一种平纹编织复合材料的三维通用单胞模型

为了解决采用通用单胞(GMC)方法开展编织复合材料多尺度模拟的技术难题，发展了一种三维通用单胞模型，可用于二维平纹编织复合材料的多尺度模拟。概述了三维通用单胞方法的基本理论和求解流程；基于对二维平纹编织复合材料细观结构特征分析，建立了其三维通用单胞模型，并通过与传统有限元单胞模型的宏细观力学响应分析计算结果对比，验证了所建模型的正确性。采用基于通用单胞模型的有限元多尺度模拟方法，开展了二维平纹编织复合材料平板试件的模态分析。与试验结果对比表明，采用所建立的通用单胞模型预测得到的前五阶固有频率绝大部分的精度较传统有限元方法有了明显提升。该方法的优势在于可以基于通用单胞模型开展多尺度模拟，进而研究宏细观力学响应的相互关联。      

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

弱界面黏结通用单胞模型理论及应用

将通用单胞模型与弱界面分离模型结合.首先推导了增量型通用单胞模型计算公式, 然后采用界面位移公式对平均位移连续条件进行改造, 建立子胞平均应变增量和宏观应变增量的函数关系.应用子胞增量本构方程得到子胞平均应力增量表达式, 采用均匀化方法获得宏观应力增量表达式.最后采用渐进适应界面模型模拟了长纤维复合材料的横向拉伸过程.算例分析表明, 将界面分离模型和通用单胞模型结合能较好地模拟复合材料在拉伸载荷下的宏观响应.      

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

基于三维通用单胞方法的平纹编织复合材料多尺度损伤模拟方法

为了解决编织复合材料多尺度损伤模拟的技术难题,发展了基于三维通用单胞模型(GMC)的多尺度损伤模拟方法。基于通用单胞方法基本理论,推导宏细观参量的转换公式,设计了宏细观损伤增量步迭代流程。以二维平纹编织陶瓷基复合材料为例,开展了结构单胞的细观损伤模拟,以及其平板试验件的多尺度损伤模拟,得到了细观损伤云图和宏观应力应变曲线。研究表明:该方法模拟的结构单胞细观损伤过程与文献描述的损伤机理相符,预测的平板试验件损伤过程的应力应变曲线与试验结果基本吻合,所预测强度值的相对误差小于5%。     

纤维增强复合材料细观温度场计算

对高阶理论的原始算法进行了改进,采用界面的平均温度替代了假设温度函数的系数做为求解的未知量,并利用了子胞的热传导方程,建立了热流与平均温度间的关系,进一步求解出温度场。改进后使求解的方程数目减少了大约60%,求解时间大大缩短;并且消除了亚子胞的概念。结果表明,该方法计算的复合材料细观温度场结果与理论解和有限元解具有较好的一致性。      

纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现

针对纺织复合材料细观有限元分析中单胞网格的快速生成与顺利施加周期性边界条件之间的矛盾,提出了非周期性网格划分条件下,一般性周期性边界条件的数学表达形式.基于ABAQUS有限元软件平台,通过在单胞模型的相对面、相对边及相对角点施加多点约束(MPC)方程,实现了一般性周期性边界条件的施加.结合三维四向编织复合材料单胞模型,对比分析了周期性网格划分和非周期性网格划分情况下,单胞模型受载下的变形状态、应力分布及弹性性能的预测结果,验证了一般性周期性边界条件的正确性和有效性.研究表明:一般性周期性边界条件可以实现复杂细观结构单胞模型的自由网格划分,降低网格划分的难度,提高网格生成的质量.     

基于高精度通用单胞模型的材料细观结构拓扑优化设计

 利用高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了材料的宏观力学性能与细观拓扑结构之间的关系,采用遗传算法进行细观结构优化设计。以材料的极限剪切模量或体积模量为优化目标,从随机的细观结构出发,对实体材料体积分数进行约束,采用遗传算法进行优化,获得了满足设计要求的细观拓扑结构。利用细观结构的对称性减小了设计变量的规模,并对遗传算法的交叉过程进行了改进,有效提高了优化效率。以单相材料为例,验证了所提优化方法的有效性.     

水平集法在多相材料细观结构优化中的应用

利用高精度通用单胞模型将多相材料的细观拓扑结构和宏观力学性能联系起来,将一个单胞离散成有限个单元,通过单元中材料的有无来描述细观结构,利用水平集法将这个离散变量的拓扑优化问题转化为连续变量的形状优化问题,从而实现了多相材料的细观结构优化.以一种多相材料结构为例进行了细观结构的优化,并获得了具有负泊松比的特性,从而验证了所提出方法的合理性.      

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

基于Kane方法的双旋弹飞行动力学建模及仿真

针对双旋弹飞行动力学建模,提出了基于Kane方法建立树形多刚体系统动力学方程的方法.分析了双旋弹后体和前体的运动,并分别建立了其动力学方程,综合得到了双旋弹的七自由度飞行动力学方程.基于四元数转换,建立了双旋弹转动运动学方程.通过编程对双旋弹的无控和有控运动特性进行了仿真分析.结果表明,双旋弹无控时以小迎角稳定飞行;有控飞行时弹体产生配平迎角,且纵向和横向修正会出现交叉耦合.     

