渐变小,直至消散;而叶栅前缘的差异主要通过叶片自身具有的大转折角逐步被抹平。     

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

复合材料天然气气瓶设计的几个问题

讨论了汽车用复合材料天然气气瓶的使用条件。推导出气瓶圆筒段、封头、接头和内衬的设计计算公式。在不增加气瓶总质量的情况下，得到了提高头疲劳强度的设计方法。讨论了缠绕张力控制对提高纤维发挥强度的重要性。文中提出的设计计算方法可供复合材料天然气气瓶初步设计参考。     

热等静压工艺制备的Ti-6Al-4V薄壁筒的切削加工

为了能够提高钛合金薄壁筒的加工效率,利用热等静压工艺制备了两个具有不同结构的Ti-6Al-4V薄壁筒,研究了夹具、填充泥浆和筒结构对Ti-6Al-4V薄壁筒的外圆表面粗糙度和精度的影响。结果显示,Ti-6Al-4V热等静压薄壁筒经过切削加工能够达到精度要求,填充泥浆降低了弹性回弹,提高了薄壁筒外圆精度;筒结构的内圆环和粗大端能够提高刚度,有效降低了外圆表面粗糙度值;夹具尺寸误差对圆度和同轴度影响较大,较大的尺寸误差显著降低了筒的外圆精度。     

针刺C/C圆筒构件内/外压试验与仿真研究

根据某扩张段采用的针刺C/C复合材料制备圆筒构件试验件,设计外压和内压试验工装,对其开展内外压试验研究,总结结构应力分布规律,并与有限元仿真结果进行对比,仿真结果与试验结果一致性较好,获得了准确高精度3D圆筒构件水压仿真计算模型。试验及仿真结果对于改进固体火箭发动机针刺C/C复合材料喷管扩张段结构设计,修正材料本构模型参数,预估结构安全裕度有着重要的参考价值。     

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征.单圆柱结果与相关试验吻合,得到了"锁定"区域,发现涡量跳跃现象.对小间距双圆柱的数值模拟发现,在"锁定"区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失.在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现"锁定"现象.     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。