基于数字孪生的航天电推进器优化设计方法

针对以引力波探测为代表的空间科学任务和以“国网星座计划”为代表的商用卫星网络任务对推进器的特殊需求，本文提出了一种基于数字孪生的推进器优化设计方法。该方法首先建立由机理模型模块和测试数据集模块组成的数字孪生体。机理模型模块依据推进器的物理过程建立模型，对难以测量的数据进行仿真模拟；测试数据集模块通过实验对推进器进行测试，依靠测试数据建立可测参数的数学模型。将数字孪生体与实验进行对比，通过对比结果反馈调节机理模块从而不断提高孪生体的准确性，最终为优化设计提供依据。结果表明：(1)该方法能够构建微波离子推进器的数字孪生体；(2)该数字孪生体的预测结果存在一定差异，通过分析发现该差异与机理模型的精细度以及测试数据集的数据量有关。     

液体火箭发动机旋转式唇形密封圈脱开转速计算

针对火箭发动机涡轮泵端面密封结构中旋转式唇形密封圈的“脱开式”密封特性,基于丁腈橡胶材料单轴拉伸试验数据,借助非线性有限元软件ABAQUS,建立了唇形密封圈的“解析刚体-超弹性体”组合有限元模型.计算了在过盈装配预紧力、弹簧径向力、燃料介质压力及旋转离心力作用下,密封圈的Von-mises应力分布及变形情况,根据密封圈接触状态转化,获得了密封圈的脱开转速区间.最后进行了唇形密封圈的水运转试验,提出了用于测量密封圈脱开转速的逆向测量方法,试验结果与计算结果吻合,从而验证了计算结果的正确性.     

数字化制造技术在液体火箭发动机导管定制化加工中的应用

针对液体火箭发动机导管定制化生产的特点,通过构建发动机参数化模型并依据现场实际测量数据进行参数化驱动,基于该模型开展以导管端面与其轴线垂直度、导管对接错位值等偏差最小为约束条件的导管虚拟装配和加工余量计算方法研究,确定最优导管加工方案,用虚拟环境中与现场实物状态一致的三维模型进行装配仿真代替目前在物理环境中采用的实物比...     

基于Pro/E的参数化驱动固体发动机模装设计

为实现参数化驱动的固体火箭发动机结构设计、零件装配及其与平行层燃面退移的一体化集成，以Pro/E族表技术为核心，利用WinForm框架和XML等技术，提出了实现固体火箭发动机结构参数化模装设计和整机自动化装配的技术途径，实现了发动机各零部件三维模型的参数化驱动及发动机整机的自动化装配，实现了复杂三维药柱退移过程中的拓扑结构变化。该研究开发完成固体火箭发动机结构参数化模装设计软件系统，系统中包含29个发动机零件，通过灵活设定结构参数，可自动化构建多达720种不同结构形式的发动机结构实体模型，实现平行层燃面退移，得到发动机工作过程中的动态结构质量特性，同时计算出发动机的内弹道性能，并且具有可扩展性。该技术能够为进一步研究固体火箭发动机的设计、仿真、优化的一体化系统奠定基础。     

空间电源数字孪生系统

数字孪生系统是一种详细描述现实系统的数字化模拟系统,基于虚拟空间中的模型理解、预测、优化和控制现实系统,与现实系统具有实时性、同步进化性和交互性。为满足未来空间飞行器智能化、高机动性、多目标任务的特点,需要提升空间电源系统智能化监测管理能力。本文分析了空间电源数字孪生系统的构成要素,从数字孪生模型构建、新型传感技术以及数据驱动原理出发,构建数字孪生系统。依据天上-地面-数字空间各1套电源系统的原则,实现对空间电源荷电状态、电源健康状态等性能进行精准状态诊断和预测并优化控制策略,在保证飞行器任务实现的前提下提高电源系统的可靠性。     

发射场地面发射支持系统数字孪生架构及应用

针对航天发射场地面支持系统远程监测诊断、智能维护保养和自主决策控制等应用需求,提出了面向地面发射支持系统的数字孪生参考架构,提炼了实现数字孪生的关键技术。结合我国首型固液捆绑运载火箭塔式吊装对接工作,开发了基于参考架构的运载火箭塔式吊装对接仿真平台。经实际运行考核,该平台基于虚实空间交互映射和实时动力学仿真,通过丰富吊装场景监控信息,能够提高吊装对接工作的安全性和效率;同时,验证了数字孪生参考架构设计的合理性及技术路线的可行性。     

固体火箭发动机冷增压试验系统的设计与应用

针对固体火箭发动机药柱点火瞬态过程应变难以测量的工程难题,研制了固体火箭发动机冷增压试验系统.该系统利用高压气体对药柱内腔进行加压,模拟发动机点火增压过程,实现了药柱内表面应变的实时测量.利用该系统对某型号固体火箭发动机进行了冷增压试验,并将试验结果与数值仿真结果进行了对比,二者相对误差在8％以内.该试验系统操作方便,...     

