变体机翼后缘多学科设计与优化

变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,提高飞行性能,其设计涉及气动、材料、结构等多个学科。本文采用零泊松比蜂窝结构的材料作为柔性蒙皮,设计了一种具备机翼参考面积不因弯度改变而缩减的特点的机翼后缘无缝偏转机构,研究了变体机翼后缘机构多学科设计与优化方法。优化结果表明,优化后的机翼巡航和起降状态都具备良好的气动性能,不但柔性蒙皮可产生大尺度拉伸变形,而且后缘结构均能满足刚度、强度等性能指标,同时机翼结构质量相比初始设计减轻了18%。文中研究的变体机翼多学科优化设计方法,能够快速有效地完成变体机翼无缝偏转后缘优化设计。     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的变形特性分析

应用面元法和有限法建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的流固耦合分析方法。数值仿真结果表明:位于变形后缘上表面的柔性蒙皮在气动载荷作用下将被"吸"成鼓包形状,且这个局部变形对翼型后缘部分的压力分布具有很大影响。在此基础上,研究了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形随其弹性模量、厚度和初始预应变的变化规律。可以得出,柔性蒙皮的变形量随着翼型后缘偏角的增加而先增大后减小,并不是随着后缘偏角的增加而增大;增加蒙皮的厚度可以减少柔性蒙皮的最小弹性模量和最小拉伸刚度,但蒙皮的厚度受限于机翼的结构空间;满足Jacobs形变准则的蒙皮最小拉伸刚度随着蒙皮预应变的增加而降低。     

变弯度机翼前缘柔性蒙皮优化设计方法与变形机理研究

光滑连续变弯度机翼前缘具有降低噪声和提升气动效率的优势,针对其变厚度柔性蒙皮,目前的研究主要集中于优化方法设计,而缺乏对蒙皮变形机理和变厚度方案优劣的分析。因此,首先对变弯度前缘设计区域进行了定义,然后开展了变弯度机翼前缘的蒙皮变形机理分析,总结出理想条件下柔性蒙皮的变形机理、实际变形与理想变形产生差异的原因及变厚度柔性蒙皮方案的设计难点和局限性,最后以机理分析为基础,提出了后掠变弯度机翼前缘柔性蒙皮的优化设计方法,并以真实翼型的变弯度前缘翼段为研究对象,完成了变形仿真分析。数值模型实现了变厚度柔性蒙皮的高精度变形,验证了该设计方法的有效性。     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

钛合金蜂窝壁板隔热性能试验研究

针对钛合金蜂窝夹层结构的隔热性能进行试验研究。试验中研究了在300 ℃稳态条件下,蜂窝芯格尺寸、芯格高度和芯格壁厚等参数对隔热性能的影响规律;分析了各几何参数对隔热性能的敏感度;测试了不同温度条件下钛合金蜂窝夹层结构壁板的等效导热系数。试验结果表明：增大蜂窝芯格尺寸和芯格高度,减少芯格壁厚均有利于提高蜂窝壁板的隔热效果;不同几何参量对钛合金蜂窝夹层结构隔热效果的影响敏感程度从大到小依次为：芯体高度、芯格尺寸和芯体壁厚;钛合金蜂窝壁板的等效导热系数随温度的升高而增大,相同温度下钛合金蜂窝壁板的等效导热系数约为钛合金材料的3%~5%。     

高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究

作为一种简单有效的非接触、全场光学测试方法,二维数字图像相关法(2D-DIC)已在不同领域广泛用于平面物体表面的面内位移和应变测量。为避免实际成像系统固有的(如镜头畸变)以及测量过程中不可避免出现的各种不利因素(如物面离面位移、相机自热)带来的变形测量误差,建立了使用高质量双远心镜头的高精度2D-DIC测量系统。为验证该系统的应变测量精度,对铝合金进行了弹性小变形范围内拉伸实验,并用所建立的2D-DIC测量系统和使用直角应变花的电测法同时测量每级载荷下的横向和纵向应变。实验结果显示建立的2D-DIC测量系统与修正横向效应后的应变电测结果的平均绝对偏差小于10με,由2D-DIC测得的弹性模量和泊松比也与应变片测量结果吻合良好。实验结果表明建立的高精度2D-DIC测量系统可用于工程中材料或结构表面面内小应变的准确测量。     

