仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法

以工程应用为背景,从全局的角度提出了一种仿生微扑翼飞行器的动态分析与设计方法。在对鸟类的飞行参数进行统计分析的基础之上,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,并据此进行了微扑翼飞行器的仿生学初步设计。根据仿生学结果设计了飞行器的传动布局、动力方案以及总体结构,并按照运动学分析、气动力分析以及动力学分析相结合的动态分析方法研究了微扑翼飞行器的动态特性。在动态分析的基础上进行了飞行参数的优化设计,使得微扑翼飞行器达到性能最佳。样机制作及风洞试验结果证明了这种方法的有效性与可行性。所得研究结论对微扑翼飞行器的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。     

基于非定常涡格法的扑翼飞行器气动特性优化

旨在为柔性扑翼飞行器的翼面选型与设计提供一定依据,研究其气动优化.建立了扑翼的非定常涡格法(UVLM)尾涡模型;采用面向对象的编程技术对该模型进行求解并引入GPU流式编程技术实现了UVLM并行计算,使其执行效率提高了3倍;以升力和推力的最大化为目标,并采用模式搜索法对扑翼的扑动与俯仰运动相位差、扑动频率与柔性扭转角以及翼面结构进行了优化.结果显示,要获得尽可能大的气动推力,翼面应设计成倒梯形且其外翼段应具较大面积,要使升力最大化则需将翼面设计成正梯形布局并应使内翼段面积较大;为进一步提高FMAV推力,应在增大扑动频率的同时适当减小翼面的柔性扭转角.研究表明,内嵌UVLM的模式搜索法可望成为FMAV气动优化的一个重要工具.     

优化驱动的起落架结构设计方法

起落架结构是飞机上最复杂最重要的结构之一,传统的设计方法依靠人工经验反复迭代,没有充分利用结构优化技术,具有设计周期长且不能最大限度得到最优设计的缺点。根据结构优化技术的发展,提出了优化驱动的起落架结构设计方法,实现了优化驱动的设计方法在起落架领域的完整工程应用。结构优化技术作为整个设计流程的驱动者,在其中发挥贯穿全程的主体作用,根据不同设计阶段的需求,先后运用拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术。以某型飞机前起落架外筒的设计为例可以发现,相比传统设计方法,新方法在相同的设计约束条件下,能更快得到设计方案,结构质量减少了24.1%,实现了起落架结构的快速设计和轻量化设计。     

Attitude control of a satellite with redundant thrusters

Redundant thrusters are generally used for a reliable attitude control system. Also, redundant thrusters yield a better performance if they are used appropriately. In this paper, the authors propose an efficient redundancy management algorithm to reduce the fuel consumption. The algorithm is based on a linear programming problem which is a constrained optimization problem. For the algorithm, a cost function is defined as a quantity related to the fuel consumption for a maneuver. The independent variables are the thrusters' on-times which are control input variables of a satellite dynamic model. The advantage of the proposed method is verified by numerical examples. The examples show that the proposed method consumes less fuel than an existing method for a given maneuvering command. A sub-optimal algorithm is also discussed for an onboard computation. The proposed algorithm is applied to two maneuvers: move-to-rest and rest-to-rest. This is verified by a numerical simulation.     

求解非线性方程及方程组的模拟退火算法

探讨了用模拟退火算法求解非线性方程及方程组的方法,该方法把方程组求解问题转化为函数优化问题.计算中不需要使用目标函数的导数信息,在Matlab环境下实现了该算法,数值实验结果表明了该算法的有效性.     

基于FA-NSGA分扭传动系统的均载和轻量化优化设计

以提高均载性能和轻量化为目标对某分扭传动系统进行了多目标优化设计.建立了分扭传动的非线性动力学模型,通过计算不同输入功率和输入转速下的均载系数,衡量分扭传动系统均载性能.以分扭传动系统参数为设计变量,考虑多工况条件,建立了以均载系数和质量最小为目标函数的多目标优化模型.为了提高计算效率,提出了具有适应值预测机制的非支配排序遗传算法（FA-NSGA）.利用3个基准函数对FA-NSGA进行收敛性和有效性的测试.结果表明:FA-NSGA对于3个测试函数均能获得满意的最优解,并且都能减少60%以上的真实适应值计算次数.采用FA-NSGA对实例进行优化求解,在得到的Pareto最优解中选取了一组满意的设计参数,该设计结果与参照方案相比均载系数降低了0.05,分扭传动系统质量减少了3.57kg.      

