基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

复合材料热结构孔隙缺陷表征与分形维数评价

受制备工艺约束，复合材料热结构内部的基体会存在不可忽视的细观孔隙缺陷。本文基于航天材料及工艺研究所制备的热结构CT图像开发了一种能够识别基体细观缺陷的机器学习模型，通过将注意力机制模块与深度学习框架进行结合，利用注意力机制模块能够关注特定预期分割目标区域的特点，实现对热结构CT图像进行图像分割，试验证实本方法能够识别局部细观孔隙等缺陷，提升图像分割的精度。为了定量分析缺陷的几何形貌，本文提出采用分形维数对其进行表征，最后重点研究热结构制造缺陷的形貌定量分布规律。     

基于动态小波指纹的冰孔隙率测量方法研究（英文）

针对飞机结冰情况下的冰孔隙率测量问题，提出并评估了一种基于动态小波指纹技术的超声波孔隙率测量方法。通过理论模型和有限元仿真分析了超声纵波的传播过程，阐述了孔隙大小等因素对孔隙率测量的影响机理。结合20块冰样品的60组超声波测量数据，生成了小波指纹图像，并提取了11维关键特征。基于主成分分析和多项式拟合，所实现的孔隙率测量均方根误差（Root mean square error, RMSE）达到1.144%，说明本文方法比传统的峰值拟合方法更稳定、准确。     

针刺纤维复合材料单胞模型构建及力学性能研究进展

三维针刺纤维复合材料有独特的网状结构,变形能力强,同时针刺技术可设计性强,能制造大型复杂结构,常用于航空刹车盘、固体发动机喷管喉衬及其扩张段等结构中。在工艺成型过程中,受纤维铺层结构和针刺工艺参数等因素影响,材料针刺区域的纤维体积含量和纤维偏转路径不规则分布,容易引起应力集中,导致损伤发生,同时其内部细观结构极其复杂,导致材料的力学性能难以预报和分析。因此,本文从三维针刺纤维预制体成型工艺、三维针刺复合材料单胞建模方法和力学性能分析三个方面入手,重点介绍了预制体工艺成型过程仿真技术和复合材料工艺参数化建模方法在力学性能分析方面的应用,概述和评价了材料考虑针刺预制体成型工艺过程的细观单胞建模方法和基于实验、数值模拟的刚度、强度及损伤行为等力学性能分析方法的研究现状,同时对扩张段针刺复杂结构的性能分析进行论述。在针刺复合材料及其复杂结构的力学性能分析中,仍面临一些困难和挑战,如何建立针刺预制体成型工艺参数与针刺复合材料力学性能之间的映射关系,从材料细观结构到针刺复合材料复杂结构力学性能的分析方法,优化针刺复合材料制造工艺,是推进针刺复合材料和复杂结构在航空航天领域应用的关键。     

基于AMESim的热气防冰系统笛形管设计与仿真

笛形管是飞机热气防冰系统的重要组成部分，笛形管上的孔径、孔间距以及笛形管的引气入口参数决定了防冰供气流量的大小及分配，从而影响防冰性能。本文基于多学科系统建模仿真平台AMESim，建立了笛形管流量分配仿真分析模型，对机翼热气防冰系统笛形管结构参数进行迭代设计。设计参数包括笛形管管径、喷孔孔径及孔间距等参数，最终获得了能够平衡设计状态点防冰热载荷的结构参数和引气流量分配，得到了防冰系统的引气压力制度。本文提出的基于AMESim的笛形管迭代设计方法可为热气防冰系统中笛形管的设计与优化提供参考。     

地形辅助惯性导航系统研究

介绍了地形辅助惯性导航系统，并对其进行了仿真研究，为了仿真研究的方便，根据地形的统计模型，利用计算机生成了模拟的数字地图，仿真实验验证了用数字地图来辅助惯性导航可以有效地提高导航精度，地形的粗糙度对导航精度有影响。     

基于空间相关函数的二维紊流场数值生成法

大气紊流是复杂的扰动形式，影响飞行品质、飞行安全。对于复杂的飞行任务，有必要生成二维紊流场模型，从而更准确地反映扰动情况。传统方法是以时间频谱为基础，利用谱分解定理得到所需的成形滤波器结构，进而生成紊流递归模型。这种方法需要经过对模型进行简化，以便利用谱分解定理，使仿真模型的统计特性受到影响；另外，从理论上讲，传统方法只能生成一维大气紊流递归模型。本文直接从空间相关函数入手，提出建立离散自递归模型的新方法，给出了二维紊流场的递归模型     

月球探测器着陆腿动力学建模与仿真

在月球探测器多工况着陆仿真分析中,要求所建模型能够满足高效运算的需求。本文改进简化着陆腿有限元建模:分别采用壳单元、梁单元模拟着陆腿内外筒壁,充分考虑结构柔性以及筒壁间作用力;通过连接单元特性来表达缓冲材料的力学性能,减少了计算耗时;并采用隐式算法求解动力学方程,保证了计算精度。其中壳单元模型能够更全面地反映缓冲腿柔性变形对缓冲性能的影响;在考虑着陆腿柔性时,随着摩擦因数的增大,着陆腿缓冲性能随之下降。     

滤饼生长模拟及其分形特性

基于受限扩散凝聚模型(DLA),建立纤维过滤介质表面二维滤饼的生长模型。模拟中考虑了颗粒粒径分布对滤饼孔隙结构的影响。模拟结果表明,多分散颗粒形成滤饼的孔隙率小于单分散颗粒滤饼的孔隙率;由多分散颗粒形成滤饼的无因次厚度与无因次沉积颗粒数的关系仍满足线性,且σ越大滤饼的厚度随沉积颗粒数增加越快。应用分形理论对滤饼的形态结构作定量分析。结果指出,二维滤饼的分形维数与Pe数呈递增关系,纯扩散条件下形成滤饼的分形维数D=1.8400.024,纯惯性条件下形成滤饼的分形维数D=1.9950.005。     