高空台扩压器的数值模拟

从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发,利用时间相关法,采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式,结合Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,数值模拟了高空台扩压器的内部流场,并计算了扩压器的性能。结果表明,采用求解Ｎ－Ｓ方程的方法计算高空台扩压器性能是一种有效的方法。     

微型飞行器小展弦比机翼的低雷诺数气动力特性分析

以固定机翼式微型飞行器的气动设计为研究背景,对小展弦比薄机翼的低雷诺数气动力特性进行了数值分析.不可压粘性绕流的求解采用了人工压缩性方法,其中对流项的离散应用了三阶迎风格式.湍流模型为Baldwin-Barth一方程模型.一无弯度薄翼的数值计算结果表明本文的数值方法是成功的.通过数值分析,揭示了弯度和展弦比对气动力特性的影响,也给出了不同弯度机翼流动结构的差别.     

发动机故障诊断经验影响系数的定量化问题

本文提出了根据发动机故障样本建立故障方程的方法。发动机经验故障方程是不同于发动机小偏差方程的另一类故障方程,它为发动机故障诊断提供了一条简便易行的途径,并且使发动机故障诊断范围扩展到气路分析方法难以适应的场合。文中讨论了经验故障方程的建立方法及其在发动机故障诊断中的应用,给出了利用经验故障进行发动机故障诊断的实例。     

基于旋翼下洗流场的直升机动力舱通风冷却系统仿真

本文对直升机悬停状态下下洗流场影响区域、动力舱以及发动机排气引射器进行了联合建模,采用结构化网格对计算域进行离散,采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,通过数值仿真考察不同湍流模型、发动机散热、以及动力舱进口尺寸对排气引射器引射系数以及动力舱通风冷却系统内部流场的影响。结果表明,引射系数对湍流模型依赖性较小;发动机散热将导致引射气流量、引射系数减小,而且随着冷却气流进口面积的增大,这种影响将增大;增大冷却气流进口尺寸,冷却气流量增大,引射系数增大,但进口尺寸增大到一定值后,其效果已不明显。     

基于流体网络拓扑的航空发动机及燃气轮机整机性能建模方法

为了快速、灵活、自由地搭建航空发动机及燃气轮机不同构型整机性能仿真模型,提出了一种基于流体网络拓扑的发动机整机性能仿真模型方案。从发动机部件及整机性能模型建模基本原理出发,在现有面向对象的部件性能建模及通用仿真系统总体框架基础上,采用迭代变量和平衡方程组与发动机部件模型和部件模型计算顺序相关联技术,建立了适用于不同航空发动机和燃气轮机类型的稳态性能仿真模型,并将该模型计算结果与成熟的商用仿真软件计算结果进行了对比分析。结果表明：该方案、模型可以实现发动机计算模型/拓扑自动构建,以及迭代变量与平衡方程组自动构建,提高了仿真系统的适用性。     

小Knudsen数稀薄气体绕流流场分析

本文从Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程５矩和１３矩方程出发，应用三层模型分析了滑流国稀薄气体绕流流场的性态，提出了一个计算这种流场的完整模型。理论分析表明，摩阻系数的小Ｋｕｎｄｓｅｎ数效应是高除小量，可忽略不计；但必须考虑热传导系数的小Ｋｎｕｄｓｅｎ数效应。基于奇异摄动法分析，数值求解了绕二维平板流动流场，壁面摩阻系数和热流率的计算结果与现有的实验和理论结果相一致。     

发动机进口支板防冰热负荷数值模拟

为研究航空发动机进口防冰问题,应用三维雷诺平均N—S方程和双方程k～ε模型,计算了某发动机进口支板外部空气流场,用欧拉法建立并求解了空气中过冷水滴控制方程;选取某些飞行工况,得到了支板防冰表面的水滴撞击特性,且分别在干、湿蒸发2种情况下得到了表面的防冰热负荷分布。可以此为基础进行支板表面加热形式和结构设计.     

ALGEBRAIC TURBULENCE MODEL WITH MEMORY FOR COMPUTATION OF 3-D TURBULENT BOUNDARY LAYERS WITH VALIDATION

Additional equations were found based on experiments for an algebraic turbulence model to improve the prediction of the behavior of three dimensional turbulent boundary layers by taking account of the effects of pressure gradient and the historical variation of eddy viscosity, so the model is with memory. Numerical calculation by solving boundary layer equations was carried.out for the five pressure driven three dimensional turbulent boundary layers developed on flat plates, swept-wing, and prolate spheroid in symmetrical plane. Comparing the computational results with the experimental data, it is obvious that the prediction will be more accurate if the proposed closure equations are used, especially for the turbulent shear stresses.     

高超声速飞行器后体喷管设计

为得到二维高超声速飞行器后体喷管优化型面, 建立了基于N-S方程的二维后体喷管设计模型, 分别对内部喷管长度和上壁型面进行设计, 得到了后体喷管优化设计外形, 并将结果与Edwards提供的基准进行比较, 表明改进了后体喷管的推进性能.