高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展(下)

在对国内外文献调研的基础上,就有关高超声速有翼导弹多场耦合动力学分析和仿真技术的研究和发展现状进行评述,包括气动加热、大攻角非定常气动力、结构传热和温度场分析、热弹性耦合和热模态分析、耦合动力学分析的数学模型和求解方法等内容。最后针对高超声速有翼导弹提出进一步研究开发的建议。     

高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展(上)

在对国内外文献调研的基础上,就有关高超声速有翼导弹多场耦合动力学分析和仿真技术的研究和发展现状进行评述,包括气动加热、大攻角非定常气动力、结构传热和温度场分析、热弹性耦合和热模态分析、耦合动力学分析的数学模型和求解方法等内容.最后针对高超声速有翼导弹提出进一步研究开发的建议.     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性,中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验,试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生,并由此获得颤振临界参数;采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性,分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究,2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明,动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究,温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置,舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高;舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

飞行器气动热与结构传热双向耦合研究

高超声速飞行器热防护结构的设计优化取决于对于飞行器气动热环境与结构内部温度场的准确预示,两者之间的耦合作用对此有着显著的影响。本文针对典型圆管绕流问题开展高超声速非定常流动与热防护结构传热耦合的数值计算。流场部分求解基于量热完全气体的三维粘性可压缩流动Navier-Stokes方程,固体部分求解瞬态热传导及结构响应方程获得结构温度场、热应力及应变。耦合计算采用分区迭代方法,在流-固交界面上进行壁面热流与温度的数据传递,实现了流体与结构的耦合计算。以典型圆管前缘风洞数据对上述多场耦合分析方法进行了验证,结果表明激波位置与壁面热流的计算结果与风洞试验结果一致。基于该方法对典型翼面结构在不同来流马赫数条件下的结构力热响应的模态特征。该方法能够对高超声速飞行器的气动力热载荷与结构传热的规律进行预示,从而为飞行器热防护结构的设计优化提供设计依据。     

地面模拟热颤振试验研究

本文介绍航空结构在气动加热和非定常气动力联合作用下,求结构热颤振特性的地面模拟试验方法。文中介绍了四种结构模拟颤振试验结果并与设定温度场理论计算值和实测温度场理论计算值进行了比较,其结果是令人满意的。最后对试验值进行了讨论并作出结论。     

基于风洞试验的非定常气动力微分方程建模方法

为准确描述大攻角非定常运动中非定常气动力的气动特性,研究了以微分方程为基础的非定常气动建模方法。在某战斗机大振幅偏航、滚转单自由度及偏航-滚转耦合运动风洞试验的基础上,对偏航力矩、滚转力矩建立微分方程模型,分析研究不同频率、同一侧滑角情况下,气动力的迟滞时间;然后对高频运动下的气动力进行拟合,进而建立高频运动下的气动力微分方程模型。研究表明:模型可精确预测不同机动下非定常气动特性;建模方法具有较强的工程可行性。     

超音速下某一维弹道修正弹丸气动特性的数值模拟

为了研究超音速下某型号一维弹道修正弹的气动特性,以可压缩非定常的三维无量纲化Navier—Stokes方程为控制方程,采用结构化网格对其进行了CFD数值模拟计算。数值计算结果显示了其阻力系数、升力系数及俯仰力矩系数在不同马赫数及攻角下的变化情况及其压力等值线分布图。数值模拟得到的气动特性结果与实验值几乎吻合,为今后弹丸的气动设计和进一步深入研究提供了一定的依据。     

高超声速飞行器舵面热气动弹性分析方法研究

利用修正的牛顿碰撞理论建立平板舵热结构气动力计算模型,完成非定常气动力计算,利用有限元方法建立温度场影响下舵面结构动力学模型,进而完成颤振稳定性分析。研究结果表明高温会导致控制舵颤振稳定性向坏发展。     

带振荡上仰翼型分离流研究

对带振荡的快速上仰翼型的非定常分离流问题进行了计算研究。采用微分形式的动力学方程和积分形式的运动学方程相结合的有效方法,以及可用于有分离流动的Baldwin-Lom ax 湍流模型,精确地模拟大雷诺数大攻角下的复杂流场。依据流场的不同特点,使用分区方法进行计算,保证了计算精度,大大节省了计算时间。文中分析研究了非定常前缘强旋涡的演化过程和气动力的变化,探讨了不同上仰率和振荡频率对分离流动的影响     

高超声速气流中复合材料壁板热颤振分析

针对高超声速气流中的复合材料壁板颤振问题,根据Hamilton原理,利用von Karman大变形应变--位移关系、三阶气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了壁板结构颤振的气动弹性力学模型,使用Bogner-Fox-Schmit单元推导出考虑热效应的复合材料板颤振的非线性有限元方程.应用数值积分的方法在时域内求解方程,确定出壁板颤振的临界动压,并分析复合材料壁板的非线性颤振特性.数值模拟的结果表明,在高超声速气流中气动力的非线性项和热载荷对壁板颤振的振动幅值的影响较明显.这将为高超声速飞行器壁板结构的设计奠定基础.     

