压电热弹性体开口壳的响应分析

根据广义的Hamilton变分原理推导出了压电热弹性体非齐次的Hamilton正则方程。结合压电热弹性体平衡方程和热平衡方程,成功地导出了压电热弹性体机、电、热耦合问题的齐次状态方程。将非齐次方程转化为齐次方程不仅使问题变得大为简化,同时也减少了数值计算的工作量。数值实例研究了温度载荷和力载荷作用下压电热弹性材料四边简支层合开口壳的响应问题。     

热弹性复合材料层合板的响应分析

利用混合变分原理,考虑了热平衡方程与导热方程中变量的对偶关系,通过增加非齐次正则方程的维数,成功地将热弹性体机一热耦合问题的非齐次Hamilton正则方程转化为能独立求解的齐次Hamilton正则方程．所以大大简化了问题的求解。并通过数值实例研究了在温度栽荷和动力栽荷作用下及考虑阻尼的四边简支复合材料层合板的响应问题。     

含固支边的强厚度层合板解析解的改进方法

基于含固支边层合板的非齐次状态方程,应用增维方法,建立了齐次状态方程,给出了静力问题的解析解。这种方法对于程序的实现和数值运算稳定性的提高十分有利,在求解的过程中避免了矩阵求逆,且大大提高了计算效率。数值算例显示了本文的方法是正确的。     

稀薄气体动力学的非线性耦合本构方程理论及验证

作为一种新兴的气体动力学本构方程理论体系,非线性耦合本构方程(NCCR)理论的创新之处在于黏性应力和热传导中抛弃了广义牛顿定律和傅里叶热传导定律,而是考虑熵条件从Boltzmann方程直接推导出了黏性应力和热传导非线性耦合输运方程即NCCR模型。NCCR模型在连续区域与广义牛顿定律和傅里叶热传导定律一致,但是在稀薄区域其非线性关系逐渐增强,即NCCR模型大大扩展了应力-应变和热传导-温度梯度的本构关系,为稀薄气体流动模拟提供了新的途径。为解决NCCR模型强非线性难题,发展了混合模态间断伽辽金求解NCCR和流动守恒方程的数值算法,成功避免了NCCR边界条件高阶量赋值的难题。并对典型亚声速、超声速NACA0012翼型绕流、高超声速圆柱绕流、极高马赫数圆柱绕流、微尺度激波-涡干涉、连续稀薄渐变算例、方腔流动进行了数值计算和验证。结果表明,在稀薄区域,NCCR模型准确捕捉到了流场信息,吻合于蒙特卡罗直接模拟(DSMC)或实验结果,包括:压力分布、速度分布、温度分布、壁面热流等。对圆柱绕流的进一步研究发现NCCR在低努森数下与Navier-Stokes方程结果相同,随着努森数升高两者差距逐渐扩大且在高努森数下NCCR吻合于DSMC和实验结果,从侧面证明了基于NCCR理论用同一套方程解决连续稀薄耦合流动的可能性。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

NCCR方程在近平衡气体流动区域的验证

不同于Grad矩方法(R13方程)和Chapman-Enskog展开(Burnett方程),Eu方法考虑H定理和熵增,由Boltzmann方程导出了气体动力学守恒方程的高阶量本构方程,暨NCCR方程,其在二维高Kn数稀薄气体领域得到了验证。首先呈现了NCCR与Grad矩方法和Burnett方程的区别,而后展示了由Boltzmann方程到守恒方程和NCCR本构方程暨建立联系稀薄统一算法的过程。解决NCCR方程强非线性难题,扩展了间断伽辽金求解NCCR和守恒方程的数值方法,耦合了Langmuir边界条件,并在近平衡区域对典型圆柱绕流、三维高超构型流场进行了数值计算和验证。验证结果表明,在近平衡区域NCCR准确捕捉到了流场信息,包括滞止线参数分布等;同时,NCCR模型在高超构型的后体区域,相比于NS方程更吻合于实验结果。研究为NCCR方程在三维领域的完善和在高Kn数稀薄流动区域的进一步验证提供了基础。     

低控制电压的杂交阻尼

提出一种用多层压电片和约束阻尼层在低控制电压下进行结构振动的杂交阻尼控制方式。基于各种材料的本构关系,导出了多层压电片作用在梁结构上的力和所施加的电压以及结构的运动之间的耦合关系和系统的控制微分方程。讨论了多层压电片附加位置的优化。仿真计算表明,这种杂交阻尼控制方式有着良好的振动抑制效果和较低的控制电压。     

基于修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法

随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本文利用求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(Gas Kineitc Unified Algorithm,GKUA)对应力张量、热流等宏观量数值积分求解的优势,提出了一种基于数值修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法。通过将GKUA获得的应力张量及热流用于修正N-S方程的本构关系,实现了存在局部稀薄效应的流动模拟,并且通过可压缩平板边界层、圆柱绕流问题的数值模拟,验证了方法的有效性。     

微型离心压气机热效应评估模型及应用

基于微型离心叶轮非绝热边界假设,通过对其内部实际换热过程的详细分析,合理将叶盘、叶片换热等效为环肋、直肋换热,重构了微型离心叶轮的换热过程;根据导热微分方程和肋片散热方程,对叶轮内部热传导及对流换热过程控制方程进行了适应性修正;采用全三维数值模拟与模型预估结果进行对比,结果表明:较之零维热网络模型,该模型能够将预估精度至少提高4%;原有只在三维仿真阶段考虑热边界影响的非绝热压气机设计方法相比,结合了该模型的设计方法,可将各自最佳效率点压比和效率分别提高11%和30%,同时,设计周期降为原有方法的14.3%。      

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

先顶后刹时摩擦焊接头金属的本构关系

采用正交多项式和回归分析方法,系统地研究了热力参数(顶刹时差、变形量、顶锻速度)与摩擦焊接头金属性能间的本构关系;探讨了热力参数对接头金属性能的影响规律,为高温合金与耐热钢摩擦焊接成形与控制提供了依据。     

声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

金属蜂窝夹芯面板有效导热系数的数值计算

对具有漫灰体内壁的金属蜂窝夹芯面板,忽略蜂窝内腔的空气导热,综合考虑蜂窝结构的热传导和热辐射等热传递过程,利用有限元方法求解了周期性分布的蜂窝单胞稳态热传导控制方程,蜂窝内壁的边界条件是由净热量法得到的热辐射换热积分方程,由胞元的温度场分布数据及Fourier定律得到了蜂窝结构的有效导热系数。与现有文献相比,采用了较少近似的模型及较高精度的离散方法,计算结果表明计算模型及方法是可靠有效的。     

航发高温内腔温度场模型的建立与仿真分析

航空发动机内腔温度高、变化快，传统接触测试方法需要破坏结构或加载传感器于内腔获取温度数据。针对这种高温测量应用需求，从热传导和热弹性理论出发，理论分析了温度场作用下的钢质薄板变形特性。基于热弹性的基本方程和边界条件，研究了符合轴对称原则的金属薄板的应力、应变、位移、温度之间的数学关系，建立了多项式方程求解金属薄板温度位移模型。依据金属薄板材料参数和边界约束条件，有限元仿真分析了金属薄板的热变形状态，仿真结果与建立的模型计算数据比对验证基本一致，初步验证了温度计算模型的可靠性，为微变形内推温度测量提供可能。     

A hybrid lattice Boltzmann flux solver for integrated hypersonic fluid-thermal-structural analysis

In this paper, a hybrid Lattice Boltzmann Flux Solver (LBFS) with an improved switch function is proposed for simulation of integrated hypersonic fluid-thermal-structural problems. In the solver, the macroscopic Navier–Stokes equations and structural heat transfer equation are discretized by the finite volume method, and the numerical fluxes at the cell interface are reconstructed by the local solution of the Boltzmann equation. To compute the numerical fluxes, two equilibrium distribution functions are introduced. One is the D1Q4 discrete velocity model for calculating the inviscid flux across the cell interface of Navier–Stokes equations, and the other is the D2Q4 model for evaluating the flux of structural energy equation. In this work, a new dual thermal resistance model is proposed to calculate the thermal properties at the fluid–solid interface. The accuracy and stability of the present hybrid solver are validated by simulating several numerical examples, including the fluid-thermal-structural problem of cylindrical leading edge. Numerical results show that the present solver can accurately predict the thermal properties of hypersonic fluid-thermal-structural problems and has the great potential for solving fluid-thermal-structural problems of long-endurance high-speed vehicles.     

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.     

三维颗粒增强复合材料细观温度场计算

将高阶理论推广到三维情况,采用界面平均温度代替温度函数中待定系数作为未知量,并取消了亚子胞的概念,减少了求解方程数量,有效地提高了计算效率.在单胞的热分析过程中,利用热流与平均温度之间的关系建立子胞热传导方程,进行温度场求解,并与有限元法计算结果进行了比较,验证了该方法的正确性和有效性.      

总压形式的能量方程与热阻问题

本文根据热力学第二定律的熵方程和稳定流的能量方程导出了用总压表示的一维定常流的能量方程。这是不同于稳定流能量方程和伯努利方程的另一种形式的能量方程。