弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法

发展了一种流固耦合的动力学数值仿真方法,用以模拟弹性结构在其运动诱导的非定常气动载荷作用下的动态响应.针对给定的运动规律,对不可压流场采用侵入式边界方法求解了非定常气动载荷,其中未计及弹性结构变形对流场的影响.对非定常气动载荷作用下的薄壁弹性结构进行了瞬态动力学数值模拟.以地面试验状态的整流罩分离为例,对刚性体及是否考虑表面气体压力作用的柔性体等情形下的整流罩的动力学行为进行了对比分析,验证了发展的流固耦合动力学仿真方法的可行性.     

航天器粘弹性悬挂减振装置的动力学分析

航天器上精密设备采用粘弹性减振器悬挂安装可获得显著的减振效果。对这类含有粘弹性边界安装阻尼的减振装置，结合弹性有限元及粘弹性边界阻尼的标准固体本构模型，导出了用于时域及频域分析基本运动方程。对时域运动方程给出了一种便捷的仿真求解方法，以仪表板悬挂减振装置为例进行了动力学仿真分析，并初步研究了粘弹性减振器特征参数的不同取值对减振性能的影响。     

飞机波浪水面迫降过程中极限冲击载荷数值研究

针对飞机在波浪水面迫降过程中机身所受的极限冲击载荷大小及其物理成因问题,采用数值模拟方法展开研究,结合有限体积法和流体体积（VOF）法捕捉自由面,采用六自由度（6DOF）模型和整体运动网格（GMM）处理水面与飞机之间的相对运动,模拟飞机的迫降过程。通过选择飞机相对水面下沉速度最大的波面相位作为迫降触水位置,预报机身所受的极限冲击载荷大小。结果表明:在波浪水面迫降的触水阶段中,机身遭遇了平静水面未预见的冲击峰,同时冲击峰值大小与飞机相对水面的下沉速度有关。此外,对比了在5种不同波高海况下飞机迫降的运动姿态和过载变化历程,给出了波高对极限冲击载荷和其余各参数峰值的影响规律,为飞机载荷分布设计提供参考依据。      

航行器低速斜入水运动规律

针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。      

曲梁弹性波的传播

用特征线法求出了脉冲载荷作用下的控制曲梁运动的Ｍｏｒｌｅｙ方程的数值解，并用Ｐｌａｓｓ的直梁结果验证了曲率趋于零的极限情形，应用性地研究了曲梁中部受冲击载荷作用的弹性波传播问题，计算结果表明：该数值计算方法简便易行、效率高、有良好的收敛性和稳定性。     

复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学（SPH）法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。      

三维球坐标系下波包非线性传播过程的一种数值求解方法

采用全隐欧拉（FICE）格式，将三维坐标系下的大气基本运动方程作为控制方程，建立起了三维球坐标系下可压大气中的全非线性数值模式；对纬向边界也进行了合理的处理，并对该模式进行了数值检验，计算结果显示出重力波波包在大气中非线性传播的三维图像：波包整体向上传播，波相关扰动速度随高度增加而增长。     

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料，其有千变万化的微结构和高孔隙率，通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力，提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上，实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测，利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解，利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系，并进行了预测误差验证，证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上，建立了以等效材料填充的结构优化模型，考虑了热力载荷作用，以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型，提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果，结构热刚度在一定体积约束下显著提高，证明了所提方法的有效性。     

基于小扰动理论的桨叶叶素气动载荷计算方法

针对直升机飞行仿真应用,采用小扰动理论建立了桨叶叶素气动载荷计算方法。该计算方法集成了弹性桨叶挥舞-摆振-扭转模态,耦合了旋翼动态入流、非定常动态失速气动模型和旋翼配平模型。整个算法采用标准的状态空间格式。为验证算法,以UH-60A直升机为例,在低速和高速2种定常飞行情况下,研究了偏航流效应对旋翼气功性能的影响,结果表明高速飞行时偏航流效应对旋翼气功性能影响较大。模拟了桨盘平面诱导速度分布以及桨叶叶素气动载荷,将仿真结果与飞行试验结果进行对比验证,本文建立的方法可以准确地求解定常飞行时桨叶的非定常气动载荷,捕捉其沿方位角的变化特征,对于大速度前飞仍能适用。      

