柔性飞机大变形状态飞行载荷分析

飞行载荷分析中综合考虑了结构大变形的几何非线性效应以及曲面气动力效应.飞机结构由相互连接的可以表征任意变形的几何非线性欧拉梁表示,升力面由展向以及弦向分布的涡环网格表示.计算时通过曲面网格动态跟踪结构的变形不断修改气动力影响系数矩阵,反复迭代求解气动力和结构变形直至结构变形收敛.给出了风洞试验机翼模型以及无约束定常平飞模型算例.计算结果表明:在小变形阶段该方法与线性计算方法的结果基本一致,非线性效应不明显;大变形阶段由于曲面气动力的非线性效应,计算结果与线性方法的有显著差别.分析表明该方法在大变形阶段的计算结果比线性结果更为合理,数值计算时间短,适合于工程快速分析.     

虚位移原理在桿弹塑性弯曲变形上的应用

目前在工程上计算梁的弯曲弹塑性变形时,一般都釆用方程式直接积分法或图解解析法,这些方法常常带来繁复的计算。 本文利用虚位移原理求解梁的弹塑性变形,结果使计算大大简化,特别是对于强化材料受有某些复杂载荷时的梁。在计算中采用了近似方法,即假设变形曲线是一满足边界条件的三角函数。以两端绞支受有均布载荷的梁为例,将位移计算结果与精确值比较,二者是相当接近的。     

含多处任意脱层层合梁屈曲的微分求积解法

基于铁木辛柯(Timoshenko)梁理论,建立了含任意脱层的复合梁模型,并利用微分求积DQ(Differential Quadrature)法,研究了含多处任意脱层层合梁的屈曲问题.该复合梁模型给出的含单脱层层合梁的临界屈曲载荷计算结果与相关文献结果一致.此外,以两端固支,含两个任意长度、任意深度贯穿脱层的层合梁为例,分析了脱层长度、深度以及相对位置对屈曲载荷的影响.为工程结构设计和分析提供了一种简单有效的方法,给出了一些有参考价值的结果.     

纵向过载环境下变质量欧拉梁动特性分析方法

过载是火箭的真实环境.考虑纵向过载环境,根据Hamilton变分原理,得到了欧拉梁变系数横向自由振动微分方程,证明了该变系数系统存在满足刚度和质量正交条件的本征解,揭示了纵向过载环境下欧拉梁本征函数的非对称性.用本征向量叠加方法和改进欧拉中点直接积分算法求解了该变系数系统的动态响应,二者结果的一致性说明该理论推导的正确性和方法的可行性.     

杆-梁和梁-梁组合结构中的波动现象

杆-梁结构和梁-梁结构都是典型的组合结构.用间接模态叠加法分析杆-Timoshenko梁之间以及两根Timoshenko梁之间的碰撞问题.在间接模态叠加法中,首先分别独立求得杆和梁的固有频率和模态函数,然后建立碰撞体和靶体之间的位移协调方程,并用逐步积分方法求解该方程.分析了纵波和剪切波在杆和梁中的传播特性.      

轴压开口圆柱薄壳屈曲分析与试验

开口圆柱薄壳结构的轴向承载能力和稳定性分析是空间薄壁管式伸展机构(STEM,Storable Tubular Extendable Member)设计的关键问题之一.基于特征值屈曲分析方法,研究了轴压铍青铜开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的屈曲载荷与设计参数间的关系,利用幂函数拟合的方法建立了一种轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型.通过铍青铜开口圆柱薄壳轴向压缩试验对特征值屈曲分析和所建立的轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型进行了验证.结果表明:特征值屈曲分析方法可用于各向同性材料开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的轴向承载能力与稳定性分析;使用轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型计算各向同性材料的开口圆柱薄壳在两端固支条件下受轴压作用时的屈曲载荷,最大误差为21%.     

变质量系统振动分析的两种方法

变质量系统振动特性研究对于航天航空工程具有重要的意义.根据虚位移原理和动量守恒定理,推导了一般变质量动力学系统的变系数控制微分方程,分析了质量变化对系统动特性的影响,给出了适用于变质量系统的改进欧拉中点辛差分格式和模态叠加方法.针对变质量质点、变质量拉压杆和变质量欧拉梁系统,用这两种方法对其动态响应进行了模拟.两种方法数值结果的高度一致性,初步证明了两种方法对于变质量系统振动分析的正确性和有效性.     

