三角形机翼参数化有限元网格划分与调整方法

为缩短有限元建模周期,提高三角形机翼结构分析、设计与优化的效率疲,首先,以其满足预定气动性能的几何外形为输入,定义了易用的有限元节点与单元的编号规则;基于可设计的机翼内部构型参数及可变的有限元尺寸参数的设置,引入了翼肋贯穿截止准则以满足任意输入的内部构型的初步判断;借助自定义形状矩阵完成了节点布置与单元生成,进一步通过有限元网格细化完成了开口设置、翼肋贯穿位置修正及桁条建模.然后,基于已建立的有限元网格实现了内外侧副翼翼肋位置的小幅调整及旋转舵面的角度调整,以满足不同飞行状态下结构分析需求.最后,应用PCL语言开发了参数化建模模块,实例表明了方法的有效性和模块可靠性.      

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.      

MW 级太空发电站微波能量波束指向控制精度分析

MW 级太空发电站是太空发电站事业发展规划的重要步骤,其微波能量传输系统的波束指向控制精度影响着波束收集效率。本文面向百米级能量发射天线,提出合理的微波能量波束指向控制精度要求。针对能量波束的渐变特性,以微波能量收发口径、传输距离和工作频率为约束,以系统对波束收集效率下降的容限为考察目标,建立了微波能量传输系统的波束指向控制精度分析模型,并提出了分析方法。应用提出的方法进行了数值仿真分析,根据仿真结果指出MW 级太空发电站微波能量传输系统的波束指向控制精度应为0.0023°,此时因微波能量波束指向偏离导致的波束收集效率下降不超过1%。这一指标可作为MW 级太空发电站微波能量传输系统重要设计参考。     

MW级太空发电站微波能量波束指向控制精度分析

MW级太空发电站是太空发电站事业发展规划的重要步骤,其微波能量传输系统的波束指向控制精度影响着波束收集效率。本文面向百米级能量发射天线,提出合理的微波能量波束指向控制精度要求。针对能量波束的渐变特性,以微波能量收发口径、传输距离和工作频率为约束,以系统对波束收集效率下降的容限为考察目标,建立了微波能量传输系统的波束指向控制精度分析模型,并提出了分析方法。应用提出的方法进行了数值仿真分析,根据仿真结果指出MW级太空发电站微波能量传输系统的波束指向控制精度应为0.0023°,此时因微波能量波束指向偏离导致的波束收集效率下降不超过1%。这一指标可作为MW级太空发电站微波能量传输系统重要设计参考。     

五面体可展桁架单元展开特性分析

为满足大型空间桁架结构太空在轨装配的需要,根据五面体可展桁架单元可以组合成多种类桁架结构的特点,设计了一种五面体可展桁架单元,发射到太空后用于桁架结构的组装。为分析五面体可展桁架单元的运动特性,利用螺旋理论对该五面体可展桁架单元进行了自由度分析;采用了D-H坐标变换方法对该五面体可展桁架单元进行了运动学分析,并推导了展开过程的运动学方程;采用拉格朗日法对五面体可展桁架单元进行了动力学分析,给出了展开过程的动力学方程。分析结果表明,该五面体可展桁架单元展开过程中自由度为1;推导的运动学公式曲线结果与Adams仿真软件的仿真结果高度吻合,能很好地描述该结构的展开运动过程;增大扭簧的刚度对展开的运动参数变化趋势没有明显影响;节点的加速度不仅与扭簧的驱动力有关,还和节点位置和速度有关。在展开后期,节点位置和节点速度对节点加速度的影响比较明显。     

知识驱动飞机翼面结构快速设计

为提高飞机翼面结构初步设计阶段的质量和效率,对飞机翼面结构的建模过程进行研究.定义了结构布局坐标系及构件位置参数引用规则,提出了基于模板的翼面结构快速建模的方法.选择适合的参数化工具开发了知识驱动的飞机翼面结构的快速设计系统,将设计方法、规则及专家经验等知识进行封装,实现了翼面结构的自动布局并生成布置模型.在此基础上针对模型不同单元的生成逻辑,分别进行了实体模型的建立,通过用户自定义特征(UDF,User-Defined Features)技术进行几何特征体的参数化建模,在布置模型基础上自动实例化.最后通过飞机机翼翼盒结构实例验证了方法的可行性和有效性.     

