双轨火箭橇全时程动力学仿真分析研究

随着用于武器系统的新理论、新技术和新材料的发展,火箭橇的应用越来越广泛。本文针对双轨火箭橇系统,建立了橇轨-滑车系统的动力学分析模型。建立了橇车三维实体模型的简化与优化匹配方法,推导了考虑阻尼、橇轨间隙以及不平顺度的火箭橇运动动力学方程组并进行了求解。对于橇车动态特性计算问题、橇车设计与载荷预测,具有重要的理论与应用价值。     

火箭橇结构动力学仿真分析技术研究

火箭橇系统是一种以火箭发动机为动力沿地面固定轨道高速飞行的地面试 验设备,在试验过程中,其外界激励复杂,所提供的力学环境条件较为恶劣,因此在试 验前对火箭橇结构系统进行动力学分析在火箭橇结构设计中是必不可少的。主要针对某 火箭橇减振结构平台进行动力学分析, 利用ANSYS 的动力响应分析系统对典型火箭橇 减振结构系统进行模态分析、谐响应分析、瞬态响应分析以及谱分析的仿真分析,并与 实验室结果进行了对比分析。通过以上分析可以解决火箭橇减振设计中的振动分析问 题,并对结构的减振设计提供依据。     

单轨火箭橇阻力板刹车技术研究

简要介绍了火箭橇刹车技术, 着重阐述阻力板刹车技术原理, 阻力板设 计、优化方法,并以某型试验为例,对阻力板在多级单轨火箭橇试验中的应用方法以及 阻力板设计,气动仿真结果进行详细分析和研究。该研究首先通过气动仿真分析对已完 成试验的火箭橇进行气动分析计算,通过对比试验结果验证分析计算的正确性;再通过 相同的方法对某型设计有阻力板的火箭橇进行分析计算,计算出此火箭橇气动阻力。分 析显示,本研究有效提高了火箭橇无损回收的可靠性。     

火箭橇运动计算算法优化与试验验证

对火箭橇试验系统进行了动力学分析,研究了火箭橇运动计算方法,在常规算法基础上对各参量计算方法进行改进,并引入了新的参量能量耗散阻力,进而得到优化算法。取四次不同速度的双轨橇车试验结果分别与常规算法和优化算法计算结果进行比较,得到:常规算法计算结果误差最小为7.67%,误差最大为37.91%,优化后算法计算结果误差最小为0.48%,误差最大为5.0%;取四次不同速度的单轨橇车试验结果分别与常规算法和优化算法计算结果进行比较,得到:常规算法计算结果误差最小为11.78%,误差最大为43.64%,而优化算法计算结果误差最小为0.11%,误差最大为5.31%。结果表明火箭橇运动计算优化算法相比常规算法能有效提高计算结果精度,计算结果对火箭橇试验设计具有一定工程指导意义。      

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

图形变形法在固体火箭发动机设计优化中的应用

采用图形变形法分析了固体火箭发动机设计优化模型中各设计变量对目标函数和约束的影响程度，探索了可行设计空间，通过显示优化结果点附近设计空间形态定性分析了优化结果鲁棒性。结果表明，图形变形法处理固体火箭发动机设计优化多变量分析及显示问题简单、直观，易于工程应用。     

导引头火箭橇试验振动力学环境控制技术研究

针对导引头系统的特点, 从火箭橇试验系统的振动源分析, 开展导引头系 统火箭橇试验的振动力学环境控制技术分析,通过对火箭橇体结构的气动优化设计及聚 氨酯泡沫填充剂的吸振作用和硅橡胶的减振作用的组合方式相结合降低导引头系统振动 环境,并利用仿真分析和火箭橇试验验证力学环境控制系统设计的合理性。     

惯导装置精度试验火箭橇弹道设计

以9km 火箭橇试验设施为基础, 就惯导装置精度试验所需的长时、大过载 弹道条件, 提出了一种火箭橇弹道的设计方法。建立了火箭橇主动段和刹车段运动方 程, 针对火箭发动机推力、气动力、摩擦力和刹车力等主要动力学因素, 结合工程经 验,提出了选取原则和方法。以某惯导装置精度试验为背景,设计了火箭橇试验弹道, 通过试验验证,设计结果与实测数据基本一致,满足总体要求,并对其中出现的主要误 差进行了分析和评估。该研究能够为惯导装置开展精度试验奠定良好的火箭橇弹道设计 基础。     

基于蚁群算法的机头结构二级布局优化方法

针对民机机头结构布局设计的拓扑变量与尺寸优化变量共存的混合变量设计问题,改进一般的蚁群算法,提出多城市层的蚁群算法转移概率准则,建立基于蚁群算法拓扑优化及准则法尺寸优化设计的二级结构布局优化法,第一级针对离散设计变量,采用蚁群算法确定结构的拓扑布局;第二级针对连续设计变量,基于准则法完成结构在前一级布局下的尺寸优化设计。优化设计结果表明：在满足强度和刚度约束下,相较于初始结构,杆件结构总重量减轻32%,且较常规尺寸优化效果更好。     

考虑气动弹性约束的机翼结构布局优化设计

提出了一种气动弹性约束下的复合材料机翼结构布局优化设计方法.机翼内部翼梁的数目与机翼各部件的尺寸被统一来考虑,拓扑变量和尺寸变量由一个双层循环机制的优化程序来统一处理.第一层,使用蚁群算法来处理拓扑设计变量;第二层,使用NASTRAN的Sol200优化程序来处理尺寸变量,同时考虑强度、刚度、颤振约束,并将第二层的优化结果反馈给第一层以催生出更优的结构布局方案.最后,使用基本的颤振优化(没有调整结构布局)与本文方法对某前掠机翼进行了布局优化设计,并将结果进行了对比.结果表明,综合考虑各种设计约束下,结构布局形式对结构质量有重要影响,应予高度重视,同时证明了本文方法的正确性与可行性.     

考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化

常规传热结构的周期性拓扑优化通常基于稳态热传导模型,并未考虑瞬态效应对设计结果的影响。针对瞬态热传导目标响应最大值最小化问题,搭建基于Ordered-RAMP法的多材料插值模型,提出一种周期性多材料瞬态热传导拓扑优化设计方法。该方法分别以时间历程内传热结构最高温度最小化与最高散热耗能最小化为设计目标,引入聚合函数处理设计变量的瞬态响应不可微问题,并通过重新分配单元目标函数基值实现子区域周期性约束设置。数值算例验证了所提方法的有效性和可行性。结果表明：不同热负荷工作时间下,均可得到材料分布合理、边界清晰的周期性拓扑构型,并能实现不同设计目标下的性能最优;周期性约束会对拓扑构型产生影响,且子区域数目越多优化目标越差。     

压力载荷下的结构拓扑-形状协同优化

 压力载荷作用下的结构轻量化设计是工程中的常见问题,由于压力加载面的可设计性,现有以固定载荷为基础的拓扑优化技术不能很好地处理这类问题。直接采用CAD参数化样条或B样条曲线描述压力加载面,通过拓扑和形状变量的联合优化满足了工程实际对结构轻量化与边界的功能性与光滑性设计要求。同时,为了避免结构边界形状变化时有限元网格刷新引起的定义拓扑伪密度变量的困难,用所提出的背景网格和密度点技术实现了每一步单元密度设计迭代结果的自动传递,并采用网格变形技术实现了形状设计变量灵敏度分析。采用4个数值算例验证了方法的有效性,其中发动机承力框架的设计结果充分说明该方法在航空结构设计中的重要应用价值。     

Topology Optimization Design for the Layout of theMain Bearing Joint of a Certain Aircraft