基于K-V阻尼模型的铁木辛柯梁振动响应分析

基于铁木辛柯梁理论,对两端固支梁在承受阶跃载荷和移动载荷下的响应进行了分析。借助K-V阻尼模型,研究了阻尼对系统动态性能的影响。为了进行理论求解,推导了比例阻尼的使用条件,继而运用实模态叠加法理论,最终导出了系统受载时响应的解析解。数值分析结果表明,该方法准确可靠,为其他数值算法,如拉普拉斯变换法,提供了横向对比的依据。有阻尼振动的分析表明系统在高阶模态具有过临界阻尼特性,在低阶模态为收敛振荡特性。阻尼对系统的响应有很大影响,尤其在大长细比时,甚至出现了振幅增大的情形。此外,在阶跃载荷的作用下,系统均呈现出了低频模态为主的响应特性。      

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

基于大变形梁模型的风力机叶片气动弹性分析

以水平轴风力机为研究对象分析其叶片大幅值气动弹性动态响应问题.基于非线性欧拉梁模型和风力机叶片动态入流、动态失速气动力模型进行气动弹性建模.气弹方程的动态平衡求解采用Newton-Raphson迭代,分别通过牛顿下山法和同伦沿拓法这两种数值手段改善其迭代收敛性,并对这两种算法的有效性进行比较,结果表明同伦沿拓法的收敛性相对较好.以两种典型的水平轴风机为算例,在额定工作状态以及某些极端风况下计算叶片动态响应.根据叶片根部弯矩载荷幅值定义系统是否达到临界稳定状态,并针对关停状态的风机研究了叶片临界风速与来流方向角的关系.结果表明,某些极端风况和工作状态下,风机叶片根部弯曲载荷较大,相应临界稳定的风速较低.     

基于导重法的自重载荷下悬臂梁结构拓扑优化

针对自重载荷悬臂梁结构拓扑优化末端区域材料分布不收敛的问题，提出了一种拓扑优化方法。根据虚功相等原理，利用四节点矩形单元的形函数、单元体积密度和质量的关系建立了载荷等效方法。根据优化模型的Kuhn-Tucker条件推导出了导重准则，以及目标函数的灵敏度公式和考虑自重载荷拓扑优化的迭代算法。针对自重载荷作用下悬臂梁结构拓扑优化存在的末端区域材料分布模糊问题，研究了变密度法和非结构质量相结合的求解策略，揭示了典型因素对拓扑结构的影响规律。结果表明:所提方法能够解决自重载荷下悬臂梁末端区域材料分布模糊问题。      

高精度面板成形的贴模性研究

为了研究基于"点阵钉模、真空负压"技术的双曲度面板超精密成形时的贴模性能,提出一种载荷-位移约束量增量形式的广义傅里叶级数法近似求解任意支点下矩形薄板的大挠度弯曲问题,由于可同时求出约束反力,故能进一步实现接触状况迭代,从而分析了局部凹陷的分布形态,并就几种板宽及板厚与试验进行比较,计算精度满足工程要求.最后得到不同气压下临界板宽的大致范围,进而总结了相应的减小贴"模"误差的准则.      

超高速飞行器平尾大迎角气动弹性特性研究

临近空间超高速飞行器在飞行过程中受到外部干扰作用时会出现大迎角飞行姿态,此时需大角度偏转全动平尾进行配平,带来平尾大迎角下的气动弹性问题。采用计算流体力学/计算固体力学/计算热力学（CFD/CSD/CTD）耦合方法分析了一种超高速飞行器全动平尾的气动弹性特性,重点研究了大迎角下平尾的气动响应及结构变形特点。结果表明:各迎角时的气动力曲线均出现波动,随时间变化逐渐衰减至平衡位置。迎角越大,初始振幅越大,气动力系数减小的比例越大,但随时间衰减得越快。平尾存在弯曲/扭转耦合现象,结构变形导致表面压力分布发生变化,使得整体压力减小、升力系数降低,迎角越大现象越明显。平尾最大应力在迎角30°时达1.2 GPa,已达到所用镍合金材料的屈服强度极限。应在结构设计时在翼轴与平尾接触部位附近加强,或在控制方案设计时限制全动平尾的工作角度。结构发生轴向与法向变形,轴向变形主要由气动热引起,法向变形由气动力和气动热共同引起。      

