基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.     

多轴振动台台面频率优化

在三轴六自由度振动台台面设计中,为了满足台面的动特性和质量要求,开展了基于台面高度、筋板布局及厚度等参数的频率优化设计工作。采用ANSYS软件的参数化设计语言实现了该问题的程序化。优化后的结构质量满足设计要求,频率显著提高。     

动态无线能量传输系统参数化设计与优化

无线能量传输技术以其操作方便快捷、适应快速更换及维修、减少机动作业无缆影响、可快速扩展、大幅减小设备电池质量、无触电危险、极限环境适应性强等特点被广泛应用于各领域。针对给定输入和约束,要求对动态无线能量传输系统的耦合机构尺寸和电路参数进行充分优化设计以满足一定输出功率效率的需求。经过前期对电路和耦合机构磁路的理论及仿真研究,得到了系统各参数变化时将导致系统输出特性随之如何变化的理论依据。基于此,建立了动态无线能量传输系统的参数化设计模型,并进行优化设计流程及步骤,以最简化的计算流程和最少的工作量,实现了动态无线能量传输系统的发射轨道和电路的参数化设计。该研究将对动态无线能量传输系统的多目标多参数化自动最优化设计具有重要的指导意义。     

倾斜轨道卫星组合式散热面优化设计方法

提出一种基于传统被动热控设计思路的组合式散热面优化设计方法,通过优化散热面布局和合理利用空间外热流,实现热控系统热量合理分配,优化热控系统研制流程。以某卫星的优化设计实践为例,基于该方法建立的简化模型可以快速地确定散热面的布局和比例,并减小热控系统质量,表明该设计方法合理、可行。     

复合材料桁架式机架设计方案

为进一步降低某上面级发动机机架结构质量,对其高强度钢的桁架式机架开展了以复合材料替代金属的设计方案研究。通过对原金属桁架式机架力学设计特性分析,在保持原结构对接参数及外形尺寸不变的情况下,提出了一种碳纤维/环氧树脂复合材料机架的设计方案,并重点对杆件结构进行详细设计及影响参数分析。首先,采用基于Matlab软件的遗传算法优化工具箱对杆件截面尺寸及纤维缠绕角度优化,然后对接头结构进行设计,并组装成复合材料整体机架,对强度、刚度及稳定性等参数分析及校核。研究结果表明:新设计复合材料机架在满足原机架基本设计要求基础上,相对于原机架实现了40%以上的减重。研究方法可为复合材料桁架结构设计研究提供借鉴。     

火箭发动机七机并联机架预应力模态分析及优化

针对新一代载人运载火箭七台火箭发动机并联机架在大推力作用下的非线性振动问题,开展了七机并联传力机架的预应力模态分析及优化设计方法研究。以该研究为基础,发展了一种预应力条件下机架材料等效替换方法。在不改变结构传力路径的情况下,通过结构预应力频率优化设计,能够有效降低机架材料物性参数改变所带来的低阶预应力频率误差,以此降低传力机架在动静联合试验时的试验成本。针对七机并联机架结构开展了钛合金和不锈钢材料等效替换,结果表明优化后的不锈钢机架相比原始的钛合金机架,刚度和动力学特性变化维持在合理变化范围之内,验证了该方法的有效性。     

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。     

固体火箭推进剂药柱优化设计方法的进展

根据对有关文献的分析,介绍了模型搜索技术结合简化性能模型的优化设计方法,该方法是以发动机的推力-时间曲线为优化目标进行药柱几何形状的优化设计,简化了设计分析,达到了“速度和精度”的折中要求,大幅度的缩短了设计周期.     

飞行器热气动布局优化设计研究

开展飞行器热气动布局设计方法研究,初步建立了高速飞行器概念设计阶段的热气动布局优化设计方法,通过参数化布局设计技术、气动力、热环境、弹道及优化技术等多学科性能分析及优化方法的综合应用,进行飞行器的热气动布局设计。对带控制舵钝双锥体机动飞行器的设计研究表明,考虑热环境的热气动布局可以在保证升阻比不变的条件下,降低驻点及第二锥身等特征点的轨道峰值热流达30%以上。
     

基于特征参数化方法的异构CAD卫星三维协同布局设计

针对卫星异构CAD间的基于模型的定义(Model Based Definition,MBD)三维模型批量转换和协同布局设计过程中存在的信息丢失、效率较低等问题,文章提出一种应用特征参数化方法的三维模型转换方法,对MBD三维模型的几何特征与非几何特征进行结构化、参数化,通过可扩展标记语言(Extensible Markup Language,XML)技术实现参数数据的跨CAD系统转换。同时,基于此方法,对三维模型的位置、旋转角度等布局特征进行参数化表达,通过XML表单共享布局数据,驱动不同CAD系统内自动创建布局模型,避免了跨CAD系统的复杂装配模型的频繁互相转换。基于二次开发,实现了上述方法的自动化,并应用于实际卫星研制中,验证了方法的可行性和有效性,此方法可为各类异构CAD系统间三维模型转换提供参考。     

中心射流泵多参数优化设计

目前中心射流泵的优化设计,最多同时选取2个参数进行分析,由于影响性能的参数较多,很难得到最优结构。本文基于参数化建模,采用多参数优化设计方法,同时分析了面积比、喉嘴距、喉管长径比、渐缩段角度4个参数与中心射流泵性能的关系,得到了设计点下的最优结构。     