大口径高精度复合材料反射器制造技术

为满足星载碳纤维蜂窝夹层结构天线反射器的大口径、高精度要求,提出了一种基于设计、工艺和测量的高精度反射器制造方法。该方法通过高热稳定性、高精度模具来提高反射面形面精度,通过蜂窝拼接来降低反射面固化时残余应力,通过高低温时效来降低固化后反射器部件残余应力,通过优化测量方法来提高反射器测量精度。实测结果表明,该技术能有效提高反射器制造精度和改善反射器热变形。     

功能梯度材料夹芯板的后屈曲

基于Reddy高阶剪切理论及Von-Karman大挠度理论,针对以功能梯度材料为面材的夹芯板的后屈曲行为进行了研究,数值算例给出了完善、非完善功能梯度材料夹芯板的后屈曲荷载-挠度曲线以及后屈曲荷载-端部缩短曲线。讨论了初始几何缺陷、材料组分指数、温度相关性、面内边界约束条件等各参数变化所带来的影响。     

变体后缘索网传动机构的优化设计

变体后缘索网机构的驱动效率很大程度上取决于各个索的空间布置。首先,建立了索网机构的力学模型,给出了索网/基板非线性微分方程的差分迭代格式;然后,采用响应面法,建立了驱动力和索蒙皮最小距离的显式函数;最后,采用序列二次规划算法来求解该优化问题。计算结果表明:驱动力和索蒙皮最小距离的响应面模型具有很高的拟合精度;优化后索网机构的驱动力降低了27.7%。     

基于人工神经网络的混凝土类材料SHPB动态压缩性能预测

针对混凝土类脆性材料高应变率下本构行为,结合ABAQUS有限元仿真与反向传播（Back propagation,BP）人工神经网络技术,对分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson pressure bar,SHPB）实验过程中关键波形参数进行仿真和机器学习,建立了混凝土类材料SHPB高应变率下力学性能预测的机器学习模型,极大地提升了复杂脆性材料受冲击状态下变形行为与本构参数之间关联机制的计算效率。利用商业有限元软件ABAQUS的动态分析模块,通过在入射杆自由面设置4种不同的应力波,得到在不同应变率下材料应力-应变曲线,通过对比数值模拟结果和SHPB实验,验证了基于有限元分析的计算结果准确性。以20组ABAQUS仿真结果作为训练样本,其中入射波作为输入层,透射波和反射波作为输出层,建立相应的机器学习预测模型。研究结果表明：基于BP人工神经网络技术的机器学习预测模型具有良好的适用性,可代替量大且耗时的有限元仿真建模、分析及后处理流程,实现了高应变率下混凝土类材料应力-应变曲线形式本构行为的高效准确预测,同时可以预测给定训练样本以外更大应变率范围下材料应力-应变曲线。     

复杂几何体注塑制品翘曲变形模拟仿真

注塑成型制品的翘曲变形作为评定制品质量的重要指标之一,其研究有着重要的应用价值。为提高具有复杂几何形状的塑件翘曲变形预测精度,对聚丙烯基热塑性弹性体（Thermal plastic olefin, TPO）分别进行了拉伸加载-卸载实验、压力-体积-温度（Pressure-volume-temperature, PVT）实验、复杂注塑制品翘曲变形的测量和数值模拟。材 料的PVT曲线显示冷却过程中材料的热膨胀系数会发生非线性变化。拉伸应力应变曲线表明,材料未表现出明显的屈服,应变速率越大则弹性模量就越大,而在卸载时弹性模量小于初始弹性模量,并随总应变极限的增加而减小。修正Chaboche粘塑性模型并将其应用于高分子复合材料,对各温度和应变速率下的应力应变曲线进行拟合获得本构方程参数,编写子程序UMAT并嵌入到TPO复杂注塑制品的翘曲变形有限元模型中,所得模拟结果不仅能成功预测试样取样位置上翘曲变形的趋势,还能够发现在套筒位置和加强筋处的过度收缩。     

DZ125合金高温循环变形特性及本构建模

开展了定向凝固镍基合金DZ125高温循环变形特性的试验研究;试验包括纵向[001]、横向[010]和45o[011]三个晶向;温度包括室温、650℃、760℃、850℃和980℃。试验观察到材料变形的率相关、循环硬化/软化、平均应力松弛等力学现象。试验还得到了这些力学行为与温度、晶向、应变率、应变范围的关系。基于以上的材料变形特征,采用各向异性扩展的Chaboche统一型粘塑性本构模型对DZ125合金的力学特性进行了本构建模研究。开发了基于遗传算法的材料参数提取和优化方法。并通过ABAQUS用户子程序(UMAT)结合有限元方法,进行了数值模拟验证和变形预测。     