Coupled FEM Analyses on Electro-mechanical Problem of Electrostrictive Plate with Elliptical Hole

A detailed theoretical construction of general coupled 3D FEM analyses of anisotropic dielectrics is first presented by considering the electric body force and body couple moment. A 3D electrostrictive element is subsequently defined in ABAQUS user subroutine UEL and the post-processing of finite element method （FEM） results is realized by UVARM and dummy element method. Then the developed technique is used to solve the electro-elastic field of an isotropic electrostrictive plate with an elliptical hole subjected to electrical load. By comparing the coupled and uncoupled numerical results, the traditional uncoupled analytical method can cause a large error when the applied electric field or the electrostrictive performance of the dielectric is high, and thus the present coupled analysis is especially necessary.     

航天器视场遮挡分析方法研究

敏感器视场遮挡分析是航天器构型布局设计的重要组成部分,针对大型在轨变构型航天器敏感器视场遮挡分析工作量大、出错率高、遮挡率无法量化等特点,本文提出一种基于敏感器第一视角的视场遮挡快速分析方法。该方法通过设置第一视角图像蒙版及图像映射,模拟方锥形、圆锥形、球形等各类敏感器视场,通过逐个像素比对,计算视场遮挡率和遮挡方位。使用此方法建立了空间站敏感器视场遮挡分析系统,结果表明新方法能够显著提高视场遮挡分析效率和准确率,并且为机构类部件运动过程对敏感器视场遮挡的分析提供了有效工具。     

具有随机刚度薄板小挠度问题的数值分析

从薄板小挠度问题的控制方程出发,将结构的随机参数统一到刚度随机场中,采用局部平均法对刚度随机场进行离散,并将其融于二阶差分方法的列式中,给出了求解刚度随机时薄板上各点位移的数字特征的随机有限元法。该方法不但可以解决复杂边界下的薄板小挠度问题,而且进一步解决了结构的可靠度问题。文中最后对算例进行了计算,用解析解验证了本文方法的正确性。     

隧道衬砌外水压力计算方法研究

隧道工程中地下水作用在衬砌上的外水压力是进行衬砌设计的一个重要因素,如何确定外水压力是隧道工程界迫切需要解决的一个问题。本文详尽论述了折减系数法、理论解析法、解析数值解法、水文地球化学方法和渗流理论分析法五种计算方法,并建立了渗流场与应力场的全耦合计算模型。     

腔内混合态原子系统中辐射场的N次方压缩

应用熵最大原理，研究了腔内二能级混合态系统场振幅的高阶压缩效应，结果表明，在腔场的弱激发下，只有初始布居几率为纯态或紧靠纯度的状态下才可出现压缩，而偏离纯态较大的混合态则不存在压缩。     

基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计

针对 MD-82真实客机座舱内现有的壁面条缝型送风口流场平均流速沿座舱轴向分布的不均匀性,提出了一种送风口条缝形芯内结构的设计,使条缝型送风口处气流混合更加均匀,湍流发展更充分,平均流速沿座舱轴向分布更加均匀。并利用热线测速技术,精细测量条缝型送风口流场进行验证。从吹风感舒适性要求出发,利用子波分析,对条缝型送风口流场不同位置的瞬时速度时间序列信号作多尺度湍涡成分分析。结果表明:加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流脉动特征频率始终维持在21.83Hz 左右,而导致人最不舒适的空气速度脉动频率为0.2~0.6Hz,从而证实加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流提高了人体感觉的舒适性。     

海洋平台在组合载荷作用下的随机域可靠性分析

本文对海洋平台在风、浪及海流等多种载荷组合作用下的可靠性进行了分析计算，采用优选随机载单元法进行结构数的随机域离散。文中的海洋平台算例结构表明了优选随机域单元法的高效性，以及在海洋工程的结构系统可靠性计算中的考虑载荷组合作用的必要性。     

风力机翼型的多学科设计优化

为了解决优化计算和流场分析耦合求解的难题,并实现优化流程的自动化运行,采用多学科优化设计框架软件,针对风力机专用翼型运行工况,对低雷诺数航空翼型NACA 4412的气动性能进行优化设计。软件集成了翼型生成、网格划分、流场分析、优化计算4个模块。其中,流场计算采用N-S方程求解;优化方法为多岛遗传算法。优化结果表明,优化后翼型有较高的升力系数和相对大的升阻比,其升阻比提高了15.9%。该方法可以实现多学科领域的精确分析和整个优化循环过程的自动化运行,也能为其他气动外形的优化设计提供参考。     

混合励磁同步电机电抗计算与建模

混合励磁同步电机(Hybrid excitation synchronous machine,HESM)磁场分布往往呈现三雏特性,二雏有限元法难以适用.而三维有限元瞬态场分析的计算量巨大,进行混合励磁同步电机与控制系统外电路的闭环场路耦舍仿真目前还不现实,本文建立了切向磁钢HESM的三维有限元模型,由静磁场计算得到气隙磁通随励磁电流的变化规律.利用三雏瞬态场路耦合分析电机空载特性和外特性,由电势波形和矢量图推算不同励磁、不同负载电流下电机同步电抗值.根据电压方程建立了切向磁钢HESM的MATLAB/Simulink数学模型,仿真和实验结果验证了模型的正确性,为新型混合励磁同步电机的闭环系统仿真分析、快速计算提供了重要的分析手段.     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术(PIV),测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构.结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流.新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体"微泵"工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的"定向输运",其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制.