基于优化Kriging模型和重要抽样法的结构可靠度混合算法

 结构可靠度分析计算通常采用多项式响应面拟合隐式极限状态函数,但对于复杂航空航天机械结构产品极限状态方程往往表现出高度非线性,此时多项式响应面的模拟精度不够就会造成计算不收敛。为了提高结构可靠度计算的精度、效率和收敛性,提出了基于优化Kriging模型和重要抽样法的结构可靠度计算方法。首先,利用人工蜂群算法对Kriging模型的参数进行优化;再用优化后的模型模拟隐式极限状态函数,结合重要抽样法不断修正抽样重心,逐步提高模拟精度以达到给定要求;最后,结合一阶矩法(FORM)/二阶矩法(SORM)经典算法求解结构可靠度。该方法提高了高度非线性隐式极限状态方程可靠度计算的精度和收敛性,并且具有较高的计算效率。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

基于GPU和隐式格式的CFD并行计算方法

从图形处理器(GPU)架构特点出发,提出了基于数据并行的隐式计算流体力学(CFD)求解方法,空间离散格式采用迎风Roe格式,计算网格适用于结构和非结构网格。采用统一计算设备架构(CUDA)技术实现了GPU上的隐式CFD并行计算。分别在Intel Core2 Quad3.0GHzCPU和NVIDIAGTX280 GPU上进行了计算,结果表明隐式格式计算速度是显式格式6倍以上,采用显式格式的计算加速比达到28倍,采用隐式格式计算加速比达到了28.7倍,同时计算加速比随计算规模的增加而增加。计算结果和实验结果较为吻合。     

关于底部分离流的隐式算法

1.前言 用显式方法解Navier-Stokes方程组常受到稳定性对时间步长的限制,当把它用于计算高Reynolds数粘性流,即使是二维情况代价亦甚高。隐式类型方法遇到的一个主要困难是如何处理非线性对流项及压力项。计算表明用交替方向隐式算法结合对非线性项的拟线性化可以计算底部分离流场,这类方法比显式方法明显地加快了稳定过程,节省了较多机时。     

高速列车绕流的数值模拟

给出了用低速Ｎ－Ｓ方程求解高速列车绕流的数值计算方法，采用显隐式结合的方法来加快收敛速度，基于该方法编制了计算软件系统Ｔｒａｉｎ ３Ｄ，用该软件系统对高速列车外形的外流场进行了数值模拟，获得了该外形的空气动力特性和流场结构。     

用隐式近似因子分解法计算喷管跨音速流场

本文用隐式近似因子分解法结合贴体曲线坐标计算了定常、无粘、跨音速喷管流场,选择了参数变化比较剧烈的小喉部曲率半径喷管,陡壁收敛段喷管和潜入喷管三种算例.计算结果表明,该方法收敛快,并且具有良好的精度.Courant数可以取至7.这种隐式法与显式法相比较,花费的机时少得多.本文的方法可望推广到求解N-S方程、PNS方程,和二相有粘喷管流动计算.     

基于隐式大涡模拟的高超声速热流计算研究

传统的大涡模拟方法面临着很多的困难,新提出的隐式大涡模拟可以作为解决这些挑战的一个方法。目前,隐式大涡模拟方法主要是在有限体积法中应用,也可将隐式大涡模拟应用于有限差分方法,使方程的截断误差更容易被控制,提高了隐式大涡模拟方法的精度。首先推导了有限差分方法中隐式大涡模拟的方程以及证明了其有效性,并提出了有限差分方法应用隐式大涡模拟方法数值计算的要求,隐式大涡模拟方法具有应用简单、普适性强、计算效率高的特点。最后编写了隐式大涡模拟方法的程序进行了数值试验,应用于高超声速湍流流场的热流计算,验证了方法的正确性。     

支持向量回归机在结构可靠性分析中的应用

 评估结构的可靠度常常遇到隐式功能函数,对于此种情况经典的结构可靠性分析方法难以实施。目前,响应面和人工神经网络等回归方法已经广泛地用来构建显式函数替代隐式功能函数进行结构可靠性分析。支持向量回归机是一种与人工神经网络类似的新回归方法,目前很少用于结构可靠性分析。鉴于支持向量回归机出色的小样本学习性能、良好的泛化性能,本文提出了基于支持向量回归机的两种适用于隐式功能函数的可靠性分析方法：基于支持向量回归机的Monte-Carlo模拟法和基于支持向量回归机的一次二阶矩法。算例表明支持向量回归机可以在抽样范围内很好的逼近真实的隐式功能函数,减少结构分析次数。失效概率计算结果与经典方法的对照说明所提方法的计算精度较高,具有一定的实用价值。     

具有复杂边界的火箭冲压发动机流场数值计算

针对实际复杂的补燃结构和计算边界,以块隐式法计算流场,用代数法生成计算网格,通过改变离散方程来处理三维定常Ｎ－Ｓ方程边界条件。算例表明,该方法正确可靠,迭代过程能够快速收敛。     

在烧蚀条件下固体火箭发动机复合喷管的温度预示

本文探讨了由石墨和高硅氧-酚醛组成的固体火箭发动机复合喷管,在考虑热解炭化和烧蚀引起喷管内型面变化条件下的瞬态轴对称二维温度场.借用当量热容的概念和坐标变换的方法,应用单元体能量平衡原理,在内点用显式格式,边界结点用隐式格式进行数值求解,这样的计算比较简捷,所得温度场与实验结果作了比较,说明本文的预示方法是可以符合工程精度要求的.     