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据,而风洞试验作为最有效的测试手段,通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术,集成了多种超薄柔性传感器阵列,通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面,在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验,分析风洞试验中采集获得的多种气动参数,验证了该系统的可用性,为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。     

涤纶增强橡胶基复合材料各向异性超弹性本构研究

基于一种适用于平纹涤纶增强橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型，将应变能分解为橡胶基体应变能、织物纤维拉伸应变能与织物增强橡胶剪切应变能3部分，并根据单轴拉伸试验数据确定了本构模型参数。编写了有限元材料子程序进行仿真分析，并与试验数据对比验证了本构模型的合理性。该模型从宏观出发，能更好地表征复合材料编织物在拉伸过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为，具有结果准确、简单实用等优点，为织物增强橡胶复合材料的设计应用提供了理论依据。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

退火温度对Ti6Al4V薄板退火变形影响的有限元分析及实验验证

为了研究钛合金退火变形规律,对Ti6Al4V薄板初始残余应力作一定假设和简化,采用MSC.marc软件建立Ti6Al4V薄板退火热粘塑性模型,分析不同退火温度(550, 580, 600, 620, 650 ℃)对钛合金退火变形的影响及其原因,并结合退火实验验证模拟结果。结果表明,初始残余应力在蠕变作用下产生蠕变应变和弹性应变,使薄板退火后应变分布符合板材弯曲时典型应变分布规律,最终导致薄板退火变形。随着退火温度升高,蠕变作用加强,退火变形增大,而应力应变随时间变化趋势基本一致。实验结果验证了数值模拟的可靠性。     

用于飞机零部件制造装配的柔性工装数控系统(英文)

研究了柔性工装计算机数字控制(Computer numerical control,CNC)系统,该系统适于控制多种用于飞机零部件制造和装配的柔性工装设备。给出了柔性工装的机械结构分类,分析了柔性工装设备的控制需求。同时提出了一种CNC系统的硬件和软件架构,并予以实现。该系统利用配置参数描述柔性工装的机械结构。根据配置参数,CNC系统可以自动生成其控制功能和人机界面(Human machine interface,HMI)操作功能。将该CNC系统应用于某蒙皮-桁条装配柔性工装设备,结果证明了系统的有效性。     

Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析

基于自动铺丝工艺,为获得良好的蜂窝夹层结构自动铺放成型质量,建立了Nomex蜂窝芯在压辊压力下的屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法。采用线性屈曲分析法(特征值分析法)对蜂窝单元进行屈曲分析,得到一阶屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;引入初始结构几何缺陷,采用非线性屈曲分析法(弧长法)对Nomex蜂窝单元后屈曲行为进行分析,输出参考点RP-1的载荷-位移曲线,得到弧长法计算的屈曲载荷以及极限载荷值。通过对比试验结果与两种屈曲分析法得到:对于分析临界屈曲载荷,特征值法较弧长法更精确;而弧长法可以更好模拟结构的后屈曲行为,计算结果与试验数据基本吻合,为Nomex蜂窝夹心结构自动铺放成型过程中铺放压力的选取提供参考。     

降雨影响下残积土中基坑围护桩变形三维数值分析

依托厦门残积土层中某基坑案例,采用数值分析手段,研究了开挖与降雨作用下残积土中基坑围护桩变形特性。在有限差分软件中建立三维数值模型模拟施工过程,将考虑土体刚度随应变衰减的土体小应变刚度曲线嵌入摩尔库伦本构,通过强度参数折减方法模拟降雨引起的遇水弱化特性,结合现场实测数据,研究了开挖与降雨作用下残积土中基坑围护桩变形特性。结果表明:使用考虑土体小应变刚度特征的数值方法能够较好地模拟残积土基坑围护结构的变形特性;由降雨造成残积土结构弱化会增大1.5～2.0倍围护桩侧向变形。     

MTPS金属蜂窝夹芯结构尺寸效应的数值分析

金属蜂窝夹心结构是可重复使用金属热防护系统的主要子结构,优化其结构参数,是提高设计质量的重要环节。根据修正Gibson公式与最小势能、余能原理推导出蜂窝夹芯层的9个等效弹性参数。考虑金属蜂窝夹心结构总质量与沿厚度方向的挠度值多指标要求,采用有限元正交数值迭代模拟方法,对结构的尺寸效应进行分析,并优选出良好的结构参数。分析结果表明：影响最大的结构参数依次为金属蜂窝的高度、蜂窝的壁厚、面板厚度及蜂窝内切圆直径。