航天器对接接触过程撞击动力学分析

空间对接接触撞击过程动力学特性是载人航天空间对接机构研究设计的基础．本文针对先进而复杂的异体同构周边式对接机构,运用矢量力学方法和粘弹性理论,建立了航天器空间对接接触撞击过程动力学模型,给出了接触撞击载荷显示表达式,并结合工程问题算例进行了初步打靶计算和统计分析,取得了较为满意的统计结果．     

圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验

大型圆柱壳结构从空中入水时,在水流强大冲击下将发生较大变形甚至断裂.为提高该结构的耐撞性,将仿真与试验相结合.通过静态拉伸和动态SHPB试验获取两种备选材料的非线性本构关系,拟合出塑性随动材料模型.制作了1∶ 10简化缩比模型,进行了跌落试验与仿真分析.建立了真实结构与全尺寸的薄壳、水、空气耦合的多物质仿真模型,通过ALE/Lagrange无侵蚀罚函数耦合算法,实现了入水过程的有限元仿真分析.找到了初始方案的不足之处,提出了改进方案并进行了仿真验证分析.该方法同样适用于其他具有大变形和非线性的流体冲击问题.      

超高速撞击条件下铝合金材料参数识别方法

在超高速撞击过程中,金属材料在大变形、高应变率条件下的材料参数获取是一个研究难点.在确定Steinberg本构模型和Gruneisen状态方程前提下,结合已有的物理试验结果,采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamic)算法实现超高速撞击问题的数值模拟,定义优化目标为物理试验结果和仿真结果之间的相对误差值,利用连续响应面法SRSM(Successive Response Surface Method)对铝合金6061的Steinberg本构模型中的4个关键参数进行优化识别计算.经过识别的材料参数与物理试验的结果近似程度更好,证明了这种方法的正确性和可靠性.      

某型飞机水上迫降数值化模型

近海/跨海使用的飞机必须考核水上迫降性能,而目前飞机抗坠毁标准、设计方法和分析方法通常只考虑硬着陆情况,很少考虑水面迫降情况,这是由于水上迫降涉及多场耦合,问题十分复杂.为了简化问题,采用了解耦的方法,将仿真与试验相结合,利用MSC.PATRAN/DYTRAN软件平台,建立全机有限元模型,包括全尺寸机身、机翼和尾翼结构,并导入具体参数,对13种工况条件进行了动力学数值仿真计算.预测了飞机撞击水面过程中结构的瞬态应力分布,对飞机机身下部蒙皮进行了强度分析,表明飞机在着水过程中蒙皮不会发生损坏.      

双柔性杆多次撞击力分析

柔性构件的多次弹性撞击现象在工程中普遍存在,其中撞击力的求解一直是关键问题.利用瞬态波函数特征值展开法,给出多次撞击过程和分离过程的杆中瞬态波传播的理论解,提出计算双柔性杆多次撞击力的瞬态波效应法,该方法避免求解具有未知奇异载荷项的强非线性方程.实现了对多次撞击问题的精确的数值分析,研究了初始撞击速度对撞击力和撞击发生时间的影响,表明瞬态波效应法可以计算多次撞击力时间历程.初始撞击速度越大,撞击力幅值越大,而且撞击力的峰值在前三次撞击过程中是逐次增加的,后趋于稳定,并可以研究"次撞击"现象.为进一步研究复杂柔性结构系统多次撞击问题以及重复撞击引起的长期系统动力学行为提供了可借鉴的有效研究方法.      

风挡防（除）雾表面瞬态热特性计算

风挡表面瞬态热特性计算是热空气射流防（除）雾系统设计的重要内容。在分析风挡防（除）雾换热机理的基础上，建立了风挡表面瞬态热特性的计算模型，用差分法对其求解。通过计算机模拟，得出计算结果，与试验结果比较，计算误差小于５％，研究的内容，具有工程实用价值。     

一种新型车辆智能避撞预警模型设计

针对目前单阈值避撞模型所具有可反应时间单一的缺点,设计了一种基于多级报警规则的避撞预警模型,为驾驶员提供了一个渐进的反应时间,在紧急情况下使其有更多时间来避免碰撞发生.对车辆行驶过程中驾驶员的信息感知特性进行分析,为模型的建立提供相应的理论基础.设计了基于多级报警规则的避撞预警模型,并对模型的设计过程进行了详细的论述.利用实测数据对给出的模型进行了实证研究,结果表明多级报警避撞预警模型能使驾驶员更加舒适的驾驶车辆,并为智能避撞预警系统的建立提供了良好的模型基础.      