液体火箭发动机异构CAD三维模型装配技术分析与应用

针对某新型液体火箭发动机三维模型装配技术应用现状,不同三维建模工具之间数据格式互不兼容,不能相互调用,以及在产品数据管理系统中,异构CAD三维模型装配无法自动生成产品BOM结构,装配信息无法跨软件进行传递。对Pro/E与NX三维模型相互调用、异构三维模型装配、产品BOM结构自动生成、更改同步等问题进行了研究,采取轻量化模型JT和中间格式进行装配实现异构CAD三维模型的装配和管理,采用轻量化模型JT装配方法,既可以保证JT与三维模型的一致性,也可以实现装配BOM结构的自动生成和更新。采用STEP中间格式进行装配,解决了产品数据管理系统中对轻量化模型转换控制,降低了CAD集成环境下异构三维模型的装配要求,确保了STEP文件与三维模型的一致性,实现了异构CAD三维模型在统一环境下BOM结构的自动更新和发动机技术状态的管控。     

基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术研究

对数字孪生技术和运载火箭结构设计制造与验证的数字化技术现状进行介绍,在此基础上对基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术开展论证,主要包括基于数字孪生的结构设计技术、基于数字孪生的结构制造仿真技术和基于数字孪生的结构试验仿真与控制技术3个方面。与现有技术相比,基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术增加了面向过程的虚拟映射、模型驱动和数字管理等关键要素,加强了模型和数据对结构研制过程的预测、监测和控制作用,能够进一步提高设计效率,加快试验周期,提升结构的精细化和轻量化水平。     

氢氧发动机数字主线框架及关键技术研究

为建立氢氧发动机全生命周期完整、连续的数据链,本文以模型和数据驱动研制,构建氢氧发动机数字主线。通过分析数字主线的现状及内涵,结合氢氧发动机研制特点,聚焦模型、数据的定义和组织,提出了氢氧发动机数字主线的总体框架、数据架构及构建方式。突破多态模型定义技术、基于模型的物料清单(BOM)视图关联技术、基于图数据库的数字主线追溯技术等关键技术,构建氢氧发动机数字主线,验证构建方法及应用效果。     

固体火箭发动机喷管橡胶堵盖承压状态仿真方法研究

针对固体火箭发动机喷管橡胶堵盖的受力状态,提出了一种基于Abaqus仿真建模及有限元仿真计算方法.通过橡胶堵盖组成材料(橡胶及夹布)应力-应变曲线及数据拟合,归纳出选择材料本构时应注意的问题;根据堵盖的实际产品状态、结构形态,提出了相关假设,建立了一种简化的有限元模型,并对某固体火箭发动机橡胶堵盖0.3 MPa的承压工...     

基于神经网络算法的液体火箭发动机实时故障检测方法研究

以某液体火箭发动机为研究对象,将实时故障检测作为中心,分析了神经网络算法的特点及其实现步骤,利用Lab Windows/CVI与MATLAB混合编程的原理,实现和改进了基于神经网络的发动机实时故障检测方法,并用多次试车数据进行了检验.试车数据验证结果表明,该方法能及时、准确、有效地检测发动机稳态过程的故障.研究结果对发展未来液体火箭发动机的箭载故障检测系统具有重要的参考价值.     

固体发动机人工脱粘的二维实验与数值模拟

针对固体火箭发动机前封头人工脱粘缝隙,设计了二维实验装置,用来模拟发动机点火过程中前封头人工脱粘位置受到点火冲击后的应力-应变情况.同时,采用流固耦合的数值方法,对比计算了实验工况,计算得到人工脱粘根部的应力-应变与实验吻合很好.通过数值研究发现,点火初期燃气对人工脱粘部位的冲击,会引起缝隙内部的压强振荡及装药表面的振...     

