SPH方法在层裂损伤模拟中的应用

采用光滑粒子流体动力学方法和Johnson—Cook拉伸累积损伤破坏模型,分别对工业纯铁和无氧铜两种材料的平面碰撞问题作了数值模拟。给出了靶板层裂损伤的二维数值模拟结果。通过对比自由面速度曲线的计算结果和实验数据,二者吻合的很好,验证了SPH方法层裂破坏问题数值模拟的有效性。通过分析由不同拉伸损伤时间常数得到的自由面速度曲线,表明拉伸损伤时间常数对计算结果有重要影响。     

基于CVAE的超高速碰撞碎片云运动过程的快速预测技术

在航天器防护构型设计中，需要快速、精确预测空间碎片超高速撞击防护屏产生碎片云的质量分布及其运动过程。采用深度学习方法，基于条件变分自编码器（CVAE）模型和大量铝球超高速正撞击铝板的光滑粒子流体动力学（SPH）方法的数值模拟结果，初步构建了碎片云空间质量分布与运动特征的快速预测模型。数值模拟中把铝球速度（3.00～8.00 km/s）、铝球半径（2.00～8.00 mm）、铝板厚度（1.000～4.000 mm）以及观测时间（1.0～12.0 μs） 4个变量作为输入控制参数，生成大量格式统一的训练集数据。模型隐藏层采用200个特征数据来描述碎片云质量分布，训练集参数范围内平均误差在0.6%以内，生成一个碎片云质量分布的平均时间小于7 ms。     

爆炸解体空间碎片的空间密度分布

利用NASA爆炸解体模型研究了由爆炸解体而产生的空间碎片的分布情况,并通过对大种群空间碎片进行快速轨道演化,获得了所有历史上爆炸解体而产生的空间碎片在当前时刻的分布情况,为建立空间碎片环境工程模型提供了一部分参考数据。文中对后续的研究工作具有一定的参考价值。     

空间碎片超高速碰撞问题的SPH方法模拟

采用Tillotson物态方程和Steinberg-Cochran-Guinan(SCG)本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法对铝质球形弹丸和柱状弹丸超高速撞击薄铝靶作了数值模拟.对于球形弹丸,通过对比实验结果和计算结果,二者吻合得较好,表明SPH方法能很好地模拟弹丸超高速碰撞问题及碎片云的形成过程.不同长径比的柱状弹丸45o斜碰撞碎片云前端均有一个近似锥形的突出,随着碰撞倾角的增大,突出的锥形前端逐渐消失,喷射角迅速增大,当碰撞倾角达到75o时绝大部分弹丸质量发生了跳弹.比较三种弹丸,长径比大的弹丸对靶板的破坏能力更强.     

航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心(CARDC )开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。     

非定常欠膨胀射流的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对非定常欠膨胀射流进行了数值模拟,将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,对欠膨胀射流问题进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉到包括激波、滑移线、涡环和多级马赫盘等复杂流场结构,与实验照片反映的流动特征吻合较好。此外,两个马赫盘的位置与其他数值结果和实验测量结果吻合很好,表明该方法具有很好的鲁棒性,对非定常欠膨胀燃气射流的数值模拟是有效的。     

基于超分辨率重构方法的湍流流场重构

从低分辨率流场数据中获取精细流场信息具有重要的研究意义。基于卷积神经网络的超分辨率重构方法是近年来发展的一种较为有效的精细流场重构方法。本文采用高效亚像素卷积神经网络（Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network,ESPCN）,对Rayleigh–Bénard（RB）对流的数值模拟数据和湍流边界层（Turbulent Boundary Layer,TBL）的实验测量数据进行了超分辨率重构,并与双三次插值方法（Bicubic Interpolation）的重构结果进行对比。对比结果表明:在较小的下采样比下,ESPCN方法和Bicubic方法的重构精度相当;在较大的下采样比下,ESPCN方法的重构精度明显优于Bicubic方法。此外,ESPCN方法对数据梯度较大区域的超分辨率重构效果优于Bicubic方法。     

考虑系统参数和载荷不确定性的声振分析

为了准确描述随机性对声振系统响应的影响，本文基于单位分解有限元/有限元法和直接概率积分法实现了精确高效的随机声振分析。本文首先通过在声振耦合界面划分虚拟单元、实施坐标变换和引入精确积分方法，发展了新型单位分解有限元/有限元方法。然后将新方法的单元内捕捉波形信息的能力强、系统矩阵规模小、易于处理复数矩阵等优势和直接概率积分法需要重复计算的特点相结合，构建了精确高效的随机声振分析方案。数值算例分析表明，所提方案得到的统计特性均和蒙特卡洛模拟吻合很好，其能够进行可靠的随机响应分析。     

