一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数，提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型，该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础，用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分，满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数，与其他计算结果和实验结果的比较表明，该几何模型和有限元模型比较合理。     

一种快速有效的薄壁件加工表面误差预测算法

 在切削力作用下，刀具/工件的变形是影响薄壁弱刚度件加工精度与质量的关键因素，快速有效地进行表面误差的预测是实现工艺参数优化及在线刀具路径补偿的前提。针对立铣加工过程，提出了一种考虑刀具/工件变形位置的快速柔性迭代算法，基于此建立了薄壁件加工变形预测的有限元计算模型，并通过等效集中力作用位置的确定、模型分割及最小化网格重划方法进一步提高了模型的计算速度。通过刀具/工件的瞬时接触区域的限定算法、实际切深的修正算法、材料去除效应的模拟等关键技术更提高了模型的计算精度。以典型航空铝合金材料为对象，合理安排试验，并通过数值计算结果和试验数据的对比，表明该方法计算精度高，计算速度较文献方法提高了近2倍。     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

球形抛光工具的研抛工艺研究

通过对球形抛光工具抛光机理和压力分布的分析,基于赫兹接触理论和Preston假设,建立工件表面材料去除函数。在此基础上通过仿真获得表面材料去除轮廓曲线,并分析几个主要研抛工艺参数对材料去除的影响,验证了去除模型的正确性,并获得了有镜面效果的工件。     

弹性磨头气驱主轴的磨抛接触特性研究

针对复杂形状工件磨抛的问题,设计了一种配有弹性磨头的小体积、高转速的气驱主轴。建立了该主轴磨抛加工过程的理论去除函数模型,并通过了试验验证。结果表明,仿真和试验得到的去除函数高度吻合,且均接近高斯型,属于理想的去除函数。在此基础上,采用气驱磨抛主轴与弹性树脂磨头进行了磨抛试验,探究了各个主要工艺参数对工件表面质量的影响。磨抛后工件表面粗糙度Ra由3.588μm降至0.401μm,证明该气驱主轴可用于高精度磨抛,并为复杂形状工件的高速磨抛提供了一定的理论依据。     

三维舵面绕流的N-S方程数值计算研究

通过自动生成复杂构型的非结构混合网格。采用格心格式的有限体积法以适应不同的网格单元，应用Spalart-Allmaras湍流模型进行绕三维舵面流动的N-S方程数值模拟，将部分计算铰链力矩结果与风洞试验结果进行了对比分析。说明了计算方法对粘性流动良好的适应性,分析了迎角、马赫数、雷诺数对舵面铰链力矩的影响以及计算方法的可靠性和计算结果的合理性。     

基于仿真分析的压铆力预测模型

铆接是飞机结构机械连接的主要方式,压铆力作为影响铆接质量的重要因素,传统的计算方法通常是建立在体积不变的假设之上,且不考虑钉杆材料被压入钉孔部分的体积,导致模型误差较大。为此,依据仿真分析结果和铆钉材料的流动趋势,引入体积缩减系数来描述钉杆被压入钉孔部分的体积,建立压铆力预测模型,并与已有的试验数据进行对比,结果表明计算值与试验值的一致性较好,该模型可以用来预测铆接过程中压铆力的大小。     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。     

光学元件数控单轴加工中的边缘效应控制建模方法

边缘效应严重制约了计算机控制光学表面成型技术（CCOS）的加工精度和加工效率，是亟待解决的技术难点之一。基于Preston方程，建立工具盘在加工工件边缘时的定量去除模型，是解决该问题的重要途径。将加工工件、工具盘尺寸，磨削压力、速度、时间，磨削点位等加工参量进行数学建模，建立边缘去除函数模型，精确计算边缘压力分布和磨削累计时间。随着工具盘在工件边缘露边量增加，工具盘压力呈指数级增长。工件磨削累计时间随工具盘中心点位不同呈现分段变化规律。研发单轴机数控设备，利用工具盘沿工件边缘母线点位移动方式，进行边缘效应控制研究。通过实验精确求出Preston方程比例系数k，验证模型仿真与实际加工结果吻合性，准确度达到91.9%。数控单轴机修边方法和建立的数学模型可以很好地指导实际研磨抛光过程。     