温度/机械载荷作用下裂纹扩展的随机化分析

为描述温度/机械载荷共同作用下裂纹扩展速率,基于疲劳和蠕变裂纹扩展的线性叠加模型,给出了结合试验的修正方法.该方法根据试验结果提取新的材料参数,解决了原模型中由于交变载荷对蠕变裂纹扩展的影响所导致的材料参数不独立的问题.在此修正模型基础上,引入对数正态随机过程,建立了温度/机械载荷共同作用下的裂纹扩展随机模型,并采用泰勒级数展开法获得了指定裂纹长度下寿命分布和指定寿命下裂纹长度分布的表达式.通过算例比较随机模型和试验结果获得的寿命分布,证实了该随机化处理方法的可靠性.     

悬停状态下直升机旋翼水滴撞击特性研究

介绍了直升机在悬停状态下,求解旋翼水滴撞击特性的数值方法.该方法根据直升机悬停状态下的准定常特性,对旋翼运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用有限差分方法求解水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对旋翼表面的撞击特性参数,为旋翼防冰系统设计提供条件.最后,对NACA0012翼型的水滴撞击特性进行分析.      

变更载荷谱情况下的耐久性分析技术与应用

针对全尺寸飞机结构疲劳(耐久性)试验过程中更改载荷谱情况下对全尺寸结构疲劳试验机(单机)进行耐久性评定的需求,基于耐久性分析的概率断裂力学方法和改进的裂纹萌生方法,提出了综合不同谱下耐久性试验数据集确定描述结构细节原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸分布的方法,给出了载荷谱变更情况下计算各应力区裂纹超越概率的损伤累加方法,从而建立了能够准确预测载荷谱变更情况下结构经济寿命的耐久性评定方法.这种方法已成功应用于某型飞机结构全尺寸试验中更改载荷谱情况的耐久性评定,有着重要的工程应用价值.      

基于机场探鸟雷达数据的鸟击风险评估

提出一种实时鸟击风险评估方法.该方法利用机场探鸟雷达获取的实时鸟情信息,通过估计鸟击概率和严重程度实时评估鸟击风险.以飞鸟和跑道位置为自变量建立预估方程,计算鸟击概率.将德尔菲法和层次分析法（AHP,Analytic Hierarchy Process）相结合,建立鸟击严重程度估计模型;该模型充分利用了专家知识和定量计算的优点,称为DAHP模型.为减少该模型中同一层次上参数的个数,将影响评估结果的因素置于一个双层模型中,避免由于同一层次上参数过多造成比较矩阵不满足一致性的问题.本评估方法经过了三跑道的北京首都国际机场仿真数据和单跑道的北海福城机场实测数据的测试.     

The impact of error covariance matrix structure of GRACE’s gravity solution on the mass flux estimates of Greenland ice sheet

The error variance-covariance matrices of the monthly GRACE gravity field models are usually well-structured (e.g., order-leading) to contain the error information of the monthly gravity field models, and they are important information to further improve the accuracy of the estimated mass transportation by a post-processing scheme. Intensive studies have been performed to understand the impact of different approximations of the full error variance-covariance matrix on the mass estimates obtained with the conventional GRACE-post processing methods (e.g., the de-striping method). In this study, based on the variants of the mascon approach which treat monthly GRACE solutions as input, we consider four different structures to the error variance-covariance matrix, (i) full matrix, (ii) block diagonal matrix, (iii) diagonal matrix, and (iv) identity matrix, and examine their impact on the mass transport estimates in Greenland. Using both synthetic and real data, we analyze the results at four temporal scales: (i) the long-term decadal scale, (ii) the inter-annual scale, (iii) the seasonal scale, and (iv) the monthly scale. Based on the synthetic study, we find that for the recovery of the long-term trend, the application of the diagonal structure obtains the best estimates. This is caused by the amplification of the model error in the mascon approach when considering the full and block diagonal structures of error variance-covariance matrix, not due to any imperfection of them. Therefore, we emphasize that one should be aware of mascon model deficiency in the mascon approach. Furthermore, the best inter-annual, seasonal and monthly mass estimates are derived by considering the block diagonal and full structures. This is caused by the behavior of the bias and the unique parameterization error in the case of different structures. A similar finding is also presented in the real data case. Finally, our analysis denotes the necessity of releasing the block diagonal structure together with the official monthly gravity field model for the GRACE Follow-On mission, instead of releasing only the diagonal structure as done for the GRACE mission.     