塞式喷管型面优化

为了使塞式喷管发动机的总冲最大,利用数值计算方法对塞式喷管型面进行了全习过程的优化。详细介绍了优化模型的建立过程及优化的假设与步骤,最后给出了典型优化的结果,其结果对塞式喷管的型面设计有很大的参考价值。     

考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计

为了实现航空发动机冷端风扇叶片在考虑鸟撞情况下的轻量化设计,从结构拓扑优化计算的角度出发,对该问题展开深入的研究并提出具体的解决方案。针对叶片优化中存在的优化模型建立,结构动态工况优化,多条件约束并存处理,多工况联合优化等关键问题,进行了理论上的深入分析研究,阐述了结构多约束、多工况动态优化的理论基础,并结合相应的数值计算平台,提出了风扇叶片分步优化计算的方案,对航空发动机叶片进行拓扑优化计算。计算结果显示,最终的叶片轻量化结构满足所有鸟撞与离心载荷多工况的优化约束条件,拓扑结构中材料分布合理,在满足适航条例强度要求的同时质量减少达37.9%,具有一定的实际参考应用价值,同时所提出的动态优化计算方案,在工程结构的动态优化中具有广阔的应用前景。     

Optimization and analysis of composite sandwich box beam for solar drones

Solar drones have garnered considerably research attention in recent years due to their continuous cruising capability, and the feasibility of design schemes is sensitive to the weight of structure. Sandwich box beam composed of carbon fiber and polymethacrylimide (PMI) foam is conducive to realize the lightweight of structure. In this study, a two-stage optimization design methodology for sandwich box beam is proposed. This methodology is primarily based on a low-order analytical method for evaluating stress/deflection and the linear buckling analysis method combined with experimental correction factor for predicting the buckling eigenvalues. Subsequently, a case study was conducted using an 18-m wingspan solar drone, where the results of mechanical test verified the optimization results. For validating the use of sandwich box beam in solar drones of other scales, additional analysis was conducted based on three aspects: (A) effects of stiffness and stability constraints on the design of sandwich box beam; (B) crucial role of the weight of foam inter layer and application scope of sandwich box beam; (C) best method to improve the buckling eigenvalue of sandwich box beam. Overall, the methodology and general rules presented in this paper can support the design of light wing beam for solar drones.     

再入机动飞行器气动特性的数值计算和近似计算方法

本文提供了改进的空间Euler方程推进方法和稳定方法,可有效地计算再入机动飞行器的流场,然而,这种数值方法计算再入飞行器的气动特性耗机时多,经费昂贵。 本文发展了一种新的近似计算方法,其计算结果与数值解和试验相比相当吻合,计算机时仅为数值计算的0.2％,对于工程应用,该方法是有数的工具。     

一种可行的有限元网格优化法

在用有限元素法进行分析时的一个主要考虑是,对于某个特定问题,如何才能以尽可能少的计算工作量获得尽可能高的计算精确度,这就是在过去十年中迅速发展起来的有限元最优离散化问题,并已提出了不少优化准则和算法。本文的目的在于提出一项改善有限元离散化的有效方法,以避免现有方法中的一些困难和不足,即:既可以避免纯数学规划法中过于庞大的计算时间,又可以避免批处理方式的麻烦;它编制程序简便,也无需计算等高线的专用软件以及与计算机接口的图象显示设备。它从误差分析得到使离散化近乎最优的可行方向,再通过一维搜索得到近似于最优的离散化。数值例题表明,采用本文方法进行优化,得益是十分显著的。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统设计相比,在满足系统刚度、频率及动态特性的前提下,优化后的3个结构件质量分别减小18.3％、22.6％和18.0％,整体质量减小18.7％,实现了惯导系统结构的轻量化设计.     

扑翼飞行器驱动装置的设计

扑翼飞行器是一种新型飞行器,其工作原理及设计技术与传统的固定翼和旋转翼飞行器完全不同。微型扑翼的驱动机构的设计、制作是飞行器设计中的关键环节。为此介绍了一种静电驱动的微扑翼机构,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。从驱动机构的结构,工作原理,受力模型及分析几个方面对这种驱动机构作了相关的介绍。所得研究结论可以为微型扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供一定的理论依据。     

