结构弹性碰撞问题讨论

结构弹性碰撞是一经典问题,但又面临不少新的工程需求。本文通过球-杆碰撞分析的结果,探讨若干重要参数对碰撞响应的影响,并检验常规振动响应分析用的模态叠加法在碰撞分析工程实践中的适用性。接着将等加权时间积分法、Newmark法和Wilson-θ法等三种隐式时间积分法用于质点-弹性杆的碰撞分析并比较所得的结果,以便为建立适合工程应用而又能保证所需精度的有效数值方法提供对策或参考。     

自由飞行下基于分段维纳过程的碰撞风险研究

在自由飞行下,飞机的碰撞风险与通信导航监视(CNS)定位误差、机载防撞系统可靠性等因素有关。CNS引起的定位误差可视为正态分布,以机载防撞系统告警区为界,在告警区外飞机视为匀速,相对距离视为一般维纳过程;在告警区内飞机为避撞进行航迹和速度调整,视为变速,相对距离视为伊藤过程。根据此相对运动特点,建立了基于维纳过程的分段碰撞概率模型,并对不同初始状态时的情形进行求解。算例结果表明了模型的可行性。     

一种基于自适应碰撞距离的DSMC虚拟子网格方法

为提高DSMC方法的计算效率及其对较高密度稀薄流问题的模拟能力,针对其碰撞对抽样环节,发展了基于自适应碰撞距离的虚拟子网格方法,并通过平板、钝锥等典型算例验证了该方法的正确性。结果表明:虚拟子网格技术放宽了DSMC方法对网格尺度的要求,可以在较大的网格尺度下得到满足计算精度要求的结果。     

一种多机协同打击的快速航迹规划方法

针对多架自杀式无人机对重要目标进行协同打击的问题,在飞行器运动学、飞行器碰撞、时空协同等约束条件下,提出了一种空间分层分布的协同打击策略,在满足飞行器碰撞约束的前提下,有效提高了对重要目标防御系统的抵抗能力与飞行器自身的生存率。在此基础上,进一步提出了一种空间协同的多机打击快速航迹规划方法,结合Dubins曲线,将飞行器数目增加带来的计算量指数增长的问题,转化为多项式乘积形式的计算量,实时生成满足时空协同要求的次优航迹。通过仿真实验与实际飞行试验验证了所提方法的有效性,无人机可以在生成航迹的引导下,有效到达打击目标。      

基于离散元的粉末燃料输送弯管两相流特性研究

弯管是粉末燃料冲压发动机燃料输送系统的重要组成部分,为了研究弯管内气固两相流的流场结构、颗粒碰撞以及压力损失的变化规律,基于连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型,考虑颗粒的碰撞受力和弹塑性形变,对铝粉在弯管内的流动状况进行数值仿真。研究结果表明：CFD-DEM算法相对于传统的双流体模型和轨道法,能更为准确地描述颗粒流的碰撞信息和两相流的流动状况。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少再增加的趋势,在本文研究的条件下,优选的流化气流量为6g/s~7g/s(流化气速度为3.0m/s~3.5m/s);在低流速下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流速的增高,颗粒与外侧壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯管的弯径越大,弯管内的总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。     

粒子撞击树脂涂层/铝/合金钢板的反弹特性试验

为了精准探索直升机进气粒子分离器性能,研究了砂粒撞击不同壁面材料的反弹特性。采用粒径为600～800μm的砂粒撞击树脂涂层/铝/合金钢板开展试验探究。设计的试验系统可实现单颗粒子撞击板面。撞击角度在10°～80°范围内变化,撞击前后的速度矢量由高速摄影仪拍摄获得。结果表明:撞击树脂涂层板时,法向恢复系数要高于撞击铝板及合金钢板的法向恢复系数。切向恢复系数主要受摩擦力的影响。同时由于阴影效应的影响,在接近切向/法向撞击时,切向/法向恢复系数分别出现大于1的现象。不同扫气比（SCR）下,应用砂粒撞击铝板的切向/法向恢复系数对粒子分离器进行数值模拟的分离效率与已有的分离器试验结果最接近。      

非球形粒子反弹分布特性试验探究

砂粒撞击发动机进气粒子分离器壁面会决定粒子的运动轨迹。为了获得不规则形状对反弹特性的影响,进行了600μm钢珠及600~800μm非球形石英颗粒撞击树脂涂层板/合金钢板/铝板的试验,并分析了统计分布规律。试验结果表明,球形颗粒的恢复系数较为集中,而非球形的石英粒子在相同角度下的恢复系数大致符合高斯分布。切向恢复系数分布则随着撞击角度增加变得更加集中,标准差在撞击角为10°时可达0.28。法向恢复系数趋势相反,标准差在70°时为0.38。法向恢复系数小于0的概率为0,且呈正偏态分布。不同材料壁面的恢复系数相对分布范围主要受粗糙度影响,但对于法向恢复系数,还受到法向分量引起的变形的影响。     

飞机管道颗粒碰撞阻尼器设计与试验验证

飞机管道振动超标是严重威胁飞机飞行安全的重要故障,降低飞机管道振动水平,对于提高飞机可靠性和安全性具有重要意义。针对难于施加管道卡箍约束的飞机管道结构的减振问题,设计了一种基于颗粒碰撞阻尼技术的管道减振器。该减振器通过特定的结构设计,在不影响现有管道结构的基础上,很方便地安装到管道上进行减振。其减振原理是基于减振器内部的颗粒碰撞而导致的能量耗散,从而提高管道结构的阻尼效应。因此,将此颗粒碰撞阻尼器安装在振动管道上,在管道发生共振的情况下,管道振动峰值将明显降低。本文基于所设计的管道减振器,利用振动台试验研究了颗粒填充率对减振效果的影响,发现改变阻尼器内部颗粒的填充率,管道的振动随颗粒填充率的增加有先减小后增大的趋势,同时利用EDEM颗粒流仿真软件计算了减振器振动过程中颗粒的能量耗散情况,发现颗粒能量耗散速率最大时所对应的颗粒填充率与试验过程中管道振动加速度降到最低时所对应的颗粒填充率达到了一致,仿真结果与试验结果取得了很好的一致性。最后,将所设计的颗粒阻尼减振器安装在液压动力源管道上进行实际减振试验,测试了在安装减振器前后,试验管道在X、Y、Z三个方向的振动加速度,经过对比分析,发现安装颗粒阻尼减振器后,液压管道的压力脉动频率下的振动水平得到了明显抑制,试验结果充分表明了本文所设计的飞机管道颗粒减振器的有效性和实用性。     

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

基于互相关碰撞强度谱的航天器碰撞定位技术

在针对空间碎片碰撞事件的碰撞定位技术中,传统方法是根据不同位置的碰撞信号到达时间差进行定位。对于加筋板而言,由于受到加强筋对信号的反射及衰减影响,采用传统定位方法无法实现准确定位。为解决上述问题,提出一种基于互相关碰撞强度谱的碰撞定位方法。该方法使用不同传感器之间的互相关系数曲线计算被测试件各位置的碰撞强度,构成碰撞强度谱,再通过查找碰撞强度谱中的最大值进行碰撞定位。为验证该方法的定位效果,共选取8个传感器13个实验点进行碰撞实验。结果证明该方法能够实现加筋板中的碰撞定位,通过选取适当滤波频带,平均定位误差最小为4.22 cm,满足航天器碎片碰撞定位应用需求。