基于优化的蜂窝板有限元模型修正

蜂窝板具有较高的比强度和比刚度,在航空航天领域得到广泛应用。用三明治等效方法计算蜂窝板等效材料参数,在MSC.Patran中建立有限元模型计算蜂窝板基频,通过分析设计变量和目标函数在NASTRAN中对蜂窝板基频进行优化,利用优化结果确定等效剪切弹性模量计算公式中修正系数γ并重新计算修正后模型基频,以试验所测基频值为标准对蜂窝板有限元模型进行修正。修正后模型计算基频值与实测值之间的偏差明显减小,证实了模型修正的有效性。     

ULE?叠层反射镜二维等效建模方法研究

ULE~?叠层反射镜是实现大口径、低面密度、高刚度空间反射镜的有效途径。为提高ULE~?叠层反射镜设计效率,文章基于蜂窝夹芯结构均质板等效理论,推导了叠层反射镜二维等效模型建模方法,利用有限元法计算二维等效模型自由模态频率,对比详细模型计算结果,验证等效模型计算精度,并结合设计实例验证该二维等效模型在叠层反射镜优化设计中的有效性。分析结果表明,叠层反射镜面密度大于40kg/m~2时,二维等效模型模态频率计算误差优于4%,满足优化设计精度要求。文章提出的叠层反射镜二维等效建模方法大幅缩减叠层反射镜有限元模型规模,实现叠层反射镜有限元模型高度参数化,有效提高了叠层反射镜设计效率。     

六自由度激励台的结构动力学等效建模

六自由度激励台是多轴同步振动环境模拟的重要地面设备,因其结构复杂且具有多个运动自由度,而难以构建准确的结构动力学模型。文章针对6-PSU构型激励台的结构动力学特性,提出其参数型建模与模型修正方法。首先确定模型修正的对象为含轴承和导轨等接触运动副的铰链与作动部件,提出采用刚度与质量解耦的方法建立其含参等效动力学有限元模型;然后以该等效模型为基础,通过模态参数修正铰链和作动部件等效梁模型参数,再利用频响函数修正模型中轴承和导轨的接触刚度参数,得到了修正后的激励台等效结构动力学模型。修正后的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了建模方法的有效性。     

ARMOR热防护系统蜂窝夹层板结构参数设计

对ARMOR热防护蜂窝夹层板采用结构-隔热一体化设计。将蜂窝夹层板按隔热能力相同等效成匀质材料结构,建立了蜂窝夹层板单位面积质量、单位面积热阻,以及力学参数与夹层板结构参数的函数关系。给出了基于改进粒子群算法的热防护蜂窝夹层板力学性能、稳定性和隔热性能等共同约束下质量最小的结构参数确定方法。算例结果表明：该算法具一定的减重效果。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

蜂窝芯层非线性等效弹性参数

考虑蜂窝壁板面内荷重对壁板弯曲的影响,对Gibson公式进行了修正,提出了一种蜂窝芯层的非线性等效拉伸弹性模量的拟合方法.讨论了蜂窝层合板的非线性响应,给出了x向拉伸和压缩、y向拉伸时的参数计算公式,以及某结构的应力一应变关系拟合结果,建立了蜂窝芯层非线性等效泊松比的计算模型.为蜂窝层合板的非线性动力响应分析提供了参考.     

非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

蜂窝夹层板强度分析模型对比研究

在蜂窝夹层板强度设计中,为了降低计算成本,并得到准确的计算结果,需要对蜂窝夹层板进行有效的等效建模。以简化的仪器安装板为例,对比研究了等效板、三明治夹芯板、三明治实体夹芯板和蜂窝体夹芯板4种强度分析模型,并基于蜂窝体夹芯板计算模型,对4种强度分析模型下的变形、应力和频率计算结果分别进行了对比研究,得到计算精度、适用范围等工程结论,同时形成相关软件应用界面,指导飞行器结构设计。     

