机翼结构有限元的快速建模及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了在OpenCADS(Open Conceptual Aircraft Design System)这一按照面向对象方式进行数据组织的计算机辅助飞机总体设计系统中进行飞机机翼结构有限元快速建模及自动化调整的措施.提出了采用梁单元和壳单元进行概念设计中机翼结构有限元的等效处理方法,定义了以翼肋为标定的结构有限元节点及各单元的编号规则,设计了相关的数据类组织与应用逻辑,以此为基础实现了机翼结构有限元模型的自动化调整,为概念设计阶段进行多学科设计优化奠定了基础.通过设计实例及其应用验证了方法的有效性和可靠性.      

基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化

针对民用飞机中广泛采用的双梁式机翼结构,以机翼结构纵向构件(长桁)和横向构件(翼肋)的数量为参数生成机翼CAD模型,然后基于Patran的PCL(Patran Command Language)语言,根据整体模型分割、局部模型编号、局部网格控制、整体有限元生成的思路,实现了以纵向和横向构件的数量变化为基础自动进行机翼结构有限元模型的构建及分析,并将上述流程集成到机翼结构的布局优化中.最后参照某大型民用飞机的机翼外形尺寸建立了CAD模型,以机翼的静强度、刚度和蒙皮稳定性为约束,以机翼结构质量最低为目标,对上、下蒙皮长桁和翼肋数量进行了优化.优化后的布局使机翼结构质量降低了10.1%,表明了布局优化方法的有效性和可行性.     

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。     

民用飞机机翼结构快速设计及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了民用飞机机翼结构及整体油箱的设计措施,并在一个开放式飞机总体设计环境中实现这一功能.定义了飞机翼面坐标系,提出了机翼、梁/墙、桁条、翼肋和蒙皮的参数化描述及模型构建方法,建立了交互式机翼结构及油箱三维设计环境,自动获取结构及油箱的体积、重量、重心和惯性矩等物理信息.在此基础上,实现了机翼结构和整体油箱的自动化模型调整及几何体质量特性的自动重算,为总体设计阶段进行飞机重量、气动和结构的多学科设计优化奠定了基础.最后,给出设计实例说明了机翼结构的设计和自动化调整方法是有效的.     

直升机概念设计中的部件参数化

为了满足直升机概念设计阶段对方案快速建模的要求,在面向对象技术的基础上提出了直升机概念设计阶段部件的建模分类方法,并且建立了一个计算机辅助直升机概念设计系统.应用非均匀有理B样条NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲面和基于特征的部件造型技术,实现了各种型式直升机方案的参数化建模.其中结合设计参数提出了旋翼的桨叶、桨尖、桨毂以及整流罩的描述参数,并对涵道尾桨进行了分段造型处理.最后给出了该系统中生成的两个设计方案作为实例以验证所提出方法的便捷性和有效性,这些方法也为进行设计方案的性能分析和优化等后续工作奠定了基础.      

多个裁剪参数曲面的有限元混合网格剖分法

根据冲压模具形状特点,对由CAD/CAM系统建立的冲压模具的多裁剪参数曲面数学模型,提出了一种符合冲压成形有限元分析需要的三角形和四边形混合网格剖分算法.按几何离散控制参数即最长边、最短边、距离误差和角度误差,将多裁剪参数曲面离散为多边形集.利用曲面曲线查找裁剪参数曲面相邻关系,建立B-Rep表示的曲面几何模型,并更新多边形集.然后由多边形集得到三角形和四边形混合网格,结果网格单元是相容的,在相邻裁剪参数曲面边界处无裂缝和覆盖.      

卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

 在卫星轨迹控制系统的状态空间模型的基础上,通过分析卫星的轨道动力学方程,给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述;基于线性系统的特征结构配置和模型参考理论提出一种卫星轨迹跟踪控制的参数化方法,设计系统的反馈镇定控制器和前馈跟踪控制器。分别进行卫星悬停和绕飞两种指令下的仿真。仿真结果表明,提出的控制方案是行之有效的。     

涡轮叶片的网格参数化方法及其寿命可靠性优化

涡轮叶片的寿命可靠性优化对保障发动机安全,提高发动机使用寿命具有重要意义。传统的确定性优化由于没有考虑不确定性因素的影响,其结果往往导致结构可靠性低,严重威胁发动机的安全。针对复杂的含气膜孔几何变量的涡轮叶片几何构型,提出局部参数化网格变形方法,在关注的叶片前缘部分采用六面体网格,并利用局部网格变形法实现其参数化变形,其他部分采用四面体网格,以缩短其网格划分时间,提高其网格划分效率。所提方法实现了不确定条件下的含气膜孔几何变量涡轮叶片的寿命可靠性优化,在满足可靠性约束和几何约束的条件下,使得涡轮叶片基于不确定性的寿命均值提高了18.36%。     

利于翼型优化设计的超临界翼型参数化方法

为减少超临界翼型优化中的设计变量,消除优化结果的不光顺现象、保证C₂连续,在优化过程中控制翼型几何特性的变化范围,设计出了由4条首尾相接的有理Bézier曲线表示的超临界翼型的翼型参数化方法,该方法对翼型数据的参数化过程中主要运用了Bézier曲线拟合算法与SPSA(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation)优化算法,并在Bézier曲线拟合算法中使用了有别于常用方法的数据点参数选择方法.将这种超临界翼型参数化方法与优化算法结合便可实现翼型优化设计,其中的设计变量为21个,优化结果不仅光顺且满足C₂条件,通过设定设计变量变化范围便可控制相应的翼型前缘半径、上下弦最高最低点的位置与曲率、尾部契角等几何特征.      

