基于混合粒子群算法的航空发动机数学模型解法

以双转子混合排气涡扇发动机为研究对象,研究了粒子群算法(PSO)应用于航空发动机性能仿真时,控制参数对模型收敛性的影响,并结合N+1点残量法的优点,提出了在模型不收敛点采用粒子群算法与N+1点残量法交替计算的混合算法。理论分析与数值仿真结果表明,该算法既保持了N+1点残量法的高效率、高精度计算,又继承了粒子群算法大范围收敛的优点,可实现模型大范围、高效率、高精度收敛。     

An SOR Implicit Time-accurate Scheme in Calculating Unsteady Flows

A new time-accurate marching scheme for unsteady flow calculations is proposed in the present work. This method is the combination of classical Successive Over-Relaxation (SOR) iteration method and Jacobian matrix diagonally dominant splitting method of LUSGS. One advantage of this algorithm is the second-order accuracy because of no factorization error. Another advantage is the low computational cost because the Jacobian matrices and fluxes are only calculated once in each physical time step. And, the SOR algorithm has better convergence property than Gauss-Seidel. To investigate its accuracy and convergency, several unsteady flow computa- tional tests are carried out by using the proposed SOR algorithm. Roe’s FDS scheme is used to discritize the inviscid flux terms. Un- steady computational results of SOR are compared with the experiment results and those of Gauss-Seidel. Results reveal that the numerical results agree well with the experimental data and the second-order accuracy can be obtained as the Gauss-Seidel for unsteady flow computations. The impact of SOR factor is investigated for unsteady computations by using different SOR factors in this algorithm to simulate each computational test. Different numbers of inner iterations are needed to converge to the same criterion for different SOR factors and optimal choice of SOR factor can improve the computational efficiency greatly.     

Finite-time sliding mode attitude control for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system

This paper proposes a finite-time robust flight controller, targeting for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system(RCS). Firstly, a novel finite-time attitude controller is pointed out with the introduction of a nonsingular finite-time sliding mode manifold. The attitude tracking errors are mathematically proved to converge to zero within finite time which can be estimated. In order to improve the performance, a second-order finite-time sliding mode controller is further developed to effectively alleviate chattering without any deterioration of robustness and accuracy. Moreover, an optimization control allocation algorithm, using linear programming and a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator, is designed to allocate torque commands for all the aerodynamic surface deflections and on–off switching-states of RCS thrusters.Simulations are provided for the reentry vehicle considering uncertain parameters and external disturbances for practical purposes, and the results demonstrate the effectiveness and robustness of the attitude control system.     

翼身融合民机典型PRSEUS受压壁板屈曲及渐进损伤分析

由NASA和波音公司共同提出的拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），由于具有优异的抗压稳定性和止损/止裂等承载优势，已成为解决翼身融合布局民机非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题的主要途径。本文针对典型PRSEUS受压壁板结构，开展了线性/非线性屈曲及渐进损伤分析；提出了综合考虑蒙皮、止裂带、长桁翻边、隔框翻边等一体化缝合元件贯穿支撑构型几何关系和偏置参考面的建模方法，提高了PRSEUS受压壁板有限元模型的精度；提出了综合考虑屈曲特征值、非线性屈曲载荷等多影响因素的网格收敛性分析方法，提高了PRSEUS受压壁板屈曲分析的计算效率；提出了最小屈曲特征值、几何节点偏移以及最小屈曲特征值-几何节点偏移组合式等3种初始缺陷引入方法，提高了PRSEUS受压壁板损伤分析的计算精度；完成了基于纤维与基体损伤本构关系的典型PRSEUS受压壁板非线性屈曲损伤分析，通过与试验结果对比，给出了针对PRSEUS结构的非线性屈曲渐进损伤演化分析方法。为翼身融合布局民机PRSEUS结构的稳定性/损伤分析和设计提供了方法和技术支撑。     

火箭大偏航入轨双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制

为实现参数不确定和扰动下运载火箭大偏航入轨过程高精度姿态稳定控制,提出了一种双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法。首先基于运载火箭飞行动力学方程构建了面向控制的姿态模型;然后分析模型中存在的复合扰动,构建双回路扰动观测补偿滑模控制框架;通过引入有限时间收敛微分器、观测器和滑模控制器,实现了运载火箭姿态控制回路对姿态指令的高精度快速响应。该方法能够有效观测并补偿同时存在的匹配和非匹配扰动项,提高运载火箭姿态控制系统对参数不确定的适应性。通过对比传统PID控制方法,充分验证了双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法的良好性能。     