知识驱动飞机翼面结构快速设计

为提高飞机翼面结构初步设计阶段的质量和效率,对飞机翼面结构的建模过程进行研究.定义了结构布局坐标系及构件位置参数引用规则,提出了基于模板的翼面结构快速建模的方法.选择适合的参数化工具开发了知识驱动的飞机翼面结构的快速设计系统,将设计方法、规则及专家经验等知识进行封装,实现了翼面结构的自动布局并生成布置模型.在此基础上针对模型不同单元的生成逻辑,分别进行了实体模型的建立,通过用户自定义特征(UDF, User-Defined Features)技术进行几何特征体的参数化建模,在布置模型基础上自动实例化.最后通过飞机机翼翼盒结构实例验证了方法的可行性和有效性.     

空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法

利用光滑质点动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟.在数值模拟中,为了充分发挥SPH方法和有限元方法FEM(Finite Element Method)的优点,利用有限元单元和SPH节点混合建模,将有限元单元和SPH节点(SPH nodes)通过定义接触条件相结合,在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模,而小变形区域则采用有限元单元建模,从而大大节省求解时间,提高计算效率.计算结果表明,弹丸在穿透前板后,形成二次碎片,碎片云经膨胀和拉长,对后板造成轻微的损伤,这和文献的相关试验数据是符合的.利用SPH方法对空间碎片的超高速碰撞过程进行数值模拟,不仅很好地预测了Whipple防护结构的破坏情况,而且对整个碰撞过程,包括碎片云的形成、膨胀和拉长过程都有形象的描述,符合超高速碰撞的试验测试结果.     

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

一种典型盘式单向阀的动力学建模与优化设计

盘式单向阀特性对其簧片参数十分敏感,为了提高阀的高频工作性能,针对典型的三曲梁式簧片结构,研究了一种通用的单向阀动力学建模与优化方法.建模过程中,给出了簧片关于曲梁宽度、弧度及簧片厚度等参数的插值模型,利用有限元方法获得了插值参数.在此基础上,推导了整个盘式单向阀的动力学模型.利用粒子群优化方法对簧片参数进行优化,设置模型输入为正弦压力信号,优化目标为阀的净输出流量最大.优化结果表明:随着工作频率提高,簧片最优厚度增大,同时单向阀最大净输出流量减小.实验与仿真结果一致,证实了上述方法简单可行,可用于工程实际中合理设计和选择盘式单向阀.     

低可探测机身参数化造型与优化

为提高低可探测机身外形造型效率,在概念设计中针对典型机身剖面研究了参数化造型方法.定义了若干设计参数对B样条的控制顶点进行调整,从而用单条B样条表示出机身和座舱盖的典型剖面,包括尖劈及凹凸曲线等.以此为基础,构造了一系列参数化剖面曲线模板,调整选用模板的参数生成机身各站位处外形,从而实现了机身快速造型.最后,利用提出的方法建立了两种隐身飞机概念方案的外形,并以侧向雷达散射截面为目标分别进行了优化,验证了该方法在机身外形优化中的有效性.      

