陈予恕中国著名工程非线性动力学专家

作为我国著名的非线性动力学专家,请您介绍一下哪些领域存在非线性振动问题?航空航天领域又存在哪些非线性振动问题?陈予恕:在我们的生活中,很多现象都存在非线性规律,在绝大多数系统中,特别是复杂系统中,非线性规律的表现尤为突出。工程生产应     

船舶柴油机智能控制技术研究进展

船舶柴油机智能控制技术是将人工智能算法引入到船舶柴油机控制领域,提高复杂时变非线性系统的控制性能。重点针对基于智能控制算法设计的柴油机子系统控制器研究和基于非线性模型预测架构的柴油机在线性能优化研究,对船舶柴油机智能控制技术的研究现状和进展进行了综述,并分析了此研究领域所涉及的主要理论和方法。根据船舶柴油机智能控制不同应用需求,重点介绍了智能控制方法在船舶推进柴油机新型燃烧、复杂气系统、转速跟踪等控制问题中的应用,分析了智能控制方法的优缺点,讨论了在船舶柴油机控制领域中智能控制技术的未来研究方向和面临的挑战。     

考虑间隙非线性的控制舵非线性气动弹性分析

间隙结构的气动弹性系统非线性颤振问题是飞行器气动弹性力学工程领域的研究热点和难点,研究 考虑间隙非线性的控制舵系统的气动弹性特性具有重要意义。基于最小状态拟合方法获得时域降阶气动力模 型,并通过Lagrange方程获得系统非线性气动弹性方程;对比分析三种不同非线性控制舵系统的极限环颤振 及非线性动力学响应特性,并与等效线化法和时域仿真的结果进行一致性对比。结果表明:俯仰和扑动弹簧刚 度的变化对系统颤振边界有显著影响,当俯仰和扑动两个方向同时含有间隙非线性时,系统在线性颤振速度内 存在倍周期、混沌等复杂非线性动力学现象。     

利用模糊系统实现解决最小时间喷射问题的非线性反馈控制律

目标 通过模糊逻辑，为非线性动态系统设计一种整合优化反馈控制律的新技术。 设计 方法 处理 在研究闭合回路模糊逻辑制导过程中，为了训练该模糊系统，本文推荐的方法是采用了各种非线性系统的开环优化控制解法，经过规定一套与系统状态有关的非量纲变量，从而完成这项目的研究。 各种发现 对于研究非线性问题，闭合回路模糊逻辑制导可以产生出闭合回路控制律，因为推荐的模糊结构不受该系统各方程式的限制，用于其他非线性系统也有处理能力。在常规状态下引入非量纲变量，提高了模糊训练的成果，同时对其它没有得到训练过的场景，为了得出精确解法，必要的模糊法则的要素也减少了很多。 创新和价值 在太空飞行器的制导和控制方面，有许多复杂的非线性问题，对这类系统来说，即使是开环的又是无噪声离线的情况，优化控制律的测定仍然是一项困难的工作，另一方面，闭合回路的开环优化控制解法，主要寄希望于在实际的工作环境中，它们的鲁棒性特征，所以这些特征更加适用于在线使用，但是对于复杂的各种非线性系统却不被认同。尽管在这类系统中，已经有少数科学家从事非线性优化控制领域和模糊逻辑的应用，但是还没有涉及到闭环优化模糊控制器，对可以在许多航天飞行器上的各种非线性系统，本文对优化反馈控制律的确定阐述了一种全新的策略。     

声爆研究的现状与挑战

声爆是超声速飞行器所特有的一种气动声学现象,其涉及空气动力学和非线性声学等研究领域,开展相关研究具有重要的学术意义和应用前景。本文简述了声爆的基本概念、主要特征和主要危害,简要回顾了声爆的产生、发展和演化的研究历史,重点介绍了声爆的数值模拟、风洞试验和飞行试验预测方法,以及近年来提出的声爆抑制方法和低声爆气动优化设计方法的发展现状;最后总结了当前声爆预测方法面临的技术难点和挑战。     

非线性飞行力学及浑沌运动

本文简述了在飞行力学研究中主要的一些非线性现象,并讨论了这些非线性问题的研究方法.最后简单地介绍了非线性动力学系统中的浑沌运动及在飞行力学中的应用.     