无导引头也无惯导导弹的协同制导

为了在不依赖导弹间实时通信与导弹绝对位置信息的情况下实现无导引头也无惯导导弹的"发射后不管"，考虑为无导引头也无惯导导弹安装两个捷联探测器，从而可对有导引头导弹上的两个特定目标点进行探测。在此基础上，针对静止点目标分别采用一般的负反馈控制方法以及有限时间收敛原理设计了2种协同末制导律，并针对静止面目标采用动态逆控制设计了1种协同末制导律。上述协同制导律均可在有导引头导弹命中目标前实现无导引头也无惯导导弹的速度方向指向其攻击目标，而此后无导引头也无惯导导弹只需要作直线运动即可命中其攻击目标。仿真结果验证了上述协同制导律的有效性以及优势。     

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——风压极值探讨

针对风压信号呈现的非高斯特性和传统极限估计方法的局限,首次提出基于保证率和相关性的极值估计方法--全概率迭代法进行冷却塔表面脉动风荷载极值分析,并和传统的峰值因子法及改进的Sadek-Simiu法计算结果进行对比验证.结果表明:全概率迭代法避开了对随机过程的高斯分布假定,相比传统的极值估计方法其结果更加真实可靠;表达风压极值中脉动分量的峰值因子数值沿着环向和子午向变化显著,如取为同一数值则偏于危险或过于保守;采用全概率迭代法得到的表面风压系数极值分布曲线与规范取值相比,迎风面和负压峰值区域极值偏小,背风区域极值偏大,且最小值对应角度相差约10°.     

类X-37B航天器气动力天地相关性数值模拟

随着高性能计算机的发展,CFD已成为飞行器设计和流场分析不可缺少的重要手段,风洞试验与飞行数据的天地相关性问题正是其中一项重要的研究内容,X-37B作为继航天飞机之后美国发展的最成功的可跨大气层在轨飞行器,从气动特性角度分析其大气层内飞行走廊的状态对中国类似航天器的研制具有重要的借鉴意义。首先,对计算类X-37B布局飞行器的网格无关性及网格修正开展了研究,在此基础上提出的网格规模影响修正方法对该类飞行器的计算结果修正经过验证是可信的;然后,分别对比分析了雷诺数的影响和试验状态支架干扰的影响,完成了基于数值模拟的高空飞行与风洞试验气动特性差异分析。结果表明,网格规模主要对亚声速来流计算状态压差产生的轴向力影响较大,对法向力系数、俯仰力矩系数和纵向压心影响较小;雷诺数对该类飞行器气动特性特别是轴向力系数、阻力系数和升阻比有较大的影响,但随着马赫数的增加,影响特性开始变的非常复杂;由于风洞试验状态支杆存在,亚跨声速来流条件对该类飞行器的底阻影响很大,需要采取一定的方法和手段对支杆影响进行修正。     

基于Galerkin法的机载甚低频拖曳天线振动分析

通过对拖曳天线运动状态及其受力进行分析,建立了其动力学模型;针对模型复杂的非线性和耦合性,在考虑天线旋转平衡时构型的基础上,采用Galerkin法研究求解了其末端锥袋的非线性振动。通过仿真并对多阶Galerkin方法截断求解结果进行比较,验证了Galerkin方法求解时的收敛性和可靠性。仿真结果表明,在无风条件下,拖曳天线的末端锥袋振动不会对机载甚低频通信系统的通信质量产生明显的影响。     

流体网络节点残量修正算法的改进

为了提高流体网络求解的收敛性与稳定性,对网络节点残量修正算法进行改进。基于理论分析,提出使残量修正算法大范围收敛的初值赋值规律,并通过简单模型的数值分析加以验证;在节点残量修正显式迭代的基础上,提出隐式梯形迭代格式,扩大最大迭代步长。基于改进方法,以某典型航空发动机空气系统为例进行计算,获得空气系统各节点的压力、温度以及各支路的质量流量。该计算过程显示,相对于残量修正显式迭代,改进计算振荡大幅度减弱,收敛速度提高了80%以上。结果表明:改进算法有效地提高了流体网络求解的稳定性和收敛性。