高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

固体火箭发动机壳体强度热力耦合分析

为了研究导弹发动机壳体在高空飞行时的温度、应力、应变状态,从而对壳体的结构强度进行校核,研究了导弹壳体气动加热的计算方法,建立了某发动机壳体的三维有限元模型,合理简化气动边界条件,计算壳体温度随导弹飞行时间的变化.对比风洞试验结果,有限元计算结果与试验结果一致性较好.分析了ABAQUS软件热-力耦合实现方法,对该模型施加不同时刻的外力载荷,实现壳体的热-力耦合数值分析.进行热-力耦合联合加载试验,对比计算结果与试验结果,计算结果与试验结果吻合较好.壳体的应力、应变都远小于材料的极限值,壳体结构安全.该有限元计算方法可以用来进行壳体的热-力耦合强度分析.     

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要。传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题。为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法。该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析。其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析。然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律。最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析。结果表明,在全视场时热-结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01%,14.35%和7.85%,弥散斑均方根依次为2.9143 mm,2.6038 mm,2.5311 mm。通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计。     

液体火箭发动机推力室内壁寿命预估

为了分析推力室内壁失效机理及准确预估推力室内壁寿命,对推力室进行流-热-固耦合计算.流-热耦合为热-固耦合提供准确的热和机械载荷,热-固耦合模型对推力室内壁在循环加载下的变形进行非线性平面应变有限元分析.通过计算,得到了推力室内壁在单循环各阶段的应力-应变分布和循环加载下的变形过程,并进行了寿命预估.结果表明:采用的流-固耦合策略能准确地实现流-热耦合模块向热-固耦合模块的载荷传递,能为结构分析提供准确的边界条件.在预冷、后冷和松弛阶段,内壁承受拉应力;在工作阶段,内壁承受压应力.随着循环次数的增加,内壁残余应力和应变不断增大,内壁向燃烧室内鼓起和不断变薄,冷却通道中心最先失效.所采用的分析模型能够模拟内壁在循环热和机械载荷下的变形过程,用于预估推力室内壁的循环寿命.      

辊筒模具超精密加工机床液体静压导轨热变形分析

为了提高辊筒模具光学微结构的加工精度,本文对辊筒模具超精密加工机床的直线导轨系统进行了热变形分析。首先,根据液体静压导轨的结构特点提出了有限元分析中的油膜等效替代方法,建立了有限元分析模型。其次,应用有限元软件对机床直线导轨系统进行了热-结构耦合分析,得到了其直线导轨系统热变形误差,并给出了改善辊筒模具加工机床光学微结构加工精度的方法。最后,通过微结构刨削加工实验对有限元分析结果进行了验证。     

高超声速飞行器多层复杂热防护结构气-固耦合快速热分析方法

为了实现高超声速飞行器多种复杂结构热防护系统的气-固耦合快速热分析,采用热网络法建立非稳态等效一维传热模型;对于具有弧度的热防护结构,提出了驻点和翼前缘热阻等效计算方法,并给出了修正计算公式;结合气动热环境工程算法,实现了对任意多层复杂防热结构外部气动加热与内部结构传热的快速耦合分析。分别对钝锥气动加热和高超声速二维圆管气-固耦合传热问题进行了模拟,得到了与实验符合较好的结果,且计算效率很高;并对Micro-X验证机的全过程进行了耦合热分析,结果表明多层防热结构具有很好的防热效果,显著降低了结构内部温度。和传统耦合算法相比,此算法可快速有效地分析模拟气-固耦合问题,满足高超声速飞行器热防护系统初始设计阶段的使用要求。     

铝电解槽在工作状态下的结构强度分析

在考虑温度和接触作用的情况下,应用有限元软件ANSYS进行铝电解槽的有限元建模和热-结构耦合场分析,计算了工作状态下槽体的温度、应力和化移分布,分析发现槽壳底部发生了“起拱”现象,“起拱”位移的仿真结果与实测值基本吻合。     

大型紧缩场反射面板的变形分析与控制

紧缩场反射面板在重力与热作用下的变形一直是影响反射面板精度的重要因素,在面板尺寸大、精度要求高的情况下更为突出。利用MSCMarc软件采用热-机耦合的有限元分析方法,对某新型紧缩场反射面板的变形进行了仿真,分析了反射面板在重力和温度变化作用下的变形。仿真结果表明面板的前后温度不均匀是影响面板精度的关键因素。在面板的使用中前后的温差应当控制在0 5℃以内。     

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

民用飞机管路件弯曲工艺分析

运用有限元数值模拟方法来模拟工艺过程、指导工艺试验、辅助工艺参数选择是有效提高设计效率的重要途径。采用有限元法对Ti-3Al-2.5V导管弯曲这一典型导管制造工艺进行了过程分析,为合理选取导管弯曲半径和弯曲角度提供依据,也为在导管弯曲工艺设计中引入有限元数值分析方法提供借鉴。     

