Shape control of spacecraft formation using a virtual spring-damper mesh

This paper derives a distance-based formation control method to maintain the desired formation shape for spacecraft in a gravitational potential field. The method is an analogy of a vir-tual spring-damper mesh. Spacecraft are connected virtually by spring-damper pairs. Convergence analysis is performed using the energy method. Approximate expressions for the distance errors and control accelerations at steady state are derived by using algebraic graph representations and results of graph rigidity. Analytical results indicate that if the underlying graph of the mesh is rigid, the convergence to a static shape is assured, and higher formation control precision can be achieved by increasing the elastic coefficient without increasing the control accelerations. A numerical exam-ple of spacecraft formation in low Earth orbit confirms the theoretical analysis and shows that the desired formation shape can be well achieved using the presented method, whereas the orientation of the formation can be kept pointing to the center of the Earth by the gravity gradient. The method is decentralized, and uses only relative measurement information. Constructing a distributed virtual structure in space can be the general application area. The proposed method can serve as an active shape control law for the spacecraft formations using propellantless internal forces.     

一种三维并行自适应计算方法

基于串行网格划分软件METIS与并行化消息传递编程接口（ MPICH2）对现有串行自适应程序进行简单的并行化改造,给出了一种三维可压缩无粘流数值模拟的并行自适应方法。首先利用单个进程调用METIS,串行划分网格;然后对所有进程并行计算以获得初始网格下的流场解;再次利用单个进程对整个流场运用自适应方法进行局部网格加密并调用METIS串行划分网格;最后全部进程在流场初始解的基础上继续并行计算,以获得自适应网格下的流场解。数值模拟算例验证了此方法的可靠性与高效性。     

变构型航天器参数化前处理方法

针对变构型航天器结构不固定的问题,基于VC 6.0软件对Trail及Session进程文件开发的方式,研究了利用Pro/E及Patran软件对航天器进行参数化建模及网格划分的具体操作方法,通过IGES中间文件的形式,将Pro/E及Patran相连接,利用VC开发工具建立了一套变构型航天器参数化前处理平台。采用两舱构型航天器对参数化前处理方法及平台进行了验证,结果表明:该参数化建模及网格划分方法切实可行,可为变构型航天器的静力学、动力学、热、结构等分析过程的前处理方法提供参考。     

AUTOMATIC FINIT EELEMENT MODELING OF A WING

研究了建立机翼有限元模型的自动化。用行列法标识结构的部件（肋、梁、蒙皮、立柱），并用简单明了的表格界面来输入所有部件的几何、网格密度、材料、载荷、边界条件等参数。设计并用ＰＣＬ（ＰＡＴＲＡＮｃｏｍｍａｎｄｌａｎｇｕａｇｅｕｎｄｅｒＰＡＴＲＡＮ６．０）编制了相应的自动化建立整个机翼有限元模型的用户化程序模块。作为算例建立了ＶＦＷ６１４机翼的有限元模型并用ＮＡＳＴＲＡＮ６８进行了计算。结果表明，本方法有效和高效。     

基于离散等价方程的非结构网格有限差分法

激波装配法把解析关系式嵌入流场避免了间断引起的理论问题，使全场一致高精度的实现成为可能，有望解决超声速流动转捩研究中的感受性模拟难题。但装配复杂激波结构以后，被分割的流场空间常出现不规则的几何形状，这给常规的基于结构网格的有限差分法应用带来困难。基于离散等价方程理论，提出了一种新的基于非结构网格的有限差分法，在空间二维离散点附近仅用3条网格线就可以构造出一阶迎风格式。数值算例表明收敛过程对网格质量不敏感，解决了激波装配法模拟激波相交出现小夹角后使用结构网格进行计算存在的难题。根据这种方法的特点展望了未来的应用前景。     

非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

非结构混合网格鲁棒自适应技术

数值格式、湍流模型和计算网格是影响CFD数值模拟精度的3个主要因素。结合流场信息的网格自适应技术具备动态优化计算网格的能力，被NASA列为未来CFD发展的一项关键技术。本文针对非结构混合网格，发展了网格单元分布优化、表面网格几何投影和空间网格协调匹配3项关键技术，建立了高鲁棒性几何保真的网格自适应系统。首先，为了提高自适应方法的鲁棒性和通用性，发展了基于标准面网格的多面体网格单元分布优化方法。其次，发展了仅依赖表面网格信息的局部曲面重构技术，采用参数点映射方法实现了新增表面网格点的几何投影，消除了自适应系统对几何CAD系统的依赖。再次，采用改进的距离函数方法实现了空间网格与投影后表面网格的快速匹配。最后，结合基于流场特征的自适应探测器，采用二阶格式的有限体积方法，开展了30P30N三段翼绕流和三角翼大迎角绕流的网格自适应数值模拟。结果表明，通过网格自适应对网格单元的分布进行优化后，流场求解的收敛性和模拟精度都得到了显著提高。     

三维非结构网格的生成及其应用

采用阵面推进法生成了高质量的三维四面体非结构网格，该方法的特点是在生成单元的同时引入结点，与其他预布结点的方法相比，其好处是能更好地控制网格单元尺度在整个计算域的合理２并提高网格质量。用Ｄｅｌａｕｎａｙ方法连接存储有控制参数的结点生成了背景网格。网格生成过程中采用了合理的数据结构，有效地提高了程序运行效果，最后给出了Ｍ６机翼的数值算例。     

一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略及其应用

研究了一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略。在数据结构方面，设计了局部化的数据组织方式，节约了内存与计算时间。发展了一种跟踪模拟分子迁移的算法，该算法仅需少量的逻辑运算与代数运算，不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移，而且可以准确判别分子与物面是否相互作用，搜索过程中的附带信息给出了分子与物面碰撞的精确时间与位置，避免了重新计算。引入碰撞距离的思想，既减少存储又保证正确的模拟结果。在程序编制过程中，我们充分展现了Fortran90高级语言的主要特性，引入动态数组、指针、链表以及派生类型数据，编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。     

燃气流过有机玻璃圆管内的数值模拟

为了掌握燃气流过有机玻璃圆管的降温情况,以设计出可以实现所要求的燃气出口温度的控温装置,通过建立管内壁热降解瞬态热传导数学模型,得到移动气固交接边界计算网格的速率时间形。基于STAR-CD软件,通过编写用户子程序模拟出管中流体平均体积温度与管内壁面温度之差沿轴向的时间形。在气流与固壁之间的热流量沿轴向一致的条件下,通过加入降解退移速率的第三类热边界条件方程,求解出不同时间管内壁面轮廓沿轴向变化情况,模拟值与试验结果基本吻合。