复合材料仿骨缝齿接结构建模与力学特性分析

针对复合材料仿骨缝齿接结构模型表述复杂性问题,基于MATLAB与Python语言对有限元分析软件ABAQUS进行二次开发,提出了复合材料齿接结构的参数化构建方法。并以此为基础,初步研究了齿顶角、基线类型、层级与结构力学性能之间的关系。研究结果表明,在拉伸载荷作用下,具有小齿顶角度、复杂基线特性、高层级特性的齿接结构可以表现出更好的力学性能。通过本文工作,实现了齿接结构的参数化构建,初步揭示了齿接结构承载能力、损伤机理和几何形貌之间的关系。     

考虑膨胀效应的UH模型及其有限元实现

超固结非饱和土统一硬化(UH)模型在分析超固结非饱和土问题中有广泛的适用性,其不仅可以使超固结状态下的湿化模拟更为合理,也能够反映超固结非饱和土的硬化、软化等特性。在超固结非饱和土本构模型的基础上,考虑土体团粒的吸水膨胀作用,提出了考虑膨胀效应的UH模型。该模型只比超固结非饱和土UH模型增加了一个参数,不仅能够描述普通加载路径下超固结膨润土的应力应变特性,还能反映其在湿化路径下的膨胀效应。基于有限元软件的二次开发平台,进行了考虑膨润土膨胀效应UH模型的有限元实现,并通过对三轴试验和膨胀力试验的数值模拟,验证了模型子程序的合理性。      

热障涂层红外热无损检测的建模和有限元分析

在柱坐标系下以轴对称模型描述热障涂层结构TNDT(Thermal Non-Destructive Testing)的瞬态热传导,建立相应的物理模型.用有限元分析软件ANSYS计算热障涂层结构受热脉冲激励后的温度场,研究TNDT可检信息参数(如最大温差和最大对比度)与脱粘缺陷半径、深度、涂层厚度的关系.结果表明,在涂层厚度一定时,最大温差和最大对比度与脱粘缺陷半径成非线性关系,它们随着缺陷半径的增大而增加,且存在上限饱和值;在缺陷半径一定时,最大温差和最大对比度与涂层厚度成非线性关系,且随着涂层厚度的增加而减小.这些研究结果为热障涂层内部脱粘的红外热无损检测及表征提供了基本理论依据.     

用广义扩展有限元计算界面裂纹应力强度因子

广义扩展有限元法(GXFEM)是一种结合广义有限元法和扩展有限元法特点的新的数值模拟方法。给出了分析双材料界面裂纹应力强度因子(SIF)的广义扩展有限元法的基本原理。提出了一种新的双材料界面裂纹尖端富集函数,将裂纹尖端富集函数由12项缩减为6项。双材料界面不连续,在常规有限元法的位移模式中加入基于水平集的富集函数,同时将裂纹单元结点和裂纹尖端单元结点自由度广义化,提高了计算精度。通过与文献结果的比较,表明了提出方法的精确度和可靠度。      

月球着陆器着陆腿非线性有限元建模与仿真

为了准确地预测着陆冲击过程中着陆腿的载荷缓冲和吸能性能用于指导着陆缓冲机构的设计和优化,采用非线性有限元方法进行着陆冲击动力学仿真.建立了单腿着陆冲击有限元模型,采用ABAQUS/Explicit显式动力学程序作为求解器.为提高计算效率,采用了质量缩放技术.对2个单腿着陆冲击工况进行了动力学仿真分析,通过与试验数据的对比证明了分析结果的正确性.分析结果表明:非线性有限元模型可以综合考虑各种非线性因素的影响,能较准确地预测着陆腿着陆缓冲性能;着陆腿的弹性对套筒间的摩擦力有较大的影响,增大着陆腿刚度可以减小摩擦力.     

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.     

三维四向编织复合材料改进模型弹性性能计算

针对三维四向编织复合材料,在改进的矩形截面单胞模型的基础上,考虑了相邻纤维束之间的界面粘结效应,推导了单胞的几何特性与编织工艺参数之间的数学关系,并且采用ANSYS软件建立了实体有限元模型,得到了等效弹性性能参数;之后,分析了各工艺参数对弹性模量的影响规律.通过有限元计算的材料弹性性能常数与试验数据符合较好,较为真实地模拟了该材料的细观结构,对三维编织复合材料的设计和工艺具有一定的参考价值.