直升机振动响应计算方法研究

在直升机研制阶段,预测全机振动响应是控制直升机振动水平的关键技术。本文建立了利用频响传递函数实测数据,对全机振动分析有限元模型进行修正的方法,机体的振动响应预测结果与实测结果具有很好的一致性,达到了较高的精度。通过研究,探索出了一套直升机结构振动响应模型修改和分析技术,为直升机振动响应预测提供了一种有效的分析手段,也为深入开展直升机振动响应预测研究奠定了基础。     

动态优化中的动响应高阶修改及灵敏度分析

本文通过建立设计变量空间到重分析变量空间的映射关系,然后在重分析变量空间,考虑动响应高阶方向导数及动响应修改量的泰勒级数表达式,利用模态分析技术,推导出一套动响应高阶修改和计算动响应梯度的公式。其工作量完全同于一阶导数修改。公式适合于采用模态截断来限制计算代价的大型飞机结构动态优化设计。算例表明公式具有高精度和高效率。     

SA和SST湍流模型对高超声速边界层强制转捩的适应性

凸起物是高超声速流动中常用的一种人工转捩装置。采用高阶精度算法模拟了高超声速进气道压缩面上的强制转捩流动,转捩装置为一排高度为1mm的钻石型凸起物和斜坡型凸起物。考察了Spalart-Allmaras(SA)模型和剪切应力输运(SST)湍流模型对该问题的适应性。在考察过程中通过丰富的算例分析了网格规模、可压缩修正和空间离散格式等对计算结果的影响。在层流区,计算能与试验取得非常一致的结果。但在湍流区,计算得到的热流通常高出试验数据。经分析发现其原因是强制转捩的湍流边界层与自然转捩的湍流边界层在涡结构上存在较大差别,使得湍流模型的效果较差。针对高超强制转捩湍流涡结构丰富的特点,对SST湍流模型进行了修改。计算结果表明,该修改方法对提高热流精度具有一定效果。     

固定网格中基于边界描述的CAD模型快速分析方法

固定网格技术避免了沿结构边界繁琐的网格划分过程，在复杂几何结构分析时具有很大优势。建模精度和分析精度是采用固定网格进行结构分析的两大难题。文中针对固定网格分析中的建模精度问题，提出了一种由CAD模型至分析模型的快速转换方法，首先将CAD模型采用边界描述，然后通过射线交点法来区分固定网格中单元的属性，并借助四叉树/八叉树技术实现对边界网格的细分。最后采用加权B样条有限胞元法来保证CAD模型在固定网格中的分析精度。本文建立了一种由结构CAD模型至固定网格仿真分析的设计框架，数值算例表明了该方法的有效性。     

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。     

复合材料大展弦比机翼动力学建模与颤振分析

新一代航空结构广泛采用复合材料，对复合材料机翼的气动弹性工程化建模和分析是飞机设计的重要任务。应用气动弹性分析理论和方法，对复合材料大展弦比机翼进行了结构有限元建模、模型修正、固有振动特性计算、部件发散与颤振工程分析。本文使用MSC／NASTRAN软件，在复合材料大展弦比机翼的初步静力分析模型基础上，依据结构图纸、相关试验结果反复修改得到合理的机翼结构动力学有限元模型，固有振动计算中采用动力减缩方法消除局部模态并提高计算精度，采用亚音速偶极子格网法求解非定常气动力，并对单独机翼进行了发散和颤振计算分析。     

一种利用试验数据提高压气机特性计算模型精度的计算方法

本文介绍了一种利用试验数据改进压气机特性计算模型精度的计算方法。此方法可在不改变已有计算模型的前提下提高模型的计算精度。具有一定的工程实用价值。运用结果表明，此计算方法是有效可行的。     

组合结构动力学分析的改进完备基自由界面法

为了适合型号研制和改进改型的结构修改动力学验证、分析需求,将组合结构分析方法引入到直升机的动力学试验和有限元计算中,利用各部件的地面模态试验结果“装配”出组合部件,甚至整机的动力学模型,这在节省研制经费,缩短研制周期上具有十分现实的意义。本文对子结构构建整体模型的组合结构分析方法进行了初步探讨,通过引入完备模态基改进了传统算法,对几种算法进行算例分析的结果表明:引入完备模态基改进的自由界面法大大提高了计算的精度和能力,同时,由于其输入的子结构试验模态可以是非完备的,从而使得其工程应用成为可能。     