高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

基于iSIGHT集成平台的次镜支撑结构优化设计

空间遥感相机次镜支撑结构的稳定性对相机的成像品质具有很大的影响,对其进行分析和优化设计具有重要意义。通用的有限元分析方法无法对复杂结构自动进行多目标、多约束及多设计变量的优化设计。文章研究了以 iSIGHT 为集成平台的多目标优化设计方法及复杂结构的参数化有限元模型的建立方法,设计了次镜支撑结构的优化策略;通过分析得到了影响次镜支撑结构稳定性的各变量的灵敏度、设计空间及最优设计方案,结构性能大大提高。这种优化方法可以快速地找到最优方案,大大提高优化效率及产品的可靠性,可应用于其它次镜支撑结构设计乃至整个遥感器的设计中。     

液体火箭发动机阻尼机架减振特性研究

对具有橡胶——惯性结构的火箭发动机机架简化模型中动态载荷传播特性进行了研究。机架内动态载荷在依次通过橡胶-惯性结构粘贴位置时，携带的部分动能传递到橡胶材料内，导致机架内应力幅值显著低于能量交换前的应力。通过分析橡胶材料内外表面的速度，发现速度差引起了橡胶阻尼材料沿轴向发生剪切加载和卸载过程，并导致机架传递到橡胶材料的动态能量发生剪切变形的过程中被耗散吸收；此外，机架内动态载荷大小与机架内质点速度的变化量有关，机架内质点动能减小及运动速度降低是引起机架动态载荷幅值降低的根本原因。     

变截面加筋板尺寸-布局一体化设计

为了提高加筋板结构的开口补强效率,文中提出了一种新型变截面加筋构型。通过丰富加筋结构层级,有效抑制了开口引发的失稳变形扩展,从而提高了结构的承载能力。在优化设计中,为了合理缩减设计变量的数目,文章采用函数变量来分别描述加筋层级与布局的变化规律。进而基于代理模型,实现了尺寸-布局一体化设计。最后,与等尺寸、等布局优化方法及等布局、尺寸余弦分布的优化方法的结果进行对比,凸显了文中所提出的一体化设计方法的简洁与有效。     

复合材料易碎盖薄弱区结构的参数化设计

针对复合材料易碎盖薄弱区结构进行力学性能分析,提出了薄弱区结构参数化设计方法。对发射箱盖整体进行数值模拟,确定了薄弱区局部模型分析的边界条件和载荷。计算薄弱区结构模型在11种拉弯耦合载荷作用下的承载能力,绘制强度包络线,分析了薄弱区内外侧搭接布条的长度与厚度对其性能的影响。根据最大主应力强度准则,计算得到薄弱区结构在不同拉弯比例下的强度随结构参数变化的曲线,进而对薄弱区结构进行参数化设计。根据参数化设计方法,设计了2种易碎盖进行冲破实验。结果表明,搭接长度主要影响薄弱区结构的剪切强度,而搭接厚度主要影响薄弱区结构的拉伸强度;设计结果与实验结果差距在10%左右,验证了设计方法的可行性。     

提高变质心飞行器可操纵性的方法研究

针对滑块运动容易引起系统抖动,以及惯性主轴偏移引起系统耦合严重等问题,基 于达朗伯原理对变质心飞行器结构布局进行了设计。其特点是：以主动控制力、约束 反力这两种内力替换滑块受到的惯性力,代入弹体、滑块动力学模型中,并依靠内力、过载 等物理量设计系统布局参数。布局设计后特点是两滑块运动通道分别重合于弹体惯性主轴方 向,通过与典型布局模型相比较,显示了所提出的布局结构可保证系统具有良好的动态品质 。     

优化方法在电子学支架模型修正中的应用

文章针对电子设备支架的动力学建模中由于简化及人为引入阻尼造成的模型误差问题,开展了基于随机振动试验数据的模型修正工作。采用参数优化方法建立了支架随机振动响应修正的数学模型。用ANSYS参数化设计语言(APDL)对该问题进行了优化求解,修正后的模型能够满足工程应用要求。     

三维编织复合材料细观结构参数对有效弹性模量影响

应用细观力学方法对三维编织结构复合材料的有效性能进行预测是研究编织复合材料宏观性能的重要途径。细观结构参数决定编织体内纤维束的结构形态特征及复合材料的各种性能。根据作者提出的三维四向编织复合材料代表单元模型 ,文章应用选择平均法 (SAM)详细的分析了主要细观结构参数(单步步长、纤维束弯曲半径 )与编织体有效弹性模量之间的变化关系 ,分析了细观结构参数对编织体有效弹性模量的影响 ,为材料优化设计奠定基础     

考虑舱段连接结构非线性的运载火箭动力学建模

在运载火箭总体结构动力学分析的建模中,通常对于不同的响应分析问题,例如轴向或横向响应分析,分别构造特定的动力学简化模型进行计算。虽然这种方法针对性强且能达到特定响应设计指标的验证需求,但会忽略不同方向响应之间的耦合作用。提出一种可表征舱段连接结构非线性特征的模型,并给出基于静力分析或静载试验进行识别参数建立运载火箭结构横纵耦合分析模型的方法。一方面保留表征舱段的线性梁模型,通过局部刚体化降阶来保证计算效率,另一方面引入连接结构非线性模型提高响应预测精度,二者结合实现运载火箭结构的简化动力学模型装配,完成横纵两方向响应预测。数值结果表明,所提简化模型能够比较精确地模拟不同边界条件与载荷下运载火箭连接结构的非线性动力学特性,能够有效揭示横纵耦合振动特性。利用所提模型,可为火箭结构预研、总体设计、动力可靠度分析与轻量化设计提供有效的分析工具。