固体火箭喷管中的烧蚀控制机制

对碳基材料,以热化学烧蚀三方程模型为基础,在考虑粒子侵蚀,烧蚀与传热耦合的情况下,进行了全喷管烧蚀控制机制的研究,喷管中的烧蚀控制机制有化学动力学控制,扩散控制和双控制三种机制。通过研究,得到如下结论:1)对于由扩散控制和化学动力学控制确定的烧蚀率相差约20倍以上时,可以简化为按烧蚀率低的一种控制机制来计算;否则,应当按既考虑扩散控制,又考虑化学动力学控制的双控制机制来计算。2)在固体火箭喷管中,大体上喉部和扩张段的烧蚀是化学动力学控制的,而收敛段的烧蚀是由扩散控制的。3)由于在收敛段由两种机制控制的烧蚀率相差较小,因此,在收敛段的烧蚀率应当按双控制机制来计算。喉部和扩张段的烧蚀可简化为动力学控制机制。     

固体火箭喷管烧蚀和传热的基本问题

总结固体火箭复合结构全喷管烧蚀和传热计算中的基本问题:二相跨音速喷管粘流,燃气与喷管壁面的换热,不同材料的热化学烧蚀模型,粒子侵蚀,烧蚀控制机制,移动边界下的瞬时导热,烧蚀与传热的耦合,复合结构全喷管烧蚀和传热的CAD,以及测试等。在解决基本问题的基础上,对复合结构全喷管可获得其烧蚀率和温度分布。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

高硅氧增强塑料烧蚀模型中热解层厚度的探讨

通过小型实验固体火箭发动机的多次热试车,对喷管扩散段截面上高硅氧酚醛材料的色变厚度进行了观察,对该截面上材料采用红外光谱成份分析和导电性测量,确认了热解层厚度与碳化层厚度具有相同的数量级,可达2.5mm左右.因此,在作高硅氧酚醛喷管材料的烧蚀与温度场计算时,不宜采用热解面模型,而应采用热解层模型.     

高硅氧/酚醛喷管扩张段的温度场计算与测定

本文通过圆柱座标系径向瞬时热传导偏微分方程,对喷管硅基内衬扩张段进行了温度分布数值计算.喷管结构是以石墨为喉衬,高硅氧/酚醛为收敛段、扩张段内衬,并为喉部背衬;壳体是钢.计算中考虑材料烧蚀时形成炭化层、热解层、原始材料层等多层结构,以及烧蚀边界的退移和材料物性随温度的变化.通过座标变换,将移动边界问题转化为定边界问题,计算结果与实验结果吻合良好.     

粘性跨音速喷管流场计算

本文继用隐式近似因子分解法成功地计算无粘跨音速喷管流场之后,用同样的方法,结合任意曲线坐标系,通过非定常方程在相当长时间后的定常解,针对矩形截面喷管和轴对称喷管粘性跨音速流场,求解了可压缩层流薄层N-S方程,获得了核心流,特别是边界层中的流动参数.对于矩形截面和轴对称两种喷管进行了计算,其结果和实验数据相当一致.将本文的方法应用到粘性两相流动计算,可望较多的节省机时.     

用有限元法计算边界移动的喷管温度场

以固体火箭发动机复合结构喷管为对象，用有限元法进行了二维轴对称瞬态热分析。计算中考虑了因烧蚀引起的边界移动．且实现了网格的自适应，给出了考虑与不考虑烧蚀情况下的温度场计算结果，并将计算结果与试验结果做了比较，二者吻合较好，说明该预估方法既具有理论意义又有实用价值。     

Performance prediction and optimization for liquid rocket engine nozzle

An optimization approach, based on computational fluid dynamics methodology, is investigated for the performance prediction and optimization of liquid rocket engine nozzle. The CFD code employs implicit Lower-Upper decomposition (LU) scheme for solving the two-dimensional axisymmetric Navier–Stokes (NS) equations and species transport equations in an efficient manner. The validity of the code is demonstrated by comparing the numerical calculations with both the experimental data and previous calculations. Then the code, called by three optimization algorithms (i.e. successive quadratic programming method, genetic algorithm and interdigitation strategy) respectively, is used to design axisymmetric optimum-thrust nozzle. Results show that improvement on nozzle thrust can be obtained over that of the baseline case.     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。