带集中非线性的机翼气动弹性问题研究进展

带集中非线性环节的机翼非线性气动弹性问题是飞行器气动弹性研究领域的热点和难点。经过近几十年来的不断发展,这类机翼非线性气动弹性问题的研究已经取得了长足的进步,同时也面临着新的挑战。鉴于此,综述了近年来带集中非线性环节的机翼非线性气动弹性问题的研究进展,阐述了带集中非线性的机翼气动弹性分析的建模方法、分析方法及非线性气动弹性稳定性和响应行为的规律,并讨论和总结了相关的研究成果,对今后机翼非线性气动弹性问题的分析方法和研究内容提出了展望。     

航空钣金成型过程的计算机仿真分析

冲压成型过程的数值模拟涉及到材料非线性、几何非线性和边界非线性的综合影响,直接计算的难度非常大。利用大型通用有限元软件ABAQUS在处理非线性力学问题中的优势,研究了成型速率和质量缩放对于模拟成型问题的影响,最后通过能量曲线判断速率和质量参数的设置是否合理,并给出相关算例应用。算例表明:ABAQUS在处理钣金冲压成型中可以得到令人满意的结果。     

流体力学深度学习建模技术研究进展

深度学习技术在图像处理、语言翻译、疾病诊断、游戏竞赛等领域已带来了颠覆性的变化。流体力学问题由于维度高、非线性强、数据量大等特点,恰恰是深度学习擅长并可以带来研究范式创新的重要领域。目前,深度学习技术已在流体力学领域得到了初步应用,其应用潜力逐渐得到证实。以流体力学深度学习技术为背景,结合课题组近期研究结果,探讨了流体力学深度学习建模技术及其最新进展。首先,对深度学习技术所涉及的基本理论做了介绍,阐释流场建模中常用深度学习方法背后的数学原理。其次,分别对流体力学控制方程、流场重构、特征量建模和应用等几个典型的人工智能与流体力学交叉问题应用场景所涉及的深度学习技术研究进展进行了介绍。最后,探讨了流体力学深度学习建模技术所面临的挑战与未来发展趋势。     

微型飞行器相关技术研究进展

微型飞行器是航空领域一个新的研究热点，涉及多个技术研究领域。围绕与微型飞行器相关的低雷诺数空气动力学问题，进行了绕圆柱体低雷诺数非定常流动的数值模拟方法研究、低雷诺数机翼粘性非定常流动机理研究、扑翼的气动力估算方法研究、微流动控制的数值模拟研究和微型飞机的气动实验研究，指出了微型飞行器面临的问题，并展望了其发展趋势。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

焊接过程多场耦合模拟研究进展

焊接是一个涉及到多物理场耦合的复杂过程,采用传统的试验方法研究焊接现象存在成本高、效率低、局限性等问题,数值模拟技术很好地解决了这些问题,因此该技术已成为国内外焊接工作者研究的热点,在航空航天、汽车船舶等领域得到越来越广泛的应用。介绍了影响熔池形态和焊接变形的因素以及外加磁场对改善焊缝成形的作用,重点论述了数值模拟技术在多场耦合作用下焊接熔池形态、应力与变形以及焊缝成形控制等方面的应用及研究现状,在此基础上提出了焊接过程多场耦合模拟的未来发展动向。     

模型振动对风洞实验数据分散性的数值模拟研究

研究模型振动对风洞实验结果的影响对于修正风洞实验数据和加深空气动力学的理解具有重要的现实意义。基于κ－ω的SST两方程湍流模型,在时间域求解雷诺平均N—S方程,研究了模型振动在不同迎角下流场和气动力的变化规律。结果表明：模型振动在小迎角条件下对气动力测量结果几乎没有影响,但在大迎角存在一定分离的条件下,可以引起分离涡的非线性演化,导致气动力平均值的改变,从而引起风洞气动力测量值的分散性。结论从物理机理上解释了大迎角风洞实验的重复性和数据分散性。     

Recent advance in nonlinear aeroelastic analysis and control of the aircraft

A review on the recent advance in nonlinear aeroelasticity of the aircraft is presented in this paper. The nonlinear aeroelastic problems are divided into three types based on different research objects, namely the two dimensional airfoil, the wing, and the full aircraft. Different non- linearities encountered in aeroelastic systems are discussed firstly, where the emphases is placed on new nonlinear model to describe tested nonlinear relationship. Research techniques, especially new theoretical methods and aeroelastic flutter control methods are investigated in detail. The route to chaos and the cause of chaotic motion of two-dimensional aeroelastic system are summarized. Var- ious structural modeling methods for the high-aspect-ratio wing with geometric nonlinearity are dis- cussed. Accordingly, aerodynamic modeling approaches have been developed for the aeroelastic modeling of nonlinear high-aspect-ratio wings. Nonlinear aeroelasticity about high-altitude long- endurance （HALE） and fight aircrafts are studied separately. Finally, conclusions and the chal- lenges of the development in nonlinear aeroelasticity are concluded. Nonlinear aeroelastic problems of morphing wing, energy harvesting, and flapping aircrafts are proposed as new directions in the future.     