航天飞行器铸件舱段结构快速设计方法

为提高航天飞行器铸件舱段在方案论证阶段的结构设计效率、设计质量和迭代效率,基于航天飞行器复杂曲面结构特点对铸件舱段结构特征参数进行研究,提出曲线比率法以描述纵筋参数化布局;定义骨架模型发布元素,以实现铸件舱段的Top-Down设计。提出航天飞行器铸件舱段结构快速参数化设计方法,通过定义特征命名规则和创建特征集合实现建模规范化,通过封装舱段设计知识实现设计快速化,通过创建特征参数和公式实现特征参数化。通过建立交互式铸件舱段结构快速设计环境,实现铸件舱段结构的快速实例化、快速修改,并以航天飞行器铸件舱段为例验证了所提方法的可行性和有效性。      

横向加强构件作用下的开口薄壁梁等效建模方法

卫星结构中通常有大量横向加强构件作用下的开口薄壁杆件,横向加强构件一般沿杆件轴向均匀分布,通过对这类结构研究,理论上证明了这种结构的振动微分方程与普通的开口薄壁梁振动微分方程有相同的形式,因此可以用开口薄壁梁单元进行等效计算。本文建立了开口薄壁梁的3种数学模型:有限元模型、传递矩阵模型和解析模型。采用优化理论中序列二次规划对等效截面参数进行辨识,同时分析了不同目标函数对辨识结果的影响,并且提出了一种对截面初始参数进行估计的方法。对于有限元模型,提出采用MATLAB与ABAQUS交互式参数优化方法,充分结合二者优点可以快速高效地对截面参数进行优化辨识,具有较强的通用性。通过实验验证了这种等效建模方法的正确性与精确性。所提出的等效建模方法可以减少90%以上的单元数量。通过建立这种简化模型,可以大幅度提高整星结构模型修正与结构重分析的效率。      

复杂结构振动控制设计与仿真方法研究

为了避免在建立结构数学模型过程中因简化和降阶引起的模型误差,解决复杂结构建模难的问题,提高控制器设计的准确性,提出了一种新的基于有限元法(FEM)的结构振动控制设计方法.该方法可借助于商用结构有限元分析软件来实现,简便易行,在PATRAN/NASTRAN环境中利用PATRAN命令语言PCL(Patran Command Language)建立了通用结构控制仿真平台.通过对压电自适应桁架结构的振动控制进行控制设计仿真和实验验证,证明了新方法的有效性;与Simulink使用简化模型的仿真结果相比,新方法的结果与实验结果更为接近,表明其准确性更高.该方法适用于对处在设计阶段的复杂结构进行控制设计与仿真评估.      

流体驱动高速机构中缓冲装置的优化设计

受流体驱动高速运动的机构,受阻后突然停止将导致零件变形甚至断裂.为得到缓冲结构的最佳方案,运用正交试验法从27种设计方案中确定了9个试验样本,并通过流固耦合与非线性有限元法对其高速运动与冲击过程进行了仿真分析.在此基础上,应用改进的BP(Error Back-Propagation)网络训练得到吸能结构参数与零件应变能的非线性映射关系.通过优化,得到了最佳方案,明显提高了方案优选效率.      

一种基于容腔节点的液压系统建模语言及实现

为实现直观面向系统原理图对液压系统建模,提出了一种基于容腔节点法的液压系统建模语言和一套新的建模语言描述规则,并阐述了利用该建模语言进行程序实现的方法.该建模语言将液压系统的拓扑结构抽象成具有容腔节点和元件节点的图形结构.液压元件模型独立封装,可模块化使用.在建模语言描述规则的基础上,生成容腔节点与元件节点的连接矩阵.所有节点和连接矩阵构成了系统的整体模型.通过典型智能液压泵系统建模过程,验证了该建模描述语言的正确性和有效性.结果表明:该基于容腔节点的液压系统建模语言可方便建立符合液压系统原理的拓扑图,并面向系统原理图自动生成系统模型.      

基于STEP的航空发动机工作叶片特征建模

对并行工程环境下航空发动机转子工作叶片基于特征的设计进行了研究和探索.在对叶片的结构特点进行分析的基础上,借助参数化特征建模技术,按照STEP(AP203/AP214)标准,建立了工作叶片的特征体系结构,并以此实现了一个三维实体特征建模系统.继而,在实现了模型由设计平台向分析平台的传递之后,成功地完成了模型的有限元静强度和振动分析.