基于多源数据融合的翼型表面压强精细化重构方法

在风洞试验模型表面布置测压孔是获得表面压力分布的重要手段，但受限于空间位置和试验成本，通常难以在复杂模型表面布置足量的测压孔获得完整的表面压力分布信息，直接积分获得的升力和力矩精度不足，因此提出了一种融合稀疏的风洞试验数据和数值计算（CFD）数据的方法，通过较少的风洞测压试验数据获得高精度的压力分布。首先通过本征正交分解技术提取数值计算数据的压力分布低维特征（POD基函数），然后利用稀疏的试验测压数据，通过压缩感知算法获得基函数的坐标，最后将坐标转化到物理空间重构出压力分布。利用定常固定翼型变状态以及变几何变来流状态算例验证该方法的精度，重构结果均能精确匹配试验结果。该重构方法可在一定程度上解决空间受限稀疏观测条件下的分布载荷精细化重构难题。     

复合材料壁板筋条斜削区失效分析

研究了复合材料加筋板筋条斜削区的失效过程并预测了结构的承载能力.利用非线性有限元软件ABAQUS粘接单元模拟筋条与蒙皮的脱层界面.分别使用三维体单元和连续壳单元进行数值模拟计算.采用强度与能量准则预测脱层扩展与结构的失效载荷.计算结果与实验数据比较表明,本文建立的基于粘接单元的分析模型可以很好地模拟筋条斜削区的脱层扩展过程.在此基础上,对不同斜削长度对结构承载能力的影响进行了参数分析.结果表明,增加筋条斜削区长度可以延缓脱层的起始.     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

考虑动力学效应的结冰试验相似准则修正方法

结冰相似准则是将飞行条件转换为试验参数的重要理论方法，然而现有的相似准则多基于小水滴结冰过程而提出，其在应用于大水滴的相似转换时会出现较大偏差。针对这一现状，开展考虑水滴动力学特性的结冰相似准则研究。首先，基于ONERA相似准则，融入关于水滴变形破碎和飞溅动力学特性的相似参数，提出了修正的结冰相似准则；其次，基于这两种相似准则，采用数值模拟的方法计算获得了修正前后的收集系数，并对比验证了修正方法的有效性；最后，分析两种修正方法得到的试验参数随尺寸缩比的变化情况，给出了所修正的相似准则在结冰试验中的应用建议。结果表明，本文修正方法提高了局部收集系数的吻合度，降低了收集系数平均误差和撞击极限误差，且应用该准则得到的缩比试验参数在结冰风洞的设计范围之内。该修正方法可以为过冷大水滴结冰风洞试验相似变换提供指导。     

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

通过试验和数值仿真研究铝球以约2.5 km/s的速度撞击球形充水压力容器的撞击特性,容器为先充约80%的水再充2.0MPa氮气的球形不锈钢压力容器。结果表明:超高速撞击充水压力容器的主要损伤为穿孔和爆裂;铝球撞击穿透容器后在水中减速明显,未对容器后壁造成明显损伤;压力容器的工作压力相同时,在相近的撞击参数下,设计压力小的压力容器更易发生爆裂。研究结果可为在轨航天器上的压力容器设计和空间碎片防护提供参考。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。     

运载火箭/航天器耦合分支模态综合法(下)

将运载火箭作为主结构、航天器作为分支子结构,分别采用自由界面模态展开定理和固定界面模态展开定理,导出分支模态综合法,进行运载火箭/航天器组合模型响应分析。进而,采用界面约束模态质量的界面加速度,导出航天器载荷估计方法,这时的运载火箭与航天器连接界面可以是静定的或静不定的。当仅考虑连接界面是静定的情况,界面约束模态质量将退化为界面刚体质量,导出采用刚体界面加速度的航天器载荷估计的方法,这个方法所导出的公式与Chen的方法完全相同,而Chen方法的公式是由有限元法导出的。提出一种航天器载荷瞬态分析新技术:一个以前的运载火箭/航天器组合系统的载荷分析结果可以用来获得被相同的运载火箭发射的新航天器结构的动态载荷,这种方法比Chen的"恢复瞬态分析"方法更简便。     

飞船在大气层外飞行段的初始参数对轨道的影响

本文主要分析了载人飞船在大气层外飞行时的各主要参数对飞船轨迹和轨道终点影响的敏感度。在分析过程中。首先建立了飞船在大气层外飞行的数学模型,进而通过大量的数值仿真得到一条基准轨道,在此基础上分别改变轨道起始点参数(倾角、偏航角和飞行速度)的初始值,分析轨道的变化情况及轨道的终点误差。最后根据起始点参数值和对应的轨道终点误差值的关系,得到了飞船在大气层外飞行时的起始参数对飞行轨道及轨道终点影响的敏感度,从而为工程上轨道的设计提供一个有效的参考依据。     

振动环境试验力参数测量技术研究

目前美欧航天界在航天器振动环境试验中,已将采用力限制控制技术形成一项技术标准,主要目的是减少试验中造成过试验的几率,我国航天部门也开始针对此项技术进行应用研究。在力限制控制技术中如何保证力参数测量的实施和准确性是进行此项研究的关键技术之一,文中主要介绍在此项研究中多分量力参数测量的实施过程,及测量的数据结果和数据分析,目的是对振动试验环境使用测力单元进行力参数测量技术进行一次总结,为进一步开展力参数测量技术的研究积累经验。