大型客机舱内声学设计方案综述（二）

数值模拟声学计算已广泛用于飞机舱内噪声的预计、声学结构的优化以及部件声学特性的评估,特别是在民机设计阶段。从数值模拟声学计算方面出发,介绍了有限元、边界元与统计能量分析这三大噪声工程分析方法,论述了试验测量与仿真计算结果的相互关系,结合民用飞机设计特点,对民用飞机的舱内声学设计方案加以阐述。     

翼型的气动最优化设计方法和反设计方法＊

本文将数值优化方法同计算流体动力学（ＣＦＤ）相结合,形成两种跨声速翼型的气动设计方法,即：最优化方法和反设计方法。采用求解Ｅｕｌｅｒ方程的有限体积法计算流场,通过结合优化算法,从正反两个方向对跨声速翼型进行气动优化设计。实例证明它们是翼型气动设计的有效方法,有较高的工程应用价值。     

Convergence Analysis of the Numerical Solution for Cathode Design of Aero-engine Blades in Electrochemical Machining

As a main difficult problem encountered in electrochemical machining （ECM）, the cathode design is tackled, at present, with various numerical analysis methods such as finite difference, finite element and boundary element methods. Among them, the finite element method presents more flexibility to deal with the irregularly shaped workpieces. However, it is very difficult to ensure the convergence of finite element numerical approach. This paper proposes an accurate model and a finite element numerical approach of cathode design based on the potential distribution in inter-electrode gap. In order to ensure the convergence of finite element numerical approach and increase the accuracy in cathode design, the cathode shape should be iterated to eliminate the design errors in computational process. Several experiments are conducted to verify the machining accuracy of the designed cathode. The experimental results have proven perfect convergence and good computing accuracy of the proposed finite element numerical approach by the high surface quality and dimensional accuracy of the machined blades.     

铸件的结构工艺性评价模型

基于有限差分法,分别采用模数法和近似传热法实现了对任意形状铸件凝固时间的快速计算,由此可获得铸件的热节分布规律,为设计人员从铸件结构工艺性的角度校核结构设计的合理性以及为铸造工艺人员设计铸件的补缩系统提供了可靠依据。通过对航空铸件进行验证,表明所建立的模型在改进铸件开发过程中具有较好的适用性。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

Collaborative optimization design of process parameter and structural topology for laser additive manufacturing

High-resolution laser additive manufacturing (LAM) significantly releases design freedom, promoting the development of topology optimization (TO) and advancing structural design methods. In order to fully take advantage of voxelated forming methods and establish the quantitative relationship between the mechanical properties of printing components and multiple process factors (laser- and process- parameters), the concurrent optimization design method based on LAM should cover the process-performance relationship. This study proposes a novel artificial intelligence-facilitated TO method for LAM to concurrently design microscale material property and macroscale structural topology of 3D components by adopting heuristic and gradient-based algorithms. The process–structure–property relationship of selective laser sintering is established by the back propagation neural network, and it is integrated into the TO algorithm for providing a systematic design scheme of structural topology and process parameter. Compared with the classical optimization method, numerical examples show that this method is able to improve the mechanical performance of the macrostructure significantly. In addition, the collaborative design method is able to be widely applied for complex functional part design and optimization, as well as case studies on artificial intelligence-facilitated product evaluation.     

起落架落震试验的数字模拟方法

 <正> 在计算飞机起飞、着陆和滑行等地面运动的静、动态载荷时,除了需要飞机结构和气动参数外,起落架减震器的性能参数更占有重要地位。而这些性能参数中尤以决定油液阻尼力的流最系数为重要。长期以来,国内主要靠查手册、凭经验确定这个系数,如果能较准确地确定流量系数,对载荷计算是很有意义的事。     

跨声速翼型优化设计的复变量方法应用研究

应用复变量方法计算目标函数关于设计变量的灵敏度,以此进行优化设计.该方法尽管计算量较大,但求灵敏度简单易行,适合目标函数比较复杂的情形,而且精度很高,几乎不受扰动步长影响,数值优化过程特别健壮,所以非常适用于设计变量不多或气动力计算很快的情况.     

乘波器的参数化设计研究

开展变楔角参数化乘波器的研究.研究中考虑了粘性效应,分析了不同设计参数对乘波器气动性能的影响.对比MAXWARP乘波器设计结果和数值求解NS方程的结果,验证了变楔角参数化乘波器设计方法的正确性.分析了不同的设计参数对乘波器气动性能的影响,为研究复杂的乘波器设计和优化规律提供了一个途径.参数化乘波器设计可方便的控制乘波器的外形尺寸,使乘波器的应用性大大提高.