三维重力波非线性传播数值模型的一种求解格式

采用交替方向隐格式（ADI）求解三维可压大气中重力波非线性传播的数值模型，经过几个波周期后，重力波波包括估然沿着线性理论射线方 稳定地传播，波包保持着很好的形状，内点和边界保持稳定；水平风与垂直运动的振幅随着高度的增加而增加。这说明ADI格式是模拟三维可压大气中重力波传播的一种可靠的格式，模拟结果表明，在非线性情况下，重力波仍可保持性传播的某些特征，非线性效应有现在对波包括传播速度的修正。     

永磁球形电机的神经网络自适应控制算法

介绍了具有三维位置检测功能的三自由度永磁球形电机工作原理及其运动控制方法.结合球电机结构特性,基于XYZ 欧拉角和拉格朗日方程建立了球电机运动学及动力学模型.为了解决动力学模型建模误差、摩擦力和外界干扰等对球电机工作性能的影响,设计了神经网络逼近模型,并将其应用于球电机的控制之中.仿真结果表明这种控制方法与传统方法相比可以有效提高球电机的抗干扰能力,在建模误差比较大的情况下仍可以保证球电机的运动精度,其结果可以为进一步的球电机精密运动控制理论研究和实验方案设计提供借鉴和参考.      

球坐标系六片网格下三维定态行星际太阳风模拟

采用二阶MacCormack差分格式, 利用稳态的磁流体(MHD)方程组在球坐标系六片网格下模拟研究了行星际太阳风. 六片网格系统能有效避免极区奇性和网格收敛性. 迭代按径向方向推进求解, 很大程度上减少了计算量, 节约了计算时间. 内边界条件根据太阳与行星际观测确定, 比较测试了5种内边界条件, 模拟给出了1922卡林顿周的背景太阳风结构. 几种内边界条件所得模拟结果与行星际观测基本吻合. 太阳风速度采用McGregor 等的经验公式给出, 磁场由水平电流片(HCCS)模型得到, 密度和温度分别根据动量守恒和气压守恒得到, 研究表明采用这样的边界条件模拟结果最佳.      

支柱式沉浸水橇降载性能相关影响因素

支柱式沉浸水橇可降低水陆两栖飞机着水运动中的冲击载荷,其降载效果与水陆两栖飞机的运动参数有关。利用一般耦合算法对水陆两栖飞机着水运动进行仿真,并将结果与相关试验值比对以验证仿真方法的有效性。采用此方法研究了水橇着水角、飞机着水水平速度与飞机着水垂向速度对支柱式沉浸水橇降载性能的影响。结果表明:水橇着水角、飞机着水水平速度与飞机着水垂向速度对水橇降载性能影响显著,合理地控制水橇的着水角与速度,可获得良好的降载效果。      

水上飞机水面降落全过程力学特性数值研究

数值方法模拟水上飞机的水面降落运动姿态和受力的全过程,是结合了水汽两相流、运动学和动力学的复杂问题。采用基于Fluent商用软件开发的整体运动网格方法结合VOF方法进行自由面捕捉,采用六自由度模型进行运动状态模拟,对某型水上飞机水面降落的全过程进行了数值模拟,得到了较好的模拟结果,验证了整体运动网格方法在处理水上飞机水面降落问题时具备良好的适应性。通过模拟得到过载曲线、运动状态参数和水面状况,将降落过程划分为冲击、滑水、漂浮3个阶段,并通过对各阶段的分析总结出对水面降落过程的一般性认识,以期为水上飞机的设计研发提供方法和参考。      