基于RVM的液体火箭发动机试验台故障预测方法

液体火箭发动机试验台故障预测问题实际上是与试验台相关的参数预测问题,通过预测相关参数在试验台运行过程中的变化趋势,可以判断试验台未来某一时刻是否可能发生故障。由于液体火箭发动机试验台系统复杂、不易建模,提出了一种相关向量机(relevancevector machine,RVM)故障预测模型。在模型的训练阶段,根据数据序列的特征,分别采用单参量、相空间重构和多参量的方法进行了模型的训练,然后利用训练好的模型对试验台总体健康度和启动过程推力进行了趋势预测。预测结果表明,该方法能有效地跟踪试验台可能发生的故障及故障发展趋势。     

6061铝合金激光焊温度场与应力场数值模拟研究

为了解决激光焊接铝合金对接接头的质量问题，本文采用热-结构耦合有限元技术，建立了在移动高斯热源作用下的三维激光焊接温度场和应力应变场的计算模型。首先，利用有限元软件MSC.Marc模拟焊接过程中试片级试样的温度和应力的变化及其变形情况;其次，研究试样瞬态温度场和应力应变场的变化规律及其分布特征;最后，探讨激光功率和焊接速度对接头质量的影响规律。试验中所选取的激光功率和焊接速度等工艺参数均通过数值模拟进行优化，并根据优化后的工艺参数完成激光焊接4 mm厚6061-T6铝合金平板对接试验。通过对焊接接头形貌的观察及分析进行热源校核，结果表明:仿真计算得到的焊接熔池边界温度达到6061铝合金熔点以上，且其形状分布与实际试验所得焊缝边界基本吻合，从而验证了模拟结果的准确性和可靠性。     

固体火箭发动机药柱可靠性及寿命预估研究

以某型号固体火箭发动机推进剂力学性能随贮存时间变化引起药柱点火工作瞬时结构可靠性降低为衡量指标,预估了发动机寿命。首先研究了发动机自然贮存2、4、12、14、16 a后推进剂的力学性能参数及其分布规律,然后用随机有限元法分析了发动机点火过程中的应力、应变的统计分布,并用应力-强度干涉模型计算了贮存不同时期药柱的点火瞬时可靠性,以此为依据确定了发动机可靠寿命。研究结果表明,该型号发动机以0.97为可靠性下限的寿命约为15 a。     

一种固体火箭发动机内弹道性能数字仿真研究

研究了固体火箭发动机内弹道性能数字仿真方法，包括确定其随机变量，提出根据试验数据修正压强和推力的计算公式和数字仿真模型。该方法可用于固体发动机方案选择、性能评定及流场计算。对某固体火箭发动机的内弹道性能进行了数字仿真，得出了燃烧时间平均压强和平均推力、最大压强、比冲和总冲等内弹道性能参数的均值和方差。计算结果和实验数据符合较好，说明该仿真模型计算可靠。     

一种基于聚类分析的液体火箭发动机稳态过程故障诊断方法

液体火箭发动机故障诊断技术是提高液体火箭可靠性的重要手段,基于数据分析的发动机故障诊断方法是其未来重要发展方向。本文通过分析液体火箭发动机稳态过程仿真数据,提出了一种使用发动机稳态过程正常状况/故障状况数据类来实施故障诊断的方法。利用液体火箭发动机稳态过程正常状况/故障状况的仿真数据,对这一方法的正确性进行了初步分析。仿真分析结果表明,这一方法有效实用,其故障诊断效果取决于所使用的发动机正常状况/故障状况数据类的完备程度与数据质量。本文研究为液体火箭发动机稳态过程故障诊断提供了新途径,对推动液体火箭发动机故障诊断技术发展具有一定意义。     

弹用涡扇发动机模拟装配系统及其关键技术

为提高弹用涡扇发动机的装配质量,提出了计算机辅助模拟装配系统,建立了模拟装配的系统框架,给出了包含层次结构关系、零部件之间配合关系和尺寸链信息在内的涡扇发动机装配模型;提出了基于模拟退火的自动优化配套算法,并且结合尺寸链计算对涡扇发动机关键装配工序进行工艺优化和分析;最后介绍了涡扇发动机模拟装配系统的运行过程。     

航空发动机多变量神经网络自适应控制仿真研究

针对航空发动机是一个具有强非线性、时变不确定性的被控对象,提出了一种基于RBF网络的航空发动机多变量神经网络自适应控制方法,该方法采用RBF网络对发动机非线性模型进行实时辨识,并将系统的灵敏度信息反馈给神经网络控制器,保证了控制器对被控对象的准确控制.通过某涡扇发动机在飞行包线内的数字仿真,结果表明该方法不依赖被控对象的精确模型,有效地实现了对发动机的多变量自适应控制,而且具有较好的动静态性能.