基于深度学习的超分辨率重构方法在CAARC标模绕流流场重构中的应用

基于深度学习的超分辨率重构方法是近年来发展的一种有效的流场精细化方法。本文超分辨率重构模型以卷积神经网络为基础，结合了混合下采样跳跃连接多尺度模型，并应用于CAARC标准建筑模型表面风压场和建筑绕流速度场的重构。通过对比分析对不同欠分辨率流场的高分辨重构能力，结果表明该深度学习模型重构高分辨率流场具有良好的精度，重构效果优于原始的卷积神经网络模型和传统的双三次插值方法。该方法具有一定的普适性，可推广应用到具有复杂湍流流动的任意建筑结构风场的超分辨率重构。     

面向结构静力试验监测的高精度数字孪生方法

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行数据融合以实现结构应力场监测是一个具有挑战性的问题。提出一种面向结构静力试验监测的数字孪生（DT-SSTM）方法,可获得高精度的结构静力试验数字孪生模型,以实现结构应力场的实时监测与强度评估。DT-SSTM方法包括离线、在线2个阶段。离线阶段,采用梯度提升树（GBDT）算法对仿真数据进行训练,建立预训练模型。在线阶段,基于集成学习理论,采用Stacking算法对试验数据响应值与预训练模型响应值之间的残差进行训练并建立残差模型。通过叠加预训练模型与残差模型实现多源数据融合,建立高精度的数字孪生模型。最后,开展了开口矩形壁板轴向拉伸试验来验证DT-SSTM方法的有效性。结果表明,DT-SSTM方法能够建立高精度的结构静力试验数字孪生模型,且相比同类数据融合方法具有更高的全局、局部预测精度以及融合效率,为结构应力场实时监测提供了一种新颖的解决方案。     

一种设计参数型的有限元模型修正方法

本文提出了一种设计参数型的有限元模型修正方法。依据正交条件,采用系统矩阵对设计参数的台劳展开式,建立参数修改量的线性方程式,用奇异值分解方法求解。在本方法中充分考虑了试验模态参数误差的影响,及试验振型自由度扩充等问题。计算机仿真及实际算例的结果表明,本方法计算量小、精确度较好。     

基于实验复模态参数的有限元模型修正

提出了一种利用非完备实验复模态参数,修正带有非比例阻尼矩阵结构有限元模型的迭代修正方法。首先,对处理困难的阻尼矩阵表达为质量与刚度矩阵的多项式组合,并给出了物理解释,被修正参数为该多项式的系数和结构的某些局部几何、材料参数,其修正结构物理意义明确,与结构的动态设计相适应,实例表明了本文修正方法的有效性。     

阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法

 动力学相似的缩比模型试验中,阻尼往往难以保证相似,使得缩比模型的动响应测试数据难以直接换算到结构原型上,因此提出一种阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法来解决这一问题。该修正方法假定缩比模型的阻尼可用比例阻尼模型近似表征,并直接从实际缩比模型与理想缩比模型的一般强迫振动响应计算方程出发,利用线性系统的叠加原理和模态叠加法,将动响应修正量的求解转换为理想模型在一个等效附加激励力作用下的时域响应求解。同时,针对实际工程中响应测点数目有限的问题,利用模态缩聚法进行了未测量点的响应反演。该修正方法仅需已知结构原型和实际缩比模型的模态阻尼比,以及准确建立的实际缩比模型的质量矩阵和刚度矩阵,即可实现实际缩比模型在任意激励工况下的测试动响应修正。以某型飞机的翼梁缩比模型为研究对象,对所提出的响应修正方法进行了验证。试验和计算结果对比分析表明,修正后的响应功率谱密度(PSD)和响应的均方根(RMS)值与理想模型基本一致,表明了本文方法的可行性和有效性。     

A Nonlinear Sub-grid Scale Model for Compressible Turbulent Flow

本文采用直接过滤的Navier-Stokes方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似,但仅保留级数的一阶导数项。这样产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,本文用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。本文根据Caylay-Hamilton定理导出了一个非线性亚格子模型,模型中包含的系数由动力学模式确定。与传统的动力学Smagorinsky模式相比,这种动力学非线性模型(DNM)稳定性更好,且不需要在统计均匀方向进行统计平均来计算模型系数,因此减少了计算开销。本文用这种非线性亚格子模型对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验值、计算值及理论值进行了对比。结果表明,本文模型可以有效地模拟可压缩湍流流场。     

含不确定参数的复合材料壁板热颤振分析

研究了含有不确定结构参数的壁板颤振问题,利用vonKarman大变形应变-位移关系、气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,考虑在壁板颤振分析模型中存在的不确定参数,将其用区间向量定量化,基于区间扩张理论和Taylor级数展开,并结合有限元计算方法,提出了区间分析的方法来估计含有不确定参数的壁板结构颤振临界风速的区间,以及发生极限环振动时振幅的变化区间。通过数值算例,将本文提出的壁板颤振的区间有限元模型与随机有限元模型进行了比较,显示了本文方法的有效性和可行性。这种方法的优点是只需要知道不确定参数的所在范围界限,为解决含有不确定参数的壁板颤振这类复杂的气动弹性动力学问题提供了一个途径。     

