基于四杆机构单元的柔性铰链设计与尺寸优化

针对柔性铰链存在的转动角度小和径向漂移大等问题,进行了大转角和高精度柔性铰链设计。利用四杆机构中曲柄摇杆机构的转角放大特性,以固化的四杆机构为变形模块,通过摇杆的小变形实现铰链的大转角运动。柔性铰链中固化的四杆机构为超静定结构,基于超静定结构理论进行了柔性单元的受力分析,并建立了柔性铰链的刚度模型,实现柔性铰链的分析和设计。根据设计方案选取设计变量,基于理论推导得到刚度建立目标函数,根据性能和几何边界建立约束条件,利用遗传算法对柔性铰链尺寸进行优化,并通过ANSYS进行了特定尺寸下柔性铰链变形和应力分析,验证了优化结果的正确性。     

热载荷对止口连接结构过盈量的影响分析

针对工作状态下航空发动机止口连接结构工作可靠性问题,开展了不均匀温度场下止口连接结构过盈量变化的研究。建立了止口结构简化模型,基于热弹性力学理论,利用平衡微分方程、物理方程和几何方程,推导出不均匀温度场下止口过盈量变化的计算式;通过算例进行理论计算,结合有限元软件对计算结果进行仿真对比。结果表明:在一定温度场下,航空发动机止口连接结构实际过盈量理论损失高达63%,设计时应加以补偿。所得结论可为止口连接结构过盈量设计提供理论依据。     

带止口法兰连接结构刚度特性对结构振动影响

对带有止口的法兰连接结构刚度特性进行了数值仿真研究。使用有限元软件ANSYS分析了带有止口的法兰连接结构的迟滞特性。通过对止口接触面的变形-滑移机理分析,使用一个詹金斯单元和一个弹簧单元并联模拟法兰的一个扇区,并基于法兰弯曲变形时每个扇区的不同状态建立了整个法兰结构的弯曲刚度简化模型,并对该简化模型进行了仿真,该简化模型能够较准确地模拟带止口法兰连接结构的刚度特性。基于简化模型和梁单元建立了简化转子结构模型,分析了带有止口的法兰连接结构对转子稳态动力学响应的影响。结果表明带有止口的法兰连接结构的迟滞特性能够影响峰值频率,随着止口过盈量的增加,响应峰值显著降低,具有较好的振动抑制效果。      

新型整星隔振平台的被动隔振性能及星箭耦合特性分析

针对卫星的隔振要求,提出一种新型半主动整星隔振平台,采用磁流变(MR)阻尼器作为半主动作动器。为增加平台的横向转动刚度,提出一种套筒式防摇结构。建立新型整星隔振系统的详细有限元(FE)模型,对隔振系统进行基础随机激励下的响应分析和隔振平台的振级落差分析,并建立星箭系统的详细有限元模型,分析星箭结合后对整星隔振性能的影响情况,以及加入新型隔振平台后对火箭动态特性的影响。结果表明:新型整星隔振平台具有优良的被动隔振性能;火箭的动态特性对新型隔振系统的性能有一定影响,但当火箭和隔振平台结合处的刚度较大时,影响较小;加入新型隔振平台后,在火箭点火时到一级分离时,火箭整体的动态特性无明显变化。     

航空发动机静子系统中螺栓连接结构的建模与修正

基于概率设计方法对航空发动机静子系统中螺栓连接结构进行模型修正研究。静子系统中不同的机匣结构由螺栓连接在一起,采用具有一定材料属性的层单元法来等效模拟螺栓连接结构,通过调节层单元材料属性来提高有限元模型精度。首先采用灵敏度分析方法确定修正区域,然后基于概率方法设计修正参数,利用蒙特卡洛抽样法选取样本点,最后基于静力学试验数据选择合理的目标函数,通过迭代优化计算得到修正后的模型参数。结果表明,修正后的静子系统有限元模型计算得到的刚度值与试验数据更加接近,修正后的相对误差都在5%以内。     

航空发动机静子系统中螺栓连接结构的建模与修正（英文）

基于概率设计方法对航空发动机静子系统中螺栓连接结构进行模型修正研究。静子系统中不同的机匣结构由螺栓连接在一起,采用具有一定材料属性的层单元法来等效模拟螺栓连接结构,通过调节层单元材料属性来提高有限元模型精度。首先采用灵敏度分析方法确定修正区域,然后基于概率方法设计修正参数,利用蒙特卡洛抽样法选取样本点,最后基于静力学试验数据选择合理的目标函数,通过迭代优化计算得到修正后的模型参数。结果表明,修正后的静子系统有限元模型计算得到的刚度值与试验数据更加接近,修正后的相对误差都在5%以内。     

