空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统,其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法,建立了梁单元的有限元单元格式,然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程,采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程,最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明,该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。     

旋转离心叶轮内湍流的非结构化网格数值计算

给出了同位非结构化网格数值求解旋转离心叶轮内湍流流场的SIMPLE算法。网格划分采用改进的阵面推进法。控制方程采用通用的对流扩散方程并利用有限控制容积法离散。湍流模型采用标准的k-ε模型。形成的代数方程组用带有预条件器的共轭梯度平方法（CGS）求解。最后利用所给出的算法对一实验用的旋转离心叶轮进行计算。计算结果和实验数据基本相符,说明该算法合理,编程正确,可作为流场预测的理论工具。     

有大预紧效应的多叶径向箔片轴承的分析

针对有大预紧效应多叶径向箔片轴承的结构特点,通过引入辅助分析部件建立箔片轴承的非线性接触有限元仿真模型。在分析过程中通过改变作为刚性体的辅助部件和作为柔性体轴承部件之间的几何位置来模拟大预紧多叶箔片径向轴承的装配过程并最终求得箔片轴承中接触应力应变。将处理轴承间隙压力分布的控制方程-雷诺方程和非线性的接触求解过程耦合起来迭代求解,第一次对有大预紧效应的多叶箔片径向轴承进行了完全气弹耦合数值分析。      

内凹式负压磁头气体动力特性

本文给出了一种用于磁盘机读/写功能的非接触起停式负压磁头滑块模型。通过求解修正Reynolds方程,计算出其稳态气动力特性。给出了磁头滑块与磁盘之间润滑气膜压强分布的立体图,滑块工作曲线及压力载荷随磁盘线速度、气膜厚度、减压槽深度的变化规律曲线。     

Euler及N-S方程的二维四边形网格自适应算法

描述了一种基于贴体网格的Euler和N-S方程自适应算法。采用中心有限体积法,对Euler及N-S方程进行数值求解,N-S方程的计算中加入了基于SA湍流模型的DES模型。在流场中,运用了网格自适应算法,提高了数值计算对激波、流动分离、涡等特性的捕捉和分辨能力。采用上述方法,数值分析了单段翼型的绕流问题。文末给出的2个二维问题的对比算例表明本文方法有效。     

基于非结构重叠网格的二维外挂物投放模拟

本文发展了基于非结构重叠网格的动态网格技术,并提出了新的相邻单元搜索算法。非结构重叠网格集非结构网格和重叠网格的优点于一身,适合处理复杂外形和多体相对运动问题。新的相邻单元搜索算法在碰到物面时能继续搜索下去,搜索效率大大提高。非定常Euler方程的求解,采用有限体积法,时间上采用双时间步长推进。为验证算法的有效性,先对绕振荡NACA0012翼形的流动进行了模拟;然后通过耦合求解刚体三自由度运动方程,模拟了二维外挂物投放过程,结果表明非结构重叠网格在处理多体相对问题时具有优越性。     

一种通用的冲击分析模型及低速冲击响应计算

 提出了一种通用的冲击分析模型,该模型采用连续介质理论描述,用拖带坐标定义摩擦冲击约束,用虚功原理定义冲击控制方程,可以作为不可刺穿型冲击问题的有限元求解基础。在此模型基础上,针对低速冲击问题,给出了采用自适应罚函数增广 Lagrange迭代处理接触力的有限元求解方法,既保证计算精度,又有效抑制算法震荡,并用算例进行了验证。     

对流传热问题的分步杂交解法

本文给出了一种求解对流传热问题的分步杂交方法。征不规则的三角形网格上,利用改型特征线方法处理动量方程与能量方程中的对流算子,集中质量的有限元方法处理其中的扩散算子。利用人工压缩性方法和控制体积元的守恒格式求解连续方程(不可压的约束条件)。计算了方形空腔与方形冷腔内有一热柱的对流传热问题,给出了比较好的结果。     

基于局部无网格的混合算法研究

研究了一种求解任意外形绕流的局部无网格混合算法.该算法计算区域整体采用了直角网格,只在物面附近嵌入局部无网格处理.整体直角网格的规则性与正交性,不仅使得网格生成快,而且计算格式实施简单,避免了与非正交性相关的计算项,从而引入误差相对较小.局部无网格处理只要求物面附近布点离散,具有灵活性,使得发展的算法适合处理任意外形.先以理想不可压流动问题为例,给出了其控制方程Laplace方程的具体求解实施过程,并给出了直槽道内柱体绕流的计算结果;接着把方法推广用于求解可压缩流动的Euler方程,对喷管等典型流动问题进行了数值模拟,并与传统有限体积法结果进行了比较,在捕捉的波系结构、表面压力系数分布等方面具有良好的一致性,表明发展的新方法是可行的.     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

A closed-form nonlinear model for spatial Timoshenko beam flexure hinge with circular cross-section

Beam flexure hinges can achieve accurate motion and force control through the elastic deformation. This paper presents a nonlinear model for uniform and circular cross-section spatial beam flexure hinges which are commonly employed in compliant parallel mechanisms. The proposed beam model takes shear deformations into consideration and hence is applicable to both slender and thick beam flexure hinges. Starting from the first principles, the nonlinear strain measure is derived using beam kinematics and expressed in terms of translational displacements and rotational angles. Second-order approximation is employed in order to make the nonlinear strain within acceptable accuracy. The natural boundary conditions and nonlinear governing equations are derived in terms of rotational Euler angles and subsequently solved for combined end loads. The resulting end load-displacement model, which is compact and closed-form, is proved to be accurate for both slender and thick beam flexure using nonlinear finite element analysis. This beam model can provide designers with more design insight of the spatial beam flexure and thus will benefit the structural design and optimization of compliant manipulators.     