机载脉冲多普勒雷达海杂波仿真及加速

为了提高杂波仿真的精度和速度,提出了一种对现有杂波模型的改进方法,即改用Petts的海杂波后向散射系数模型提高仿真精度,通过预先存储网格单元面积积分、只实时计算主杂波和查表实现旁瓣杂波提高仿真速度。仿真结果表明:该算法有效地提高了杂波仿真的精度和速度。     

带锪窝紧固件孔边三维多裂纹扩展的计算分析

多孔元件是飞机结构中常见的结构细节,起始于多个紧固件孔边的多条三维裂纹的疲劳扩展预测是结构多部位损伤寿命评定的重点问题和技术难点。建立一种高效实用的三维多裂纹扩展数值分析方法,能够对萌生于带锪窝孔边的多条三维裂纹实施疲劳裂纹扩展中的有限元快速建模和自动网格更新,进行三维多裂纹扩展全程自动数值模拟,并利用净截面屈服作为判定最终失效的准则。通过单锪窝孔双边非对称裂纹两种开裂模式情况下的算例计算分析,并与试验实测结果对比,验证了本文扩展分析方法的有效性。     

钛合金筋板类构件局部加载成形有限元仿真分析中的摩擦及其影响

局部加载等温成形为大型钛合金筋板类构件省力、高性能成形制造提供了有效的途径。然而其成形过程复杂,材料参数、几何参数、工艺参数高度耦合作用,精确预测困难。有限元仿真为此类复杂成形问题的分析和优化提供了有力的工具。而摩擦模型和摩擦条件是数值模拟的重要边界条件之一,影响到预测结果的精度及可靠性。本文着重分析了库伦摩擦模型、剪切摩擦模型、库伦-剪切摩擦模型、库伦-粘着摩擦模型以及摩擦大小对筋板类构件局部加载成形仿真分析结果的影响。研究结果表明:剪切摩擦模型适用于局部加载成形过程的建模仿真;确定精确的摩擦条件可降低载荷预测误差15%以上;主动调控局部区域摩擦条件可改善局部加载成形过程的充填、减少缺陷。     

横列式双倾转旋翼机控制系统研究CSCD

针对横列式双倾转旋翼机平飞加速过渡过程中的标称速度轨迹跟踪问题,提出了通过升力占比划分过渡阶段,实现标称轨迹的工程化设计。基于经典PID理论,分别设计了各过渡阶段各通道控制律和控制参数,提出了总距余弦分配的操纵分配方法,并解决了过渡过程中严重的纵垂向耦合问题。仿真结果表明,该纵向控制策略在强干扰下仍可以实现对象飞行器的平稳过渡。     

基于SVR和NSGA-II的钛合金铣削参数多目标优化

对钛合金材料Ti6Al4V铣削加工进行有限元数值计算,结合试验设计方法构建了基于支持向量回归机（SVR）的铣削力预测模型,以材料去除率和刀具寿命为优化目标,提出一种基于支持向量回归机和带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）的优化方法。结果表明,该方法能够获得满意的Pareto解集,为钛合金铣削参数优化提供一种新的方法,具有良好的推广价值。     

Full-scale crash test and FEM simulation of a crashworthy helicopter seat

Crashworthy seat structure with considerable energy absorption capacity is a key component for aircraft to improve its crashworthiness and occupant survivability in emergencies.According to Federal Aviation Administration(FAA) regulations,seat performance must be certified by dynamic crash test which is quite expensive and time-consuming.For this reason,numerical simulation is a more efficient and economical approach to provide the possibility to assess seat performances and predict occupant responses.A numerical simulation of the crashworthy seat structure was presented and the results were also compared with the full-scale crash test data.In the numerical simulation,a full-scale three-dimensional finite element model of the seat/occupant structure was developed using a nonlinear and explicit dynamic finite element code LS-DYNA3D.Emphasis of the numerical simulation was on predicting the dynamic response of seat/occupant system,including the occupant motion which may lead to injuries,the occupant acceleration-time histories,and the energy absorbing behavior of the energy absorbers.The agreement between the simulation and the physical test suggestes that the developed numerical simulation can be a feasible substitute for the dynamic crash test.      