结构外形优化的一种有效方法

本文基于约束函数及目标函数对节点坐标与元件截面两类变量不同的非线性性质,将目标函数对元件截面变量及节点坐标变量在正变量空间内进行不完全的二阶台劳展开,而约束函数则对元件截面变量之逆变量、节点坐标变量之正变量进行线性台劳展开,从而得到一对于原问题近似精度较高的严格凸的近似问题,用对偶规划求解这一变量可分离的显式的凸问题是简便的。对算例的计算表明该方法是相当有效的。     

Dynamic parametric modeling-based model updating strategy of aeroengine casings

For accurate Finite Element (FE) modeling for the structural dynamics of aeroengine casings, Parametric Modeling-based Model Updating Strategy (PM-MUS) is proposed based on efficient FE parametric modeling and model updating techniques regarding uncorrelated/correlated mode shapes. Casings structure is parametrically modeled by simplifying initial structural FE model and equivalently simulating mechanical characteristics. Uncorrelated modes between FE model and experiment are reasonably handled by adopting an objective function to recognize correct correlated modes pairs. The parametrized FE model is updated to effectively describe structural dynamic characteristics in respect of testing data. The model updating technology is firstly validated by the detailed FE model updating of one fixed–fixed beam structure in light of correlated/uncorrelated mode shapes and measured mode data. The PM-MUS is applied to the FE parametrized model updating of an aeroengine stator system (casings) which is constructed by the proposed parametric modeling approach. As revealed in this study, (A) the updated models by the proposed updating strategy and dynamic test data is accurate, and (B) the uncorrelated modes like close modes can be effectively handled and precisely identify the FE model mode associated the corresponding experimental mode, and (C) parametric modeling can enhance the dynamic modeling updating of complex structure in the accuracy of mode matching. The efforts of this study provide an efficient dynamic model updating strategy (PM-MUS) for aeroengine casings by parametric modeling and experimental test data regarding uncorrelated modes.     

广义最优准则法研究

 利用函数的二阶Taylor级数展开,将原问题转化为一系列的近似问题,并基于Kuhn-Tucker条件,直接给出了一种新的设计迭代式。该迭代式被证明是二次收敛的。本文所提方法可同时处理各种不同类型约束的结构优化问题,具有广义最优准则法的意义。在结构优化领域,灵敏度分析是重要的研究内容之一。本文利用广义虚载荷概念,建立了应力、位移响应的一阶和二阶导数计算公式。该导数公式对弹性矩阵未加限制,且适用于元素内应力非常值的元素。 本文处理了具有几何约束、应力约束和位移约束的结构优化设计问题。数值结果表明,此方法的计算效率很高,一般仅需2～3次分析迭代便可达工程所需的精度要求,具有实用价值。     

机翼颤振的区间有限元分析(英文)

The influences of uncertainties in structural parameters on the flutter speed of wing are studied. On the basis of the deterministic flutter analysis model of wing, the uncertainties in structural parameters are considered and described by interval numbers. By virtue of first-order Taylor series expansion, the lower and upper bound curves of the transient decay rate coefficient versus wind velocity are given. So the interval estimation of the flutter critical wind speed of wing can be obtained, which is more reasonable than the point esti- mation obtained by the deterministic flutter analysis and provides the basis for the further non-probabilistic interval reliability analysis of wing flutter. The flow chart for interval fmite element model of flutter analysis of wing is given. The proposed interval finite element model and the stochastic finite element model for wing flutter analysis are compared by the examples of a three degrees of freedom airfoil and fuselage and a 15° sweptback wing, and the results have shown the effectiveness and feasibility of the presented model. The prominent advantage of the proposed interval finite element model is that only the bounds of uncertain parameters are required, and the probabilistic distribution densities or other statistical characteristics are not needed.     

一种多点定位的目标位置精确解算方法

多点定位是民航飞机导航系统的新技术,精确的目标位置解算方法是多点定位的关键.通过设定参考站和变换,将非线性到达时间(TOA)方程组转化为线性到在时间差(TDOA)方程组,提出了一种两步求解目标位置的闭式算法.首先忽略TDOA测量误差,获得了目标位置的粗解,在粗解的基础上做泰勒级数展开,克服了未知量不独立对精度的影响,再...