基于六自由度动力学模型的火箭推力下降故障仿真

发动机推力下降会导致运载火箭质心偏移、产生推力不平衡力矩、减弱控制力等后果,导致火箭姿态和飞行轨迹发生改变,影响火箭可靠性和发射成败。针对某型捆绑火箭助推段发动机推力下降故障问题,建立了故障下的火箭刚体六自由度动力学模型,基于Matlab/Simulink软件,采用分层模块化建模思想搭建了全数字仿真模型,最后以发动机正常状态和单台发动机推力下降为例给出了仿真算例。结果表明,该仿真模型能够正确地反映推力下降故障下捆绑火箭助推段的飞行特点。     

涡轮后机匣的结构动力学精确建模

构建精度高、规模适中的部件动力学模型,是航空发动机在研制初期实现从结构部件到整机的动力学特性准确分析的有效途径。为构建满足工程需求的部件结构动力学模型,依据某装配组合式涡轮后机匣的结构特点,提出了其各构件的“超模型”建模及装配组合形式的连接件分类建模的方法,实现装配组合式涡轮后机匣的整体“超模型”建模。同时,进一步介绍了各构件的“超模型”建模步骤、基于有限元单元网格尺寸变化的收敛准则,建立了自由度490万的后机匣构件“超模型”,“超模型”构件的频差精度可达1%以内;利用薄层建模法模拟多螺栓连接结构、采用接触对模拟支板搭接处的接触连接。装配组合后的涡轮后机匣“超模型”通过动力学分析,结果表明后机匣前8阶为整体振动模态。整体“超模型”的建立,可以代替研制样机提供虚拟试验数据,实现简化模型的修正和确认,为研制初期的结构动力学特性精确分析提供技术支撑。可推广应用到发动机其他部件及整机的精确建模中。     

重型运载火箭集中力扩散舱段多区域联合设计与优化

为提高重型运载火箭集中力扩散舱段的承载能力和集中力扩散性能，提出了变截面-等比布局多区域联合设计方法和建立了基于静力分析以及工程估算方法的优化模型，并据此开展集中力扩散舱段优化设计。建立了集中力扩散舱段参数化有限元模型，基于显式动力学方法开展了结构承载性能和集中力扩散性能分析。依据集中力扩散舱段结构形式和承载特点，提出了综合多区域变厚度蒙皮、变截面主梁和副梁/桁条等比非均匀布局的联合设计方法，实现了结构精细化设计。为综合提高结构承载性能和集中力扩散性能，建立了基于静力分析和工程估算方法的优化模型，并基于模拟退火法求解该优化模型，获得了减重效果明显的优化结构。对比结果表明，捆绑接头两侧副梁/桁条靠近捆绑接头密布、捆绑接头中间副梁远离捆绑接头密布、变截面主梁以及变厚度蒙皮设计有利于提高结构承载效率和集中力扩散性能，验证了提出的多区域联合设计方法和优化模型在设计集中力扩散舱段方面的有效性和优越性，证明了本文优化工作具有一定的工程应用价值。     

复合材料卫星承力筒连接结构分析

大型卫星承力筒的连接结构损伤是设计时必须要考虑的关键问题，以某碳纤维复合材料卫星承力筒的连接结构为研究对象，应用ABAQUS有限元软件建立复合材料层合板连接结构渐进损伤模型，并且根据Hashin失效准则及Tserpes材料性能退化准则，应用Fortran语言二次开发了UMAT子程序，研究承力筒层合板螺栓连接及胶螺混合连接的失效机制；在此基础上，利用仿真分析螺栓连接结构的刚度探究对卫星承力筒试验件力学性能的影响。结果表明：利用螺栓连接结构刚度进行仿真建模的卫星承力筒试验件结果更接近试验值，其误差相比于多点约束—MPC单元减小了4%～9%,说明此方法能更好地满足仿真分析要求。该分析方法为复合材料卫星承力筒连接结构的力学性能及多螺栓连接结构的有限元仿真分析提供一定参考，适用于具有连接结构的卫星力学分析。     

空空导弹固体火箭冲压发动机设计参数优化

为使空空导弹在较宽的空域范围内获得优化的综合性能,提出了以导弹综合特性为目标函数来优化固体火箭冲压发动机设计参数的思路,以空空导弹在飞行高度分别为5,10km和15km的飞行距离和飞行速度的综合性能参数为目标函数,建立了固体火箭冲压发动机设计参数优化模型,利用遗传算法进行了固体火箭冲压发动机设计参数的优化.优化的结果表明:当参数选择适当时,采用非壅塞固体火箭冲压发动机的空空导弹在较宽的工作包线内也能够具有优秀的飞行性能,在高度为5,10km和15km时,空空导弹的飞行距离分别达到了62.9,89.2km和133.1km,空空导弹的平均飞行速度也得到了提高.      

