一种改进的浸入运动边界算法

浸入运动边界是数值处理流固耦合作用的主要方法之一，其原始权重函数根据经验确定且形式固定，难以准确地定量描述复杂的流固现象。本文提出了一种新的权重函数对格子Boltzmann方法框架下的浸入运动边界进行修正，通过假定零固含率处的权重因子多阶导数为0，引入可调参数b增强权重函数对固含率的关联，实现了对固体边界渗透性能的改进。对静止圆柱绕流、Taylor-Couette流和振动圆柱绕流3个算例开展数值实验，结果表明：随着雷诺数的增加，原始权重函数预测的升阻力系数均高于文献结果，严重低估了边界处流体组分的作用；当新权重函数中的参数b为3时，改进的浸入运动边界效果最佳；新权重函数增强了固体边界的渗透率，提高了流场的预测精度，使平均误差降低了38.5%；最后，运用新权重函数成功地复现了振动圆柱绕流的锁频现象，表明改进的浸入运动边界在处理复杂的流固耦合问题方面具有广阔的应用前景。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

基于混合率模型的功能梯度材料火箭壳体振动特性分析

为了研究功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)火箭壳体的振动特性,本文发展了一种基于混合率模型的FGM材料性能计算方法。首先,对FGM壳体的材料分布特征进行了分析研究,建立了统一的材料公式模型,可表征材料性能沿厚度方向变化规律不同的多种FGM材料模型。其次,建立了FGM壳体材料的几何分层模型,基于混合率法则推导得到了宏观等效的正交各向异性材料性能参数表达式,并讨论了分层数对预测结果的影响。然后,将该方法用于带孔平板、圆柱壳体、锥形壳体和球形壳体的振动分析,计算结果与相关文献结果具有较好的一致性,最大误差不超过2.33%,表明本文方法具有较高的精度。最后,将本文方法成功用于FGM火箭壳体的振动特性分析,针对材料性能沿厚度方向的几种不同分布模式,计算了FGM火箭壳体的前10阶固有频率和振动模态。     

介质材料介电常数均匀性测试评价系统

介绍了针对介质材料的介电常数的均匀性测试方法,基于谐振微扰法和场分析理论,建立了圆柱腔内样品分段测试模型。利用工作在TM_(0n0)的圆柱腔进行方法可行性验证后,设计了一套由矢量网络分析仪、计算机、圆柱腔、移动装置等组成的介电常数均匀性测试系统,并利用自动化测试软件,旨在实现对介质材料介电常数的在线自动化均匀性测试。通过对三种典型介质材料进行均匀性测试分析,与材料制造商比对的测试差别分别小于0.02、0.04和0.15,证明了该均匀性能测试评价系统的可行性和有效性。     

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。     

亚临界雷诺数圆柱涡致振动的实验研究

近年来，数值模拟结果表明圆柱涡致振动现象可在低至20的亚临界雷诺数下发生，但目前尚无相关实验证明该种现象的存在。本文首先研发了适用于低雷诺数流固耦合实验的旋转水槽，而后在此基础上开展了亚临界雷诺数下圆柱涡致振动实验，分别研究了支撑频率和雷诺数对涡致振动响应的影响。发现圆柱涡致振动存在的最低雷诺数为23，与数值模拟结果接近，证实了亚临界雷诺数涡致振动的存在；另外，发生亚临界涡致振动时，在尾迹区观测到了频率与圆柱振动频率一致的卡门涡脱，说明弹性支撑特性会使得流动稳定性降低，证实了相关数值模拟结果的正确性。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

夹层复合材料圆柱壳表层的缠绕优化

以平衡型稳定网络为约束条件,以等强度和提高临界失稳载荷为设计目标,对夹层复合材料圆柱壳体的缠绕表层进行了优化研究。首先,基于等强度设计,得到表层的最优缠绕方式为螺旋加环型缠绕,且螺旋缠绕角应满足α≤54.7°;其次,以结构强度及稳定性为双重指标,采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同长径比的夹层复合材料圆柱壳的最优螺旋缠绕角α_(opt)。研究发现:当长径比0.5≤η≤3时,随η增加,表层的最优缠绕方式从单一螺旋加环型缠绕过渡至纵向铺放加环向缠绕,且最大临界失稳载荷Pcr近似呈二次递减关系。该优化方法不仅可达到轻量化要求,而且满足结构强度和稳定性双重指标。     

航空发动机低温壳体设计需求分析与指标确定策略

航空发动机的低温壳体在使用时需要满足相应的强度、刚度指标及质量要求。对发动机低温壳体在不同应用环境下进行定量需求分析以明确设计目标。通过QFD质量功能展开工具逐层分解客户需求、定位功能和物理参数,分析功能的重要性。通过模糊数学中的最大隶属度模糊评价原理,分析多种方案的适应性,得出定量分析结果,避免以往依靠经验和类比的不确定性。对优选的概念方案进行风险分析,识别重点失效模式并采取预防措施,获得设计关注的技术指标。实例分析结果表明:采取多种数理分析方法和实用工具对需求分析、方案决策、风险预估3个方面进行的方法研究和设计实践,有利于提高低温壳体的方案设计方法的科学性,具有一定的参考价值。