碳纤维/铝蜂窝太阳翼基板热变形分析

以某卫星的碳纤维/铝蜂窝太阳翼基板为对象,研究了碳纤维层合板和铝蜂窝芯层弹性常数和热膨胀系数的等效计算。分别采用等效参数和I-deas软件中的Laminate铺层模型等方法,分析了高温和低温状态下太阳翼基板的热变形,并对计算结果进行了比较,初步说明热变形分析是可行的。面板铺层材料参数对基板的热变形影响很大,在建立分析模型时不能将其等效为各向同性的均匀材料。     

基于模态试验和冲击响应试验的模型动力学参数修正

为通过数值仿真计算方法准确预测冲击响应,基于模态试验和冲击响应试验,对响应板的碰撞冲击过程进行动力学参数修正。模态试验过程,通过响应面优化的方法对响应板的弹性模量、泊松比、厚度参数进行优化,优化后的固有频率计算值相对误差在±2%以内。冲击响应试验过程,冲头冲击高度6.3 cm条件下,对试验和数值仿真的响应谱曲线进行误差评价;基于响应谱各分析频率点均方根误差最小的优化目标,通过曲面拟合得到最优的质量阻尼系数和刚度阻尼系数。动力学参数修正后的模型在3个不同冲击高度条件下的冲击响应谱预测中,大部分频率段的误差在±6 dB以内,显著提高了预示精度。     

空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证

针对Hart-Smith板壳粘接缝模型不适用于空间薄膜结构粘接缝的问题及空间薄膜结构高精度设计中粘接缝二维模型缺失的问题,开展了空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证工作。首先基于Kirchhoff板理论建立了空间薄膜结构粘接缝的三维模型,计算了粘接缝内部剪应力和剥离应力分布;其次,将三维模型映射到二维,建立了薄膜粘接缝二维等效模型,给出了二维等效模型的杨氏模量和强度的计算方法;最后,对薄膜粘接缝二维等效模型进行了仿真校验,仿真结果表明,根据二维等效模型求得的杨氏模量误差为4.5%～11.8%,且该误差与粘接缝宽度正相关。仿真校验证实了粘接缝的主要失效模式为剪切,且粘接缝的等效强度不受粘接缝宽度影响。当粘接缝宽度为5 mm时,二维等效模型比Hart-Smith模型求得的等效强度误差减小了29.2%。薄膜粘接缝二维等效模型为空间薄膜结构高精度设计提供了参考。     

随机激励下铝蜂窝夹层板非线性特性研究

为研究铝蜂窝夹层板的非线性动力学特性,对铝蜂窝夹层板做不同激振量级下的随机振动试验,并作出非线性幅频图。系统的非线性频响函数的共振放大倍数随着激振量级的增加而减小,其特征与应用等效线性化及FPK法计算的带有非线性阻尼的系统理论得出的结果相似,拟合结果也表明试件的等效阻尼系数随外激励变化而变化,故得出文章中的试件带有非线性阻尼特性。铝蜂窝夹层板具有非线性阻尼特性这一结果可对航天器建模提供理论参考依据。     

整体壁板结构弯曲成形分析的等效塑性模型

大型整体壁板结构参数及成形工艺参数优化需要对壁板成形进行大量的非线性仿真计算,详细模型在计算时间和资源消耗方面难以接受,且不易收敛。通过弹塑性力学及回弹分析,基于应力和回弹后的变形等效,考虑了材料塑性变形强化效应,将整体壁板简化为某一虚拟材料的平板进行弹塑性弯曲等效分析。压弯和滚弯成形数值算例分析表明:在工程常用的弯曲半径范围内,变形计算误差在3.5%以内,应力误差在5%以内;等效模型大大减小了建模时间和资源,计算效率提高了70%以上,且计算易收敛;等效模型可以替代详细模型,为大型整体壁板结构参数及工艺参数优化、大型复杂形状壁板成形提供了快捷的分析方法。     