齿轮轮齿接触分析的分解算法

提出了齿轮轮齿接触分析算法——分解算法。传统的轮齿接触分析方法求啮合点时需要求解含5个非线性方程的方程组,求解性差;齿面接触和边缘接触的数学模型不同,需要分别进行求解,求解过程复杂。轮齿接触分析算法——分解算法,提出了瞬时共轭啮合线的概念,可有效分离传动误差,得到啮合点、瞬时接触线,求啮合点时非线性方程的个数由5个减少为2个。分解算法建立的数学模型也适用于边缘接触分析,算法简单、有效、适应性强。以一对弧齿锥齿轮为例, 对比分析了传统方法和分解算法, 结果表明: 齿面部分的印痕是一致的,传动误差幅值相差0.3″;边缘接触部分的印痕存在少许差异。      

两类n阶非线性方程的两点边值问题

已有人利用上下解方法讨论过非线性n阶常微分方程两点边值问题解的存在性，而边值问题是否存在上下解是很难判别的，在文中，用初等方法讨论了两类n阶非线性方程满足两点边界条件的边值问题解的存在性、唯一性，并对解的存在性唯一性区间进行了估计。     

结构自动离散的一种新方法

本文采用等参元素中的几何插值方法,以少量的输入数据,自动生成全部元素的节点坐标;采用“棋盘”网格,使元素和节点的编号简单易行;同时,采用“波前法”解方程组,使编号的程序简化。 本方法具有输入数据少,改变网格容易,边界节点坐标足够准确等优点,已用于轴对称体二维网格及透平叶片的三维网格,结果满意。     

基于非线性耦合本构关系的改进边界条件

非线性耦合本构关系（NCCR）模型是在Eu的广义流体动力学方程（GHE）基础上,通过绝热假设、Eu封闭和Myong简化推导出的关于非守恒量（黏性应力与热流）的非线性代数方程,有效拓展了线性的纳维-斯托克斯-傅里叶（NSF）本构模型在非平衡流动中的模拟能力,为快速准确模拟连续与稀薄耦合流动问题提供了强有力的理论工具。针对该模型开展滑移边界条件研究,结合努森层内物理量非线性分布的特点,提出一套在物面处与模型精度相一致的非线性修正滑移边界条件。在有限体积框架下,采用AUSMPW⁺格式和LU-SGS方法以及NCCR的完整耦合求解算法,对不同稀薄程度的高超声速单原子氩气圆柱绕流和平板绕流问题进行数值模拟。研究结果表明,基于NCCR模型的修正边界条件准确刻画出物面努森层内流动的非线性特点,有效提高了固壁滑移边界的精度。采用非线性修正边界的NCCR模型准确预测了连续流、滑移流和过渡流域的物面压力、摩阻与热流系数。     

一种分段线性边界条件连续体振动响应求解方法

基于振型转换的思想,提出了一种求解分段线性边界条件,以及可将其他非线性边界条件转化为分段线性边界条件的连续体振动问题的方法——相对振型转换法(Relative Mode Transfer Method,RMTM),用该法研究了端点带双阻挡悬臂梁的非线性振动.利用相对振型转换法处理了梁的接触振型与非接触振型的振动转换,与...     

跨音速非定常流动的Euler方程隐式解

在随时间变化的贴本坐标系中给出求解非定常Euler方程的连续通量分裂法。在此基础上建立了可用于跨音速非定常流动的Euler方程隐式求解法。采用特征向量变换,可在保证原方程组离散化精度的条件下使计算大为简化。针对振动翼绕流特点建立了固连于物体的动坐标与固定坐标间的关系。数值计算在动坐标中进行,既简化网格生成又保证在物面上满足边晃条件。对NACA64A-10冀型绕1/4弦点做简谐俯仰振动的非定常气动力进行了计算,给出了与实验结果基本相符的计算结果。此外,还给出翼型做沉浮及同时进行沉浮与俯仰二自由度振动的非定常气动力的计算结果。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

含钉孔有限大板应力集中系数的解析变分解法

导出满足弹性理论平面问题所有支配方程的应力场与位移场的罗朗级数展开式;用变分方法满足含钉孔有限大板边界条件并确定级数中的系数与应力集中系数;最后进行收敛性验证并给出系统计算曲线。     

ANALYTICAL VARIATIONAL METHOD OF SOLUTION FOR STRESS CONCENTRATION FACTORS OF FINITE PLATES WITH A PIN HOLE

ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬＶＡＲＩＡＴＩＯＮＡＬＭＥＴＨＯＤＯＦＳＯＬＵＴＩＯＮＦＯＲＳＴＲＥＳＳＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮＦＡＣＴＯＲＳＯＦＦＩＮＩＴＥＰＬＡＴＥＳＷＩＴＨＡＰＩＮＨＯＬＥＸｉＹｕａｎｓｈａｎ；ＺｈａｎｇＸｉｎｇ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆ...