先进复合材料格栅结构与大型飞机

复合材料低成本制造技术是先进复合材料格栅结构能否广泛应用的关键.目前,以混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤一互锁及其增强改进工艺为代表的工艺方法已经取得较大的成功和应用,我们应该继续研究可靠性高、可重复性强和自动化的成型工艺方法,引进和发展大型AGS结构的自动化生产设备.     

先进复合材料格栅结构(AGS)应用与研究进展

 具有空间点阵的先进复合材料格栅结构（AGS）是一种新型高效的结构形式，在航空、航天结构中具有良好的应用前景。介绍了AGS优良的各项性能以及在美、俄等国航空、航天工程中的应用现状，着重描述了混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤 互锁格栅结构几种现行工艺方法，并对当前国内外针对格栅结构的力学性能和结构健康监测的研究进行了概述。最后提出了AGS进一步研究的工作展望。     

复合材料典型加工结构工艺数据库系统的设计与实现

围绕航空航天等领域碳纤维复合材料关键零件制造需求,针对复合材料构件的孔、开口和切边等典型加工结构,分析并优化复合材料典型结构加工的刀具和工艺参数。构建了包含加工专用刀具、典型加工结构、加工损伤与质量评价、加工工艺参数以及加工工艺方法在内的可集成、网络化、开放性、易于扩充的典型加工结构高效加工工艺数据库。     

复合材料格栅结构研究进展与应用

介绍了格栅复合材料的结构特征及其制备工艺。同时,对复合材料格栅结构分析设计、性能测试和该结构在航空、航天工程中的应用现状进行了概述。     

复合材料格栅结构稳定性与优化分析

阐述了复合材料格栅结构稳定性及优化分析方法研究概况。指出在格栅结构初级设计阶段可利用拟膜分析法对等效的格栅平板、圆筒及锥筒进行整体屈曲计算即可,而对于复杂构型格栅结构,由于不对称性及拉-压-扭耦合效应存在很难获得解析解,需借助有限法对结构进行非线性求解而求得其真实力学响应,同时还介绍了其他算法,如遗传算法。最后介绍了复合材料格栅结构破坏机理的一些试验方法。     

民用飞机复合材料结构制造工艺变化的等效性验证

高性能复合材料已经大量应用于民用运输飞机结构,并以飞机主制造商协同供应商的方式进行复合材料飞机结构的制造。介绍了航空器适航审定对复合材料结构制造的适航要求,引出了复合材料结构制造工艺变化的等效性验证方法。目前,复合材料结构制造工艺变化的等效性验证是通过所制造复合材料物理的、化学和基本力学的性能试验,并对试验结果进行统计分析来实现的。最后提供了等效性验证的接受准则。所述内容,对国内民用飞机复合材料结构在不同供应商处制造以及制造过程中工艺变化如何满足航空器适航审定要求提供借鉴;对其它行业复合材料结构制造的质量控制也有借鉴意义。     

飞行器结构用复合材料制造技术与工艺理论进展

复合材料结构制造工艺是复合材料应用的关键,也是结构设计得以实现的关键。复合材料制造工艺的特殊性和复杂性,使其成为了结构可靠性、制件质量和成本控制的核心技术。近些年来,随着先进复合材料在航空航天领域的广泛应用,复合材料制造技术与工艺理论得到了很大发展。本文即围绕飞行器结构用复合材料,归纳作者掌握的资料,结合作者近期研究成果,介绍先进复合材料制造技术与工艺理论的国内外研究进展,阐述复合材料工艺质量控制的主要方法,展望复合材料制造新技术的未来发展方向,以期促进我国航空航天领域复合材料用量与应用水平快速提高。     

高性能树脂基复合材料轻质结构3D打印与性能研究

树脂基复合材料轻质结构具有轻质、高性能等优点,广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。通过对传统树脂基复合材料轻质结构制造工艺的综述分析,发现传统制造工艺具有过程复杂、周期长和生产成本高等缺陷,限制了树脂基复合材料轻质结构的发展。3D打印是一种先进的零件成形工艺,可实现复杂结构零件的快速制造,为高性能复合材料轻质结构的一体化制造提供了可能。介绍了树脂基复合材料轻质结构3D打印的研究进展,提出了基于连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的高性能复合材料轻质结构的一体化制造工艺,并对其性能开展了初步研究。     

复合材料的切割

切割加工是复合材料制造工艺中一个重要环节。本文介绍了复合材料常用切割方法,对高压水切割、机械切割等切割方法的工艺参数进行了实验研究。从切口质量、切割效率、切割成本等方面对常用切割方法进行了对比,并分析了不同切割方法对材料的影响。     

航天先进树脂基复合材料制造技术及其应用

主要介绍了我国航天工业领域先进树脂基复合材料的原材料(增强材料和基体树脂)、成型工艺技术(热压罐工艺、RTM工艺、缠绕成型工艺、自动铺放技术)和复合材料制品的加工装配工艺技术和应用等方面的最新进展,并讨论了我国航天先进树脂基复合材料制造技术的发展趋势。     

任意平面域的三角形网格和混合网格生成

本文以阵面推进法为基础,给出了一种可对任意平面域进行三角形网格和混合网格自动生成的方法。该方法包含了易于生成与调控的矩形背景网格技术,简便的外形输入和初始阵面划分技术,加速查寻的数据结构,以及节点松弛和基于Ｄｅｌａｕｎａｙ准则的对角线交换技术。网格生成的实例表明,方法能快速可靠地生成任意平面域的高质量三角形网格和适于粘性计算的三角形／四边形混合网格,具有较好的通用性与实用性。     

基于Delaunay背景网格插值和局部网格重构的变形体动态混合网格生成技术

建立了一种基于Delaunay背景网格插值方法和局部网格重构方法相结合的变形体动态混合网格生成方法.首先利用作者发展的定态混合网格生成技术生成变形体初始网格,即变形体附近利用结构化的四边形网格,外场采用自适应Cartesian网格,中间由三角形网格过渡.当物体运动或变形时, 首先利用Liu和Qin提出的基于Delaunay背景网格的插值方法对变形体附近的网格进行变形;当物体运动或变形位移很大导致局部网格质量急剧下降、甚至网格相交时,则在局部重新生成网格.利用该方法生成了多种变形体外形的动态混合网格,如单个鱼体、双鱼串列巡游,昆虫单翼、双翼扑动,多段翼型变形等,并在鱼体巡游的非定常数值模拟中得到了应用.     

复杂外形的动态混合网格生成方法

本文将层推进方法、四分树方法和阵面推进法相结合,建立了二维复杂外形的动态混合网格生成方法.首先用层推进方法在运动物体附近生成贴体的四边形网格,然后用四分树方法在外场生成自适应的矩形网格,而中间由三角形网格过渡.三角形网格由阵面推进法生成,并由节点松弛和"对角线交换"方法进行优化.当物体运动时,贴体的四边形网格随物体运动而运动,而外场的矩形网格保持静止.中间过渡层的三角形网格随物体运动而变形.当物体运动位移较大导致出现质量较差的单元甚至导致网格相交时,则在局部重新生成网格.利用上述动态混合网格生成方法,生成了多种含相对运动的复杂外形的动态混合网格,网格质量令人满意.     

混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。     

矩形/非结构混合网格技术及在二维/三维复杂无粘流场数值模拟中的应用

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术,其中非结构网格仅限于物面附近,发挥非结构网格的几何灵活性,以少量的网格模拟复杂外形;同时在以外的区域采用矩形结构网格,发挥矩形网格计算简单快速的优势,有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。混合网格系统由修正的四分树（２Ｄ）／八分树（３Ｄ）方法生成。本文将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算,消除了全矩形网格模拟曲面边界的台阶效应,同时保证了网格间的通量守恒。该算法被成功地运用于ＮＡＣＡ００１２翼型的跨、低超声速绕流,二维弯管内运动激波的非定常流,以及三维捆绑火箭的超声速绕流的数值模拟。计算结果表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性。     

夹层结构前机身有限元分析与优化设计

选用二次等参夹层板壳单元进行结构分析,单元面板厚度及芯层高度作为优化设计变量。对复合材料面板,则每~铺层层数作为设计变量。对复合材料夹层结构前机身模拟试验件进行了有限元分析,在位移和尺寸约束下,对复合材料夹层结构前机身进行了优化设计,并获得满意结果。     

非结构CFD软件MPI+OpenMP混合并行及超大规模非定常并行计算的应用

常规工程应用中，非定常数值模拟（如多体分离）的计算量十分巨大，如果为了达到更高的计算精度，加密网格或者采用高精度方法将会使得计算量进一步增大，导致非定常数值模拟在CFD工程应用中成为十分耗时和昂贵的工作，因此，提高非定常数值模拟的可扩展性和计算效率十分必要。为充分发挥既有分布内存又有共享内存的多核处理器的性能和效率优势，对作者团队开发的非结构网格二阶精度有限体积CFD软件（HyperFLOW）进行了混合并行改造，在计算节点间采用MPI消息传递机制，在节点内采用OpenMP共享内存的MPI+OpenMP混合并行策略。首先分别实现了两种粒度（粗粒度和细粒度）的混合并行，并基于国产in-house集群采用CRM标模（约4 000万网格单元）定常湍流算例对两种混合并行模式进行了测试和比较。结果表明，粗粒度在进程数和分区数较少的小规模并行时具有效率优势，16线程时效率较高；而细粒度混合并行在大规模并行计算时具有优势，8线程时效率较高。其次，验证了混合并行在非定常计算情况下的可扩展性，采用机翼外挂物投放标模算例，分别生成3.6亿和28.8亿非结构重叠网格，采用对等的（P2P）网格读入模式和优化的重叠网格隐式装配策略，网格读入和重叠网格装配耗时仅需数十秒；采用3.6亿网格，完成了非定常状态效率测试及非定常分离过程的湍流流场计算，在in-house集群上12 288核并行效率达到90%（以768核为基准），在天河2号上12 288核并行效率达到70%（以384核为基准），数值模拟结果与试验结果符合良好。最后，在in-house集群上采用28.8亿非结构重叠网格进行了4.9万核的并行效率测试，结果显示，4.9万核并行效率达到55.3%（以4 096核为基准）。     

A 3D hybrid grid generation technique and a multigrid/parallel algorithm based on anisotropic agglomeration approach

A hybrid grid generation technique and a multigrid/parallel algorithm are presented in this paper for turbulence flow simulations over three-dimensional (3D) complex geometries. The hybrid grid generation technique is based on an agglomeration method of anisotropic tetrahedrons. Firstly, the complex computational domain is covered by pure tetrahedral grids, in which anisotropic tetrahedrons are adopted to discrete the boundary layer and isotropic tetrahedrons in the outer field. Then, the anisotropic tetrahedrons in the boundary layer are agglomerated to generate prismatic grids. The agglomeration method can improve the grid quality in boundary layer and reduce the grid quantity to enhance the numerical accuracy and efficiency. In order to accelerate the convergence history, a multigrid/parallel algorithm is developed also based on anisotropic agglomeration approach. The numerical results demonstrate the excellent accelerating capability of this multigrid method.     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。