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系，将宏观复合材料体中的一点赋予了细现结构特征。基于细现结构周期性假设，建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细现位移场，通过对细现单元力学方程的分析与求解，建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细现力学模型，不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细现应力、应变场的分析，而且容易融入常规有限元法中，实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

冰风洞过冷大水滴云雾水滴质量分布模拟

准确模拟过冷大水滴（Supercooled large droplet, SLD）云雾水滴质量分布是最新的结冰适航条款要求，也是当前冰风洞试验技术难点。以14CFR 25部附录O规定冻毛毛雨水滴累计质量分布曲线为目标，在冰风洞中开展过冷大水滴结冰条件模拟研究。基于水滴质量分布要求进行大水滴云雾与小水滴云雾匹配性分析，并在FL-61风洞喷雾系统现有条件下开展大水滴喷嘴喷雾性能测量，将生成的具有不同液态水含量（Liquid water content, LWC）和体积中值直径（Medium volume diameter, MVD）特征的云雾参数组合，在试验段中心位置生成了水滴质量分布曲线接近附录O规定的冻毛毛雨条件。研究结果表明，采用分别模拟相应水滴质量分布的大水滴和小水滴云雾，再进行组合喷雾能够较好地预测和指导在冰风洞中构造大水滴云雾，同时验证了在冰风洞内能够采用两种喷嘴模拟水滴质量为双峰分布云雾条件的可行性。     

一种齿轮参数化建模方法及其精度分析

基于齿轮的精确建模对数值仿真精度的巨大影响,采用APDL-MALTAB的参数化建模编程技术,通过对齿廓曲线的精确推导,建立了比较精确的齿轮模型。从齿根最大弯曲应力和齿面变形两个方面对所建模型进行数值仿真,通过对照经验公式的计算结果,模型的精度得到了有效的验证。该建模方法为在有限元数值仿真中精确建立具有复杂曲面的几何模型提供了一种较好的思路,同时也对数值仿真精度的提高具有一定的意义。     

卫星解体碎片生成数值模拟

提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。     

机械加工对烧结金属多孔材料孔隙的影响

建立了烧结金属多孔材料连通孔隙形成的模型,通过控制机械压制压力获得了一定孔隙率的金属多孔材料。为了拓展烧结金属多孔材料在工业领域中的应用,文中研究了放电线切割、水切割和磨削加工对材料表面孔隙结构及材料透气性的影响,采用扫描电镜和显微镜分析了材料加工后表面上孔隙的形貌。实验结果表明,放电线切割、水切割和磨削对烧结金属多孔材料加工之后,材料被加工的表面孔隙被部分堵塞,材料的透气性有一定程度的降低,但材料内部的孔隙仍有较好的连通性。     

民用飞机起落架气动噪声数值仿真研究

对某型民用飞机前起落架进行气动噪声进行数值仿真分析。采用分离涡模拟方法,计算起落架周围非定常湍流流场,提取声源信息,利用FW-H方程积分外推法求解模型辐射的声场,获得噪声的频谱特性及远场指向特性曲线。通过频谱对比,研究粗网格和细网格对仿真精度的影响以及不同积分面对噪声预测结果的影响。结果表明,分离涡模拟方法能够较好地模拟流场中存在的大量复杂的涡结构;当选取模型固体表面为积分面时,基于粗网格比基于细网格计算的声压级低约1dB;基于细网格定义空间可穿透面为积分面比定义模型固体表面为积分面计算的声压级高约5～7dB;起落架气动噪声源与其后部有规律的涡脱落相关,并且噪声辐射具有明显的指向特性。     

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。     

三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型

通过对三维机织复合材料细观切片拍照,追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标,从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹.并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型,计算了三维机织复合材料的纤维体积含量.结果表明:该模型能够较好地反映三维机织复合材料内部的真实结构,为建立更精确的力学模型打下基础.     

λ机翼气动/结构多学科设计与优化

λ机翼锯齿状后缘的气动外形设计增大了展弦比,进而提高了空气动力学效率,但同时也导致结构质量的增加。因此,本文提出了一种针对战斗机类λ机翼的气动/结构多学科设计优化方法,关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型自动生成与结构布局/尺寸优化。在ISIGHT软件环境下集成气动、结构优化模块,利用基于代理模型的多级优化方法求解λ机翼气动/结构多目标优化问题。算例结果表明,本文提出的优化方法能够较好地兼顾了λ机翼的气动和结构性能,进而提高初步设计阶段的效率。     

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。     

铆接加筋壁板结构高精度动力学建模方法研究

铆接加筋壁板结构是一种在飞行器结构中广泛应用的典型轴压承力结构形式,它具有成本低、工艺性好和承载效率高等特点。随着飞行器结构设计从传统的静态设计转变为静-动态耦合设计,建立准确高效的铆接加筋壁板结构的动力学预示模型具有重要意义。目前,此类结构的建模误差主要来源于薄壁梁结构中的倒圆角区域建模以及薄板与薄壁梁结构之间的铆接建模。本文首先针对薄壁梁结构,采用刚度和质量等效原理,建立计算精度和效率兼顾的薄壁梁结构等效动力学建模方法,并采用仿真算例验证建模方法的准确性。其次,通过对比研究建立最优的适用于铆接加筋壁板结构动力学建模的铆接等效建模方法。最后,结合提出的薄壁梁动力学建模方法和铆接等效动力学建模方法,形成高精度的铆接加筋壁板结构动力学建模方法,采用实验研究,验证了本文提出的铆接加筋壁板结构动力学建模方法的正确性和有效性。