复杂空间载流管道系统流固耦合动力学模型及其验证

 针对飞机复杂管路系统振动分析,提出了一种复杂空间管道系统流固耦合动力学模型,在模型中用梁单元对管道进行了离散,每个节点考虑了x、y、z这3个方向的平动以及绕x、y、z这3个方向的转动,共计6个自由度;在单元中考虑了流固耦合效应,计及了流体流速对管道振动的影响;建立了管道与基础、管道与管道间的弹性连接,以适应多个管道之间的耦合振动分析;模型采用Newmark-β数值积分法获取系统响应。针对实际液压试验台的空间管路系统,利用锤击法进行实验模态分析,将本文模型的仿真结果与实验结果和商用有限元软件ANSYS Workbench的计算结果进行了分析比较,验证了本文模型的正确性。最后,仿真计算了流固耦合作用下流速对管道系统固有频率的影响规律。     

基于传递函数框图的液压管路分析方法

介绍了一种以传递函数框图为表达形式的管道工程分析方法。按分布参数法，对液压管道作分段离散化处理，建立以传递函数框图为表达形式的管道动态响应模型，再将液压电磁阀、阻尼元件、分支管路、末端容性元件及扰动边界条件也以传递函数框图形式与管道相耦合，建立起整个系统的响应模型，利用现有成熟软件工具即可进行仿真。这里以某型液压油滤系统为例进行了工程分析，并与试验结果进行比较，表明该方法简捷可行。     

基于CFD技术的高效叶栅耦合颤振分析方法

为了考虑叶轮机叶片结构与流体之间的耦合效应,同时提高叶轮机颤振数值研究的效率,发展了一种基于非定常气动力降阶模型(ROM)的叶栅耦合颤振分析方法。该方法运用时域计算流体力学(CFD)技术计算少数几个叶片的非定常气动力,通过系统辨识及一些假设构建整个叶栅振动的非定常气动力降阶模型,并在状态空间耦合叶栅结构动力学方程建立叶栅气动弹性方程,采用特征值和时域仿真分析该系统稳定性。运用该降阶耦合方法对STCF4(Standard Test Configuration 4)以及NASA Rotor67叶栅系统的稳定性进行了计算。通过与直接计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法和非耦合方法计算结果的比较验证了该方法的准确性,且该降价耦合方法的计算效率相对于直接CFD/CSD耦合方法提高了1~2个量级,为叶轮机气动弹性参数研究、失谐研究以及多模态耦合计算等提供了便利。     

不同维度缩放方法在航空发动机总体仿真中的应用

为了研究完全耦合和迭代耦合方法的实现途径及两种方法的差异,针对涡扇发动机,建立了风扇部件的二维仿真模型,发展了基于完全耦合和迭代耦合两种维度缩放方法的发动机多维度仿真模型,对比分析了两种方法在仿真结果、计算速度及可操作性等方面的差异,同时对比了基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型与多维度仿真模型的计算结果。结果表明:采用完全耦合方法进行维度缩放时,需要结合部件二维仿真模型对边界条件的要求调整迭代变量,同时需使用发动机零维仿真模型的计算结果作为多维度仿真模型中迭代变量的迭代初值,才能保证模型的收敛性;采用迭代耦合方法进行维度缩放时只涉及部件二维仿真模型与发动机零维仿真模型之间的参数传递控制,更容易实现。在计算均收敛的情况下,基于完全耦合方法与迭代耦合方法的发动机模型的计算结果无明显差异,但后者的计算速度更快。与基准模型相比,基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型计算得到的推力最大误差大于8.34%,而多维度仿真模型的推力和耗油率的误差均小于3%,多维度仿真模型可更准确地预估发动机性能。     

润滑系统管路流动与换热耦合计算研究

为研究沿程管路换热与滑油流动之间的耦合问题,通过分析主要元件的流动和换热特性,引入元件换热的能量方程,结合管路流动的连续性方程和动量方程,建立了润滑系统管路热流耦合计算模型。针对一段发动机供油管路,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具包,建立其热流耦合网络计算模型,获得滑油流量、温度以及管壁温度等参数,采用商业软件Flowmaster对其进行验证。模型计算结果与Flowmaster计算结果非常接近,滑油流量和温度的最大误差均不超过3%,管道壁温的计算误差不超过2.4%,说明建立的热流耦合计算模型具有良好的仿真精度,适用于考虑沿程管路换热的发动机润滑系统计算分析。     

部件三维仿真模型与发动机循环参数分析的耦合方法研究

为了将基于部件三维仿真模型获取的部件工作特性耦合于发动机循环参数分析、提高整机性能预估的可信度,本文提出了改进完全耦合方法,结合核心机驱动风扇级(Core Driven Fan Stage,CDFS)三维仿真模型和变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)零维仿真模型,使用迭代耦合和改进完全耦合方法建立了VCE多维度仿真模型,研究了修正因子计算方法及边界参数松弛处理方法对VCE多维度仿真模型的影响,对比了迭代耦合与改进完全耦合方法的差异。结果表明,采用改进完全耦合方法时,直接将基于部件高保真度仿真模型得到的压比和等熵效率应用于发动机循环参数分析,可避免非线性方程组线性化过程对部件高保真度仿真模型的重复调用,同时计算过程不依赖于部件通用特性图。采用优化方法计算修正因子或者对边界参数进行松弛处理均可以抑制改进完全耦合方法中迭代残差的震荡,加速收敛。改进完全耦合方法与迭代耦合方法计算结果无明显差异,且在使用优化方法计算修正因子时收敛速度基本一致。超声速巡航状态下,与VCE零维仿真模型的计算结果相比,多维度仿真模型中CDFS压比升高了2.73%,由此导致VCE推力降低了3.48%。     

烟火点火器多物理场耦合仿真分析

电火工品在复杂电磁环境下的物理状态变化一般都包含了电磁 -热耦合过程,采用单一物理场建模仿真的方法很难得到准确的结果。因此,采用 ANSYS Workbench仿真平台,建立了烟火点火器的多物理场耦合仿真分析模型。首先,建立了烟火点火器的 HFSS仿真模型,得到了桥丝上的功率损耗;然后,将桥丝的损耗功率输入稳态热分析模型作为激励条件,并通过稳态热仿真分析得到了桥丝上的温度分布。仿真结果表明,该方法物理过程清晰,仿真结果准确可靠。     

基于导弹三通道耦合模型的控制参数设计

针对导弹自动驾驶仪控制参数设计问题及耦合对控制系统设计的影响,提出了一种基于PSO算法的三通道耦合状态空间控制参数设计方法.建立了自动驾驶仪三通道全状态耦合线性化模型,通过对线性化模型的建立、控制系统性能指标的选取、PSO算法的参数设置及适应度函数的编写,实现了基于PSO算法对自动驾驶仪控制参数的自动设计.仿真结果表明,该方法设计的控制参数优于三通道解耦独立设计的控制参数,设计结果具有良好的动态品质和鲁棒性,并具有较快的收敛速度和良好的全局搜索能力,是一种有效的控制参数自动设计方法.     

分布参数液体管道的分段近似状态空间模型

分别提出了分布参数层流和湍流液体管道的分段近似状态空间模型,模型考虑了稳态摩擦和频率相关摩擦损失两种情况,层流管道的分段近似状态空间模型是线性的,而湍流管道的是非线性的。包括频率相关摩擦损失的模型比只考虑稳态摩擦损失的模型更精确地描述流体管道的瞬变过程,但模型的阶次成倍地增加了。用单根管道阀门关断的水击问题仿真计算对模型进行了验证,采用２个分段的分段近似状态空间模型的计算结果已经与特征线方法的计算结果吻合较好。     

高超声速飞行器有限时间耦合模糊控制

针对高超声速飞行器的角度与角速度子系统间的耦合控制问题，提出了一种基于耦合特性评价的有限时间模糊控制方案。首先，针对高超声速飞行器的动力学模型，并且考虑到与工程实际相结合，将舵系统引入到动力学模型中，建立了相对完善的动力学模型，通过引入期望指令，建立了面向控制的动力学误差模型。其次，在控制律设计上采用终端滑模设计了有限时间控制器，同时在耦合评价的基础上，为了解决系统对耦合的适应性以及耦合的抖振问题采用了模糊控制方法，并借助于干扰观测器解决外部干扰问题。采用李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计的控制律是有限时间稳定性的。在数字仿真过程中，充分考虑了舵系统特性、气动拉偏、控制输入抖动等因素，仿真结果表明该方法是有效的。     

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响，采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证，比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下，导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例，当管径大于设计值30%后，耦合作用引起的1阶频率误差高于10%，此时流固耦合不能忽略；而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

管路系统敷设的并行工程模型研究

提出了一种应用于并行工程模型转换研究的标号法,该法是将现行串行设计过程（Ａｓ－ｉｓ）转换为并行设计过程（Ｔｏ－ｂｅ）。本文应用该法将发动机外部管路系统敷设过程模型进行了串并行转换,应用并行工程过程重构的手段,得到了管路敷设并行过程模型,文中对该模型进行了详细分析。最后对转换前后的模型进行了时间效益分析,得到了对敷管工程有指导意义的结论。     

两端支承输流管道内共振条件分析

讨论了两端支承输流管道发生内共振的条件.考虑管道变形的非线性因素,建立了两端简支的输流管道,当简支端简谐运动时的非线性运动方程.通过对其线性部分系数矩阵的分析,发现系统发生几种内共振时流速uo与质量比mi的关系.从理论上解释了流速诱发两端支承输流管道内共振的机理.     