蜂窝夹芯叠层板的低速冲击接触定律

借助于蜂窝夹芯叠层板（以下简称蜂窝板）的准静态横向压力实验,研究了蜂窝板的低速冲击接触规律,提出了半经验性的蜂窝板低速冲击接触定律,蜂窝板低速冲击接触过程分为四个阶段：即面反控制阶段;面板穿透阶段;蜂窝夹芯控制阶段;总体卸载阶段,并提出了相应各阶段的加载或卸载定律,应用此接触定律对蜂窝板的低速冲击过程进行动态有限元模拟分析,模拟计算结果与实验结果相比较具有良好的一致性。     

人体脊柱冲击动力学模型

人体脊柱动力学模型的建立对研究飞行员弹射救生、伞兵跳伞开伞、着陆等脊柱损伤的生物力学以及研究人体脊柱耐受冲击载荷的极限问题都具有重要意义.首先发展了凯恩方程的休斯顿方法,使其可应用于变形体连接的多体系统,并以此理论为依据建立人体整椎脊柱冲击动力学模型,此时考虑脊柱的大位移运动,每个椎骨的变形相对椎间盘的变形小得多,把脊柱看成由刚体(椎骨)和变形体(椎间盘)组成的多体系统.并以大型真人坐姿冲击实验结果进行了拟合,最后得到腰椎间关节刚度系数因子和阻尼系数因子.     

蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

Experimental results for Titan aerobot thermo-mechanical subsystem development

This paper describes experimental results from a development program focused on maturing Titan aerobot technology in the areas of mechanical and thermal subsystems. Results from four key activities are described: first, a cryogenic balloon materials development program involving coupon and cylinder tests and culminating in the fabrication and testing of an inflated 4.6 m long prototype blimp at 93 K; second, a combined lab experiment and numerical simulation effort to assess potential problems resulting from radioisotope power source waste heat generation near an inflated blimp; third, an aerial deployment and inflation development program consisting of laboratory and helicopter drop tests on a near full scale (11 m long) prototype blimp; and fourth, a proof of concept experiment demonstrating the viability of using a mechanically steerable high gain antenna on a floating blimp to perform direct to Earth telecommunications from Titan. The paper provides details on all of these successful activities and discusses their impact on the overall effort to produce mature systems technology for future Titan aerobot missions.     

Chaboche随动硬化模型参数确定及棘轮效应

采用遗传算法确定不同Chaboche随动硬化模型的参数,得到的3种模型中,四分量模型对棘轮的预测与试验结果符合最好.增大应力幅值或应力平均值,都会使应变峰值增大,应变累积速度加快;利用确定的四分量模型研究加载顺序对棘轮的影响.结果表明,平均应力加载顺序对棘轮预测有较大影响,加载顺序高-低的累积应变低于加载顺序低-高的累积应变,而且先加载的平均应力越大,后加载的载荷产生的累积应变越小;而应力幅值加载顺序对应变累积几乎没有影响.     

S形进气道/JT15D-4涡扇发动机地面实验与数值模拟

为进一步研究所设计的S形进气道与涡扇发动机共同工作时对发动机性能和稳定性的影响,制作了S形进气道1∶1玻璃钢模型,安装在小型涡扇发动机JT15D-4上,观察发动机在地面台架条件下的工作状态,并进行了相关数据的测量.利用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法进行同样条件下的进气道数值仿真计算.将计算结果与实验结果相比较,结果表明:两种方法得到的数据相吻合,一方面说明所设计的S形进气道与发动机匹配良好,能够保证发动机的正常运转;另一方面说明,CFD方法可用于进气道的设计验证.     

电液负载仿真台的理论分析

对电液负载仿真台进行了深入的理论分析,建立了电液负载仿真台的数学模型,揭示了影响负载仿真台的各种因素,仿真分析了结构参数对电液负载仿真台频率特性的影响.结果表明:加载系统负载刚度和泄漏系数的提高,以及马达排量和有效容积的减小都有利于加载系统快速性的提高.加载系统结构参数的合理选择是实现电液负载仿真台高性能的关键,因此对高性能负载仿真台的研制具有理论指导意义.