The Scientific Measurement System of the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Mission

The Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) mission to the Moon utilized an integrated scientific measurement system comprised of flight, ground, mission, and data system elements in order to meet the end-to-end performance required to achieve its scientific objectives. Modeling and simulation efforts were carried out early in the mission that influenced and optimized the design, implementation, and testing of these elements. Because the two prime scientific observables, range between the two spacecraft and range rates between each spacecraft and ground stations, can be affected by the performance of any element of the mission, we treated every element as part of an extended science instrument, a science system. All simulations and modeling took into account the design and configuration of each element to compute the expected performance and error budgets. In the process, scientific requirements were converted to engineering specifications that became the primary drivers for development and testing. Extensive simulations demonstrated that the scientific objectives could in most cases be met with significant margin. Errors are grouped into dynamic or kinematic sources and the largest source of non-gravitational error comes from spacecraft thermal radiation. With all error models included, the baseline solution shows that estimation of the lunar gravity field is robust against both dynamic and kinematic errors and a nominal field of degree 300 or better could be achieved according to the scaled Kaula rule for the Moon. The core signature is more sensitive to modeling errors and can be recovered with a small margin.     

基于有限元全耦合方法的耳片疲劳损伤力学分析

精确分析和预测连接耳片结构的疲劳寿命对保证飞机安全具有重要意义。采用损伤力学—有限元全耦合方法对飞机上典型连接耳片结构进行分析,得到该结构的疲劳损伤演化过程和疲劳寿命;将分析结果与疲劳寿命工程估算方法——名义应力法进行比较,证明损伤力学—有限元全耦合方法应用于结构寿命预测的可行性,并将损伤力学—有限元全耦合方法与线性Miner准则、损伤全解耦方法进行对比分析。结果表明：损伤力学有限元全耦合方法,其计算结果是唯一的、确定的,比运用线性Miner准则和损伤全解耦方法所得的结果更准确,弥补了名义应力法的不足。     

公转速度对冷滚打成形制件回弹影响研究

在冷滚打成形过程中,滚打轮对工件击打和滚压的同时,工件变形区域储存了较大的弹性应变能,导致工件成形结束后会出现回弹,回弹现象对成形工件的廓形精度有着较大的影响。本文主要针对滚打轮公转速度与回弹量之间的关系进行研究。建立了冷滚打成形回弹的有限元仿真模型,通过动态仿真分析获得了不同公转速度时成形齿槽截面在切向、轴向和径向的变形规律;通过静态分析获得了成形齿槽截面各部分在不同公转速度下切向、轴向和径向的回弹规律。结果表明,相同工艺条件下冷滚打实验得到的工件廓形与仿真结果吻合,验证了仿真结果的正确性,通过合理选择工艺参数可以有效控制回弹,提高制件成形精度。     

孔冷挤压有限元仿真中的铰削分界面位置确定方法

开展孔冷挤压过程有限元仿真计算是残余应力分布获取和疲劳寿命预测的前提。在有限元建模阶段，设置铰削层单元与基体材料单元之间的分界面，是模拟铰制终孔工艺过程的关键。通过弹塑性力学分析，建立了挤压强化过程芯棒、衬套和被挤压强化连接孔的应力分析方法；基于分析中得到的不同位置处微单元的径向位移量，建立了铰削分界面相对位置计算模型。并开展了关键参数的敏感性分析，定量研究了关键参数变化对残余应力分布和径向位移量的影响程度。本工作为孔冷挤压强化有限元模型建立中，铰削层单元与基体材料单元分界面相对位置确定，提供了便捷可靠的方法。     

带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟及变形预测

带筋整体壁板特别是高筋整体壁板具有优异的结构效率、减重效益和密封效果，在航空航天等领域备受青睐。预应力喷丸成形是大中型、长寿命、高性能复杂带筋整体壁板的一种不可多得的有效成形手段。数值模拟是促进带筋整体壁板预应力喷丸成形技术研究、进步与应用的一种极具潜力的途径。针对带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟，建立了基于响应面函数的多弹丸撞击有限元模型、基于应变中性层内移的反弯曲应力场法模拟模型、预应力喷丸成形RBF神经网络预测模型，实现了喷丸成形应力场法数值模拟、预应力喷丸成形较高精度数值模拟与变形预测，为带筋整体壁板预应力喷丸成形技术研究和实际应用提供了一种更为便捷、高效、经济的途径。