基于传递单元方法的局域反应声衬设计与试验

航空声衬的优化设计是指在发动机管道结构内铺设具有最优阻抗的声衬,以达到最大降噪效果,此过程一般需要对目标进行全尺寸的模拟计算。应用传递单元方法对单级低速轴流压气机试验台进行局域反应声衬的优化设计,并进行声衬消声效果的试验验证。试验结果显示,在设计频率下局域反应声衬对目标模态有良好的降噪效果,传声损失达到44.01 dB,而且具有一定的宽频降噪特性。利用传递单元方法计算的传声损失与实际测试结果趋势一致,声衬的实际降噪效果满足设计需求。研究表明,传递单元方法作为一种快速声学计算方法,适用于管道声传播的全尺寸理论评估,能够有效降低航空声衬的设计周期和成本,适合于工程应用。     

昆虫尺度微型仿生飞行器的研究

微型仿生飞行器的研究涉及仿生学原理、准稳态气动力和原理样机的研制等。概述了上海交通大学针对昆虫尺度的微型仿生飞行器的新颖的设计和加工方法。该方法确保了零部件空间位置的合理安排,从而减少了零部件的装配难度。具体来说,压电驱动器的设计考虑了电气隔离和装配问题;传动机构与机身整合成一个部件,避免了相互之间的装配。翅脉的纤维方向进行了合理的布置,使得翅膀拥有高强度和高刚度。最终,研制的压电驱动微型仿生飞行器重84mg,翼展35mm,在100Hz的拍打共振频率下可以产生±60°的拍打角度,能产生足够的升力实现起飞。     

基于多子人口群协作进化的拦截轨道优化

针对基本遗传算法对航天器拦截轨道数值优化计算效率较低的问题,提出了一种新的基于多子人口群协作进化的算法。使用子人口划分技术提高了人口多样性防止早熟,用免疫算子减小搜索空间,两者都加速了进化计算过程。应用此算法求解了具有推力约束和拦截时间约束使燃料消耗量最小的航天器拦截轨道,并分析了其与基本遗传算法的不同。通过航天器拦截轨道仿真表明,该算法优于基本遗传算法,可用较少的计算时间得到全局最佳解,提高了航天器拦截轨道优化的计算效率。     

A review of topology optimization for additive manufacturing: Status and challenges

Topology optimization was developed as an advanced structural design methodology to generate innovative lightweight and high-performance configurations that are difficult to obtain with conventional ideas. Additive manufacturing is an advanced manufacturing technique building as-designed structures via layer-by-layer joining material, providing an alternative pattern for complex components. The integration of topology optimization and additive manufacturing can make the most of their advantages and potentials, and has wide application prospects in modern manufacturing. This article reviews the main content and applications of the research on the integration of topology optimization and additive manufacturing in recent years, including multi-scale or hierarchical structural optimization design and topology optimization considering additive manufacturing constraints. Meanwhile, some challenges of structural design approaches for additive manufacturing are discussed, such as the performance characterization and scale effects of additively manufactured lattice structures, the anisotropy and fatigue performance of additively manufactured material, and additively manufactured functionally graded material issues, etc. It is shown that in the research of topology optimization for additive manufacturing, the integration of material, structure, process and performance is important to pursue high-performance, multi-functional and lightweight production. This article provides a reference for further related research and aerospace applications.     

空气雾化的模型及其计算

本文研究了预膜式空气雾化喷嘴的雾化过程, 建议一个液膜 (波)破碎准则, 并结合有关雾化机理的研究结果建立一个雾化模型, 提出了一种称为跟踪 -统计的雾化模型数值计算方法。对喷嘴出口后的液膜破碎形成粒子的尺寸、数目及运动进行跟踪记录及统计, 得出液雾在空间的分布特性。为验证此雾化模型及其计算方法, 计算了一个三元轴对称喷嘴出口后的液雾场。计算及实验符合, 表明了该模型及其计算方法的可行性。      

基于Hamilton-Jacobi方程的编队飞行控制

 针对椭圆参考轨道的编队飞行控制系统,基于哈密尔顿 雅克比（Hamilton-Jacobi）方程,给出一种新的生成函数半解析近似解的计算方法,同时推导了编队飞行控制系统相对运动的线性状态转移矩阵,并且验证了模型的精度。在此基础上,结合一个具体的编队飞行任务,采用线性规划算法得到了队形保持的闭环控制器,该算法得到的是脉冲形式的控制序列,因此更具有实际意义。同时还提出了一种简单的避免生成函数奇异点的方法,从而减少了生成函数间相互转换所带来的计算量。最后的非线性仿真结果验证了控制方法的有效性。     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。