GA-A3DI-FDTD的PML吸收边界数值反射分析

研究一种减小三维交替方向隐式时域有限差分法ADI-FDTD(Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain)数值色散的新方法GA-A3DI-FDTD(Genetic Algorithm Artificial Anisotropy ADI-FDTD).首先对添加人工各向异性介质后的三维ADI-FDTD迭代公式进行变形,得到新的数值色散关系,再利用自适应遗传算法AGA(Adaptive Genetic Algorithm)得到需要添加的人工各向异性介质的相对介电常数.并以空心波导作为数值算例,分析了由不同目标函数得到的人工各向异性介质对计算精度以及PML(Perfectly Matched Layers)吸收边界数值反射产生的影响,同时分别与传统ADI-FDTD相比较.结果表明通过正确选择目标函数,得到更加合适的人工各向异性介质,可以在减小三维ADI-FDTD数值色散的同时,有效地抑制由于人工各向异性介质的添加所造成的PML吸收边界数值反射的增强.      

基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划

针对复杂环境中存在运动目标、移动威胁与突发威胁等多种情况,将动态流体扰动算法与滚动优化策略相结合,进行无人机(UAV)三维动态航路规划.基于移动目标运动信息与威胁运动信息引入相对初始流场,用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对初始流场的扰动影响,计算相对扰动流场,进而得到实际流场流线即无人机规划航路.充分利用实时环境信息,综合考虑未来运动态势,在有限时域内采用动态流体扰动算法规划出可选航路,然后构建目标函数,滚动优化反应系数,实现在线航路规划.仿真结果表明,该算法能较好地适用于复杂动态环境.      

基于自抗扰的运载火箭主动减载控制技术

针对运载火箭穿越大风区的减载控制技术进行研究,首先对攻角反馈和加表反馈2种减载技术进行理论研究和仿真分析,得出2种方案对火箭减载都存在一定的局限性。因此引入自抗扰控制器(ADRC)技术并针对飞行减载控制对其进行改进,一方面通过状态观测器将误差补偿引入自抗扰回路;另一方面改进了自抗扰控制器中的控制律,并推导证明了新的控制律下自抗扰控制器抑制风载干扰的能力,给出了控制方程中增益的选择方法。最后以某型液体运载火箭为例在考虑其弹性振动和液体晃动条件下对比了几种方案的减载效果,仿真结果表明改进后的自抗扰控制器使飞控系统抗干扰能力增强,增大了控制律中增益选择范围,有效提高了运载火箭的减载效果,具有很强的工程应用价值。      

弹性飞机货物投放动响应分析

重型货物的投放会引起飞机严重的动力学载荷.激励载荷具有较宽的频带,能激起较多弹性模态的振动,而这种动响应可能被气动弹性效应变得更大.为此建立了弹性飞机重型货物投放动响应分析方法.同时考虑飞机的刚体运动和弹性振动模态,应用能量法建立了弹性飞机的刚弹性耦合动力学方程.应用气动力有理函数拟合技术,建立了货物投放动力学的状态空间方程.以静气动弹性配平结果为初始条件,对状态空间方程进行数值积分得到货物投放动响应.以某型运输机为例进行了无控和有控情况的响应分析,并研究了不同质量货物的投放对飞机动响应的影响.数值分析结果表明:弹性飞机比起刚体飞机会引起更为剧烈的货物投放响应;货物质量直接影响空投动响应的剧烈程度;对于无高度稳定的飞机,货物投放会引起飞行高度的降低.      

太空衍射望远镜大型桁架展开过程动力学建模

在太空衍射望远镜桁架展开过程中,各个桁架单元展开锁定的瞬间会引起构件的弹性振动,并对星体与主镜产生较大冲击。在考虑桁架各部件弹性变形的基础上,针对系统拓扑结构和约束条件的变化,对桁架展开与锁定过程建立了变拓扑的柔性多体系统动力学模型并进行了动力学数值分析。当桁架单元锁定时通过在关节处施加强力矩和阻尼来模拟锁定机构的作用。数值仿真结果表明,在锁定瞬时,桁架在纵向呈现大幅度振动,星体与主镜受到的冲击力出现峰值,且每一次峰值有差异,呈现周期性变化,这种现象是由桁架柔性部件的弹性变形引起的。研究结果对太空衍射望远镜结构设计与动力学控制提供了技术参考。