复合材料整流罩声学等效建模与低频隔声性能研究

运载火箭发射过程中的恶劣噪声环境会导致整流罩内部电子设备失效。开展整流罩的内声场环境预测以及隔声分析,对其降噪研究和优化设计具有重要意义。复合材料整流罩舱壁大量使用蜂窝夹芯板,基于蜂窝夹芯结构精细化模型开展整流罩内声场环境预示计算量大,无法适用。本文建立了复合材料蜂窝夹芯板的力/声学等效模型,并利用精细化模型验证等效模型的精度;进一步基于有限元-边界元方法对某整流罩结构进行低频声振分析;同时,对整流罩的隔声量进行了评价。结果表明:整流罩内声场在频率为160 Hz附近声学环境较为恶劣,整流罩的降噪研究应针对该频段进行。     

某型飞行器气动参数辨识与弹道仿真

以某型飞行器为例,运用气动参数建模分析的手段,建立典型空气动力学模型。将传统的模型辨识方法与现代计算机技术相结合,对气动力辨识输入参数进行了分析,采用迭代算法得出辨识参数,并对观测量和物理几何参数误差影响辨识精度进行了分析,选用某型飞行器现有试验测量数据作为输入量,进行气动参数辨识,将辨识得到的气动参数进行了仿真验证。利用辨识得到的气动参数仿真计算的弹道与试验结果吻合度较高,说明气动参数辨识可行。     

壳膜结构的等效模型及其力学特性参数计算方法

由二维三向编织碳纤维柔性基体复合材料结构构成的壳膜结构具有良好的面内力学特性、轻质量、高强度等特性,受到工程师青睐。航天器反射器是一种典型的大尺寸、轻质量的航天器结构,需要采用轻质量高强度的材料,壳膜结构即被认为可能满足此要求。本文对壳膜结构进行了等效力学特性分析,建立了基于材料力学等弯矩法的等效有限元模型,并进行了仿真求解,求解结果通过简单载荷的施加,验证了计算结果的准确性。在分析壳膜结构等效参数的基础上,对壳膜反射面进行了受重力情形变形与受重力前后主要模态的仿真计算。     

基于最小二乘法的热试验温度数据预测

航天器真空热试验中,温度数据的正确判读及预测十分困难,又十分重要。文章针对典型的太阳电池板试件建立了热模型,使用热分析中常见的有限差分法建立离散方程,通过最小二乘法拟合其系数,以预测下一个测控周期各个测量点的温度,并提出了滑动窗口修正的方法。基于某型号电池板试验数据对热模型的预测精度进行了验证和误差分析,最后对通过测点温度逆向预测加热功率的应用进行了讨论。     

充液航天器大幅晃动耦合动力学建模仿真研究

针对充液航天器大幅液体晃动与全星姿态运动的耦合问题,文章采用三维质心面法建立了储箱级等效力学模型和全星级耦合姿态动力学方程。该方法将储箱内液体等效为只能在其质心面内运动的质心点,而液体晃动对储箱的作用力（含力矩）用质心点与质心面之间的相互作用来模拟,同时利用牛顿欧拉法推导了液体晃动与航天器姿态运动的耦合动力学方程。数值仿真表明,计算结果与其国外实验卫星的在轨测量结果基本一致,从而初步验证了质心面等效力学模型用于全星级大幅液体晃动耦合动力学分析的有效性。     

环境温度对导弹精度、最大射程的影响分析与修正

导弹发射时的环境温度会影响固体发动机的推力,推力的变化一方面影响导弹的精度,另一方面影响导弹的最大射程.根据推力与推进剂初温的关系,建立了计算标准弹道关机点参数偏差的数学模型,计算了这种误差通过制导方程高阶项引起的落点误差,并且对最大射程误差也进行了计算,同时,采用修正制导方程系数的方法,对落点误差进行了修正.仿真结果表明,通过本文提供的方法可以修正环境温度造成的落点偏差.     

考虑初始误差的制导工具误差分离建模与参数估计

影响海基导弹落点偏差的因素主要是制导工具误差和初始发射参数误差。详细讨论了工具误差系数、初始发射参数误差与遥外差的关系,建立了海基导弹制导工具误差、初始误差分离的线性模型。最后根据六自由度弹道仿真程序仿真的遥测数据和外测数据对模型进行了验证,计算结果证实了模型和算法的正确性与可行性。