无人直升机系留气动载荷CFD计算分析

系留气动载荷作为无人直升机系留装置的设计输入,通常以机身大风侧向角气动特性风洞试验数据为基础进行计算。采用CFD计算方法对某无人直升机算例样机的机身大风侧向角气动特性进行了计算,包括自由来流、停放在开阔地面和船艉甲板3个状态,以机身气动特性CFD计算结果为基础计算了其系留气动载荷。结果表明:无人直升机在开阔地面停放时的系留气动载荷与自由来流时基本一致。而受船体上层建筑的影响,停放在船艉甲板时的系留气动载荷与自由来流时有较大的差别,除部分风侧向角状态的偏航力矩之外,力和部分力矩的绝对值相对较小,部分风侧向角状态的力和力矩方向相反。研究结果可为选取无人直升机系留气动载荷计算方法和不同停放环境下的机身气动特性的CFD计算及风洞试验状态提供一定的参考。      

基于GPU的快速有限元法求解密度场

为了快速计算分析利用视频测量方法测得的高速风洞试验密度场在扰动流场作用下的实验数据,针对密度场的数值求解问题,经过光线偏折理论分析密度场得到的二阶偏微分方程,对其研究实现了CPU串行有限元法求解。在此基础上提出了基于GPU的快速有限元求解密度场的方法,该方法经过对串行有限元法求解过程效率分析后,将耗时的神经网络拟合、总刚度矩阵和总载荷向量的求解进行了基于GPU的并行加速。实验结果表明:在精度满足实际工程要求的前提下,相对于CPU串行求解方法,所提方法可大大提高求解效率,且随着网格剖分成倍加密,其加速比成倍增加。      

基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析

针对以新型材料石墨烯为膜片的光纤法珀压力传感器,应用圆薄膜大挠度弹性理论,利用有限元法分析了均布载荷下石墨烯膜的挠度形变;并基于Fabry-Perot干涉仪原理,建立了光纤Fabry-Perot腔压力传感的数学模型.根据石墨烯膜折射率特性,分析了层数、入射光角度等参数对石墨烯膜反射率的影响,获取了腔长损耗以及薄膜挠度形变导致腔长变化而引起的干涉光谱变化规律.仿真结果表明,增加薄膜层数可提高反射率、改善干涉性能;但随着载荷增加,其对挠度形变的影响表现为反向递减效应.8层石墨烯薄膜可获得0.715%的反射率,且当腔长为40μm时,直径25μm薄膜的理论压力灵敏度约为10nm/kPa.这为基于多层石墨烯的膜片式光纤压力传感器的设计提供了理论依据.      

半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型

为研究三自由度比力作用下半球型动压气浮轴承气膜变形对平台惯导中三浮陀螺仪输出的影响,提出了一种通过求解Reynolds方程来计算陀螺仪静态误差的数学模型。首先,在考虑气体稀薄效应条件下,针对三浮陀螺仪中的半球型动压气浮轴承给出对应的Reynolds润滑方程;然后,用有限差分法求解气膜压力场,并利用得到的载荷与转子位移计算陀螺仪静态误差;最终,通过回归分析,得到半球型动压气浮轴承陀螺仪的静态误差模型。为简化回归分析的过程,引入干扰力矩与比力的周向夹角和径向干扰力矩作为中间参数,将三元回归分析问题转化为二元回归分析问题。计算结果表明:径向干扰力矩随着轴向比力的增大而增大,随着径向比力的增大呈现先增大后减小的趋势;干扰力矩在周向上超前比力1.35~1.55 rad。本文静态误差模型可预测300 m/s2以内任意方向比力作用下由转子位移所引起的陀螺仪静态误差。      

落锤式弯沉仪

介绍了一种目前国际上广泛采用的测量公路强度的设备,对其工作原理及各组成部分作了详细描述。这是一种模拟行车轮载,采用动态力方法评价公路强度的先进设备,其基本原理是:由自由落体的重锤产生一作用于路面的脉冲力;测量路面感受力后产生的向下弯沉值;通过脉冲力与路面弯沉的关系,评价路面的强度。     

自动倒码式力标准机技术及其应用

静重式力标准机是最重要的力值计量、传递仪器之一。采用倒换砝码的加载方法,只需少量的砝码,可以实现大范围测量应用,并减小设备体积。理论上,一台较大规格的自动倒码式力标准机可以替代其容量以下所有规格的设备。分析了加载过程中砝码倒换的力学原理,论述了所研制的自动倒码式力标准机的工作原理及其自动监控问题,并进行了应用实验。结果表明,关于砝码倒换的力学原理的理论分析和力标准机的监控方法是正确和有效的。自动倒码式力标准机非常适合于包括宇航推力计量器具在内的各种测力仪的标定和校准。