基于疲劳寿命的民用飞机舱门止动块允许间隙

止动块是民用飞机舱门重要的结构零件,它通过面-面接触将舱门受到的增压载荷传递至机身门框,止动块结构的可靠性对飞行安全至关重要。对于面-面接触问题,接触间隙影响载荷分配,同时零件寿命对载荷变化非常敏感,已有研究中缺少间隙对止动块载荷以及疲劳寿命的影响。以某型飞机的舱门止动块为研究对象,建立舱门-门框的精细网格有限元模型,模型中使用线性间隙法模拟止动块间隙以及超单元法优化计算时长;提出止动块间隙的数学描述方法,采用蒙特卡洛模拟分析间隙对止动块载荷的影响;利用细节疲劳额定值(detail fatigue rating,简称DFR)法分析疲劳寿命随止动块间隙的变化规律,给出目标寿命下允许间隙的设计方法,可以为舱门止动块间隙设计提供参考。     

导弹/固体火箭发动机一体化设计

本文以两级推力固体火箭发动机为动力的某空-空导弹作为算例,研究了导弹/固体火箭发动机一体化设计的问题.为此,建立了固体火箭发动机的能量模型、质量模型和导弹与目标的数学模型.利用优化理论,成功地完成了九个设计变量的优化问题.优化结果表明,导弹的起飞质量减轻23.3kg(约占总重的9%).     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。     

基于坐标关联法的榫连接结构优化设计

为解决结构优化设计过程中由于几何尺寸干涉而导致的优化过程中断问题,提出并建立一种适于优化设计的结构建模方法——坐标关联法.将该方法应用于航空发动机榫连接结构的优化设计,整个优化过程顺畅,连续完成几何建模790次,未出现由于几何尺寸改变而发生的结构模型无法生成的问题.优化设计结果表明:优化前后的榫连接结构形状虽然变化不大,但最大应力点——榫槽喉部最大应力降幅达19.1%,应力水平降低明显,且结构造型符合工程要求.      

采用纵横扭一体化建模技术分析火箭牵制释放过程动响应

分析火箭在释放过程中的动响应是将牵制释放技术运用到我国大推力火箭中的关键技术之一。采用纵横扭一体化梁模型分析火箭牵制释放动响应,将发射台对火箭的影响简化成相应的载荷和边界条件,采用分段计算的方法,把发射过程分成点火前的静止、点火后的牵制以及释放三阶段,计算了每个牵制点的牵制力变化规律,以及释放过程箭体上不同部位的动响应特点,并建立了相应的三维模型,进行对比论证。结果表明：纵横扭一体化梁模型在分析整体响应特性时模型简单,精度较高,可用于设计前期的初步分析。     

导弹弹射装置作动简的建模与仿真

首先描述了导弹弹射机构作动筒的工作过程,建立了描述作动筒动特性的物理模型和数学模型,然后利用MATLAB求解仿真模型,得到气缸动特性参数随时间变化的可视化仿真结果,最后分析了惯性负载、行程、有效面积对作动筒动特性的影响,为正确设计新的导弹弹射装置作动筒提供了理论依据。     

不同药型固液火箭发动机性能特点

根据平行层燃烧理论,推导了不同药型燃烧面积和燃烧边界长度随燃去肉厚变化的数学规律;在此基础上,建立了固液火箭发动机系统设计模型,将设计过程转化为数学模型;之后采用遗传算法对不同药型固液火箭发动机进行了优化设计.通过对优化结果的比较和分析,开展了不同药型应用于固液火箭发动机的性能特点及其机理的研究,指出了固液火箭发动机不同于固体火箭发动机的内弹道特性.      

一种仿生扑翼飞行器的设计及动力学分析

为了提高仿生扑翼飞行器设计水平,弄清仿生扑翼飞行器的动力学特性、改善其飞行性能,设计了一种折展翼仿鸟扑动飞行样机,并对其动力学特性进行了分析。通过仿生方式设计了基于曲柄连杆的折展扑动机构,建立了扑翼机构的运动学模型,得到了相关运动学参数,并采用拉格朗日方法,推导出扑翼扑动时的动力学模型。基于条带方法对该扑翼的气动力、气动力矩载荷进行估算,分析了折展扑翼非对称扑动时翼翅气动力矩变化规律,结果表明:与一般直扑翼相比,折展翼在上扑阶段受到更小的阻力,因而扑翼扑动过程中能够获得更大的升力。基于ADAMS软件包,对扑动机构关键铰接位置的力学特性进行分析,为优化扑动机构、提高其结构强度提供重要参考。      

固体火箭发动机连接结构接触应力研究

应用接触理论和有限元方法，分析固体火箭发动机法兰连接结构的接触问题。建立了法兰连接结构的有限元模型，充分考虑了连接螺栓预紧力对结构刚度的影响，将其合理地转化为等效节点初载荷。推导出在法兰对接面上有气密性要求时求解最佳预紧力的公式。最后通过实例进行了接触应力计算。结果表明，采用的分析方法和由此得出的结论具有一定的工程意义。