准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型(Ⅱ)管壁温度场的有限体积模型

在流场模型的基础上,通过对圆柱坐标系下轴对称管道壁面划分的二维有限体积网格,建立了一种计算管壁瞬变传热的有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.温度场模型是流场建模思想的自然延伸,对二者的组合运用即为所发展的可仿真准一维可压缩流管内瞬变流动的有限体积模型,一方面,在流场仿真的体系内发展了传热计算的部分并最终扩展成为统一的流动/传热仿真体系,另一方面,结合阀芯节流模型,从此模型出发可推导出管路系统常见元件的流场和温度场模型.对某发动机试验台液氧贮箱增压系统的建模与仿真表明,提出的模型体系具有很好的适用范围和良好的仿真精度.      

基于遗传算法的航空发动机管路优化设计

本文根据航空发动机管路的结构和振动特点 ,以有限元计算为基础 ,采用遗传算法为优化方法 ,在通用有限元软件 NASTRAN的平台上开发了管路振动设计优化程序。本文以调频和调幅为目标函数 ,对某一真实导管进行了优化设计 ,计算和分析表明 ,本方法能快速高效地获得最优解 ,应力计算证明这些解满足工程要求的应力分布 ,并建议在必要情况下增加管路用金属橡胶减振器以降低可能出现的振动过大。     

推进剂管路充填过程的数值模拟

基于一维管路瞬变流理论,利用特征线有限差分法,建立了推进剂供应系统管路充填过程的数学模型.利用坐标变换方法,将管路内液体与时间相关的求解区域变换为求解较方便的固定求解区域,很好地处理了模型的移动边界问题.对由贮箱、隔离阀、管道组成的系统充填过程进行了仿真计算,并将计算结果与传统的采用特征线方法获得的结果进行对比分析,验证了方法的有效性.进一步研究了最大压力峰值的影响因素,结果表明:增多初始气体压力、减小贮箱压力、增多多变指数可有效减小最大压力峰值.      

红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究

对外冷喷流和内冷管流等不同冷却方式下的红外窗口传热和热应力进行了数值计算研究.窗口结构传热和热应力采用有限元方法求解,带外部冷喷流窗口外表面气动加热率则通过对带冷源项的N-S方程求解给出,当采用管流冷却时,管流液体温度和窗口结构温度通过耦合迭代方式统一求解,管流和壁面间的换热系数采用工程关联公式估算.研究表明,在达到来流总温以前,窗口各点温度和热应力随加热时间单调上升,各时刻最大温度发生在外表面;而最大热应力则发生在合金材料内部.两种冷却方式对比表明,外冷方式对于窗口整体温度和热应力的降低十分有效,但具体到局部重要部位,外冷方式效果不如内冷,内冷方式对于管道附近部位具有更好的降温和降低热应力效果.因红外窗口尺度限制,冷却管道流动雷诺数偏小,流动为层流态,这限制了冷却管换热效率的提高,因此建议增加管道数目和管壁粗糙度来强化冷却.     

反向旋转双转子稳态响应计算分析与试验

航空发动机采用反向旋转的双转子系统, 有助于减小转子整体陀螺力矩对飞机的影响, 降低机匣负荷, 提高飞机机动性能.分析了一种具有中介轴承的反向旋转双转子结构的稳态响应, 其中介轴承外圈与低压转子联接, 内圈与高压转子联接.针对这种结构, 应用传递矩阵法, 结合边界条件, 分析了反向旋转双转子结构稳态不平衡响应的变化规律, 研究了内、外转子盘轴心轨迹和质心的变化特点, 并进行了相应的试验研究, 验证了计算仿真的相关结论.      

传递矩阵-直接积分法及其应用

本文提出了借传递矩阵法建立“特征盘”的运动方程,然后借直接积分法求解,用以求转子-支承系统的临界转速、振型、不平衡响应、及稳定性分析的方法。导出了在考虑其本身的转动惯量、质量、剪切应力影响下的轴段传递矩阵。以实例说明了借传递矩阵法建立“特征”微分方程组的过程。计算与实测了一个模型转子-支承系统的不平衡响应、临界转速及振型,二者基本吻合。     

Transmit Beamforming for MIMO Radar Systems using Signal Cross-Correlation

Proposed next-generation radar systems will have multiple transmit apertures with complete flexibility in the choice of the signals transmitted at each aperture. Here we propose the use of multiple signals with arbitrary cross-correlation matrix R, and show that R can be chosen to achieve or approximate a desired spatial transmit beampattern. Two specific problems are addressed. The first is the constrained optimization problem of finding the value of R which causes the true transmit beampattern to be close in some sense to a desired beampattern. This is approached using convex optimization techniques. The second is the problem of designing multiple constant-modulus waveforms with given cross-correlation R. The use of coded binary phase shift keyed (BPSK) waveforms is considered. A method for finding the code sequences based on random signaling with a structured correlation matrix is proposed. It is also shown that by restricting the class of admissible waveforms one reduces the set of possible signal correlation matrices.