Review of unsteady transonic aerodynamics: Theory and applications

Unsteady transonic flow theory is reviewed and classical results from the nonlinear asymptotic theory are combined with new results from computational fluid dynamics. The emphasis is on applications to the field of aeroelasticity and on clarifying the limitations of linearized theories in problems involving mixed subsonic-supersonic flows. The inherent differences between nonlinear transonic aerodynamics and linear subsonic and supersonic aerodynamics are considered from a theoretical and computational standpoint, and the practical implications of these differences in formulating suitable aerodynamic models for aeroelastic stability calculations are discussed. Transonic similarity principles are reviewed and their relevance in understanding flutter, divergence, and control reversal phenomena of transonic aircraft is illustrated through practical examples.     

双三角翼俯仰振荡运动的流场特性数值模拟

 建立了适用于双三角翼大迎角非定常分离流场模拟的数值方法,研究双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出动态流场结构和气动力性能随迎角的变化规律,重点考察了减缩频率、转轴位置、平均迎角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响。研究结果表明:俯仰振荡到相同大迎角时上仰和下俯的流场存在明显差异;减缩频率对气动力迟滞效应的影响相对大于转轴位置;平均迎角的变化导致双三角翼背风区流场结构呈现不同流态,而振幅的大小决定这些流态的数目,事实上俯仰运动时如果跨越的流态数目越多则流场结构的动态响应滞后现象就越显著。通过数值分析,有利于提高对双三角翼在俯仰振荡运动条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。     

微扑翼飞行器驱动机构的设计与动态特性研究

微扑翼飞行器是一种新概念的飞行器,在应用技术上它超出了传统的飞机设计和气动力的研究范畴,同时开创了微机电系统技术(MEMS)在航空领域的应用。微扑翼驱动机构的设计、制作及其动态特性研究是飞行器设计中的关键环节。本文的研究对象是一个静电驱动的胸腔式微扑翼机构,由于这种结构存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合,因此系统的动态特性是非常复杂的。本文从理论上分析了系统奇点的存在与稳定性;在相空间中分析了无阻尼及有阻尼系统的非线性动态特性;研究了初始条件和阻尼对临界拉入电压的影响;最后分析了在不同激励电压信号下系统的响应。所得研究结论对微扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。      

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

Nonlinear problems of physics of the geomagnetic pulsations

The current state of research involving manifestations of nonlinearity in geomagnetic pulsations is reviewed. Traditionally, the attention of researchers was focused on the effects of resonant interaction of geomagnetic pulsations with small groups of energetic particles, which actually means the study of the quasi-linear relaxation of radiation belt ions, the modulation of auroral electron fluxes, etc. The present review concentrates on the problem of the nonlinear effect influence of pulsations on the backgroud (cold) plasma and on the geomagnetic field. This kind of interaction results in a significant modification of the plasma distribution in the magnetosphere. Self-consistent wave structures—solitons and vortices may occur as well. Such nonlinear effects contribute to physics of geomagnetic pulsations and are also of fundamental importance for general physics. Another set of more narrow problems considered in the review, is related to phenomenological modeling of fluctuational and critical phenomena in the magnetosphere. The essence of our approach is to present the magnetosphere as a black box, whose properties should be determined by the statistical characteristics of its output signals. This approach to phenomenology can be a useful supplement to the methods of microscopic modeling aimed at detecting nonlinear manifestations of geomagnetic pulsations.     

Towards intelligent design optimization: Progress and challenge of design optimization theories and technologies for plastic forming

Plastic forming is one of enabling and fundamental technologies in advanced manufacturing chains. Design optimization is a critical way to improve the performance of the forming system, exploit the advantages of high productivity, high product quality, low production cost and short time to market and develop precise, accurate, green, and intelligent (smart) plastic forming technology. However, plastic forming is quite complicated, relating to multi-physics field coupling, multi-factor influence, multi-defect constraint, and triple nonlinear, etc., and the design optimization for plastic forming involves multi-objective, multi-parameter, multi-constraint, nonlinear, high-dimensionality, non-continuity, time-varying, and uncertainty, etc. Therefore, how to achieve accurate and efficient design optimization of products, equipment, tools/dies, and processing as well as materials characterization has always been the research frontier and focus in the field of engineering and manufacturing. In recent years, with the rapid development of computing science, data science and internet of things (IoT), the theories and technologies of design optimization have attracted more and more attention, and developed rapidly in forming process. Accordingly, this paper first introduced the framework of design optimization for plastic forming. Then, focusing on the key problems of design optimization, such as numerical model and optimization algorithm, this paper summarized the research progress on the development and application of the theories and technologies about design optimization in forming process, including deterministic and uncertain optimization. Moreover, the applicability of various modeling methods and optimization algorithms was elaborated in solving the design optimization problems of plastic forming. Finally, considering the development trends of forming technology, this paper discusses some challenges of design optimization that may need to be solved and faced in forming process.