为了实现飞机部件的轻量化设计,将拓扑优化和代理模型相结合构建了一个结构布局优化的算法。以某型飞机主承力接头为研究对象,根据结构传力路线和工艺要求,将接头的布局优化转化为耳片的平面拓扑优化与螺栓位置的优化。以接头耳片的厚度和中间排螺栓位置作为布局变量,对每组布局变量下的耳片进行拓扑优化,对布局变量采用基于代理模型的遗传算法进行优化。以质量最小为优化目标,在强度与刚度的多约束条件下,完成了某型飞机主承力接头的布局拓扑优化。结果表明,本方法的优化结果比传统的拓扑优化结果减重约 14.5%,验证了优化算法的可行性与有效性。     

高精度火箭橇试验轨道随机不平顺分析

对实测高精度火箭橇试验轨道随机不平顺功率谱密度(PSD)进行B样条插值,得到拟合用PSD平均曲线.对此曲线采用最小X方回归与粒子群优化算法,得到了指数函数形式的PSD函数参数值.基于PSD进行频率采样,利用Monte Carlo法模拟得到随机相位,然后利用Blackman-Turkey法模拟得到试验轨道空间域内的不平顺大小.分析与模拟结果表明:高精度火箭橇轨道随机不平顺具有低频、低幅值和低功率特性.随机不平顺对数PSD值随频率的增加而趋于稳定值.     

基于递阶遗传算法的结构非接触形状控制

以PLZT光致伸缩层合梁非接触形状控制问题为研究对象,提出了一种结合结构拓扑优化与递阶遗传算法的控制方法.该方法以PLZT光致伸缩驱动器的拓扑分布和照射的光强值为设计变量,以PLZT光致伸缩层合梁的期望形状与控制形状的差值函数为适应度函数,应用结构拓扑优化、递阶遗传算法和有限元法,优化了PLZT光致伸缩驱动器的分布和所照射的光强值.与基于传统遗传算法的形状控制方法的计算结果进行了对比分析,该方法的进化速度提高了91%以上,所控制的结构形状与期望形状的误差较传统遗传算法降低了76%以上.      

弹用涡轮喷气发动机火箭橇试验研究

为了研究弹用涡轮喷气发动机动态启动加速过程，开展了发动机火箭橇试验研究。通过火箭橇试验，可掌握导弹发射条件下弹用涡轮喷气发动机启动加速特征，暴露发动机在启动加速方面的设计缺陷。火箭橇试验能够真实的模拟导弹发射条件，它对于弹用涡轮喷气发动机研究具有十分重要的意义。     

低亚声速火箭橇尾流场特性分析

采用三维不可压Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型,对低亚声速条件下火箭橇试验的流场进行数值模拟,得到了有/无护板火箭橇的流场特性,并对比分析了火箭橇尾流场与飞机尾流场。结果表明,60~90m/s速度条件下,火箭橇受到的气动阻力约为自重的4.8%~8.6%,阻力系数约为0.65,气动升力仅为自重的0.84%~1.9%,升力系数约为-0.005,动力学分析中可以忽略气动升力的影响。不同来流速度下,尾流探测区的无量纲流向速度差值小于8%,无量纲压力差值小于0.5%。低亚声速情况下,来流速度对尾流场特性的影响可以忽略。此外,火箭橇尾流场结构与飞机尾流场结构具有较好的相似性,满足相关速度条件下的动态试验要求。     

火箭橇速度测试雷达合作目标设计

为提高测速雷达对长距离火箭橇全程速度测试作用距离, 从增大目标雷达 截面积的角度提出了无源角反射器与有源雷达目标模拟器两种橇载雷达合作目标设计思 路,重点阐述了有源雷达目标模拟器设计方案,明确了有源雷达目标模拟器设计中需解 决的关键技术。文中设计的雷达合作目标能够满足靶场长距离火箭橇试验全程速度测试 要求,具有较高的实际使用价值。     

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

一种基于火箭橇轨道的动基座重力 测量系统评价方法

传统的重力仪精度评价方法为重力仪测量值与静态定点值或飞行状态下的重力线网格参考值进行比较,根据差值或相对异常值来评价重力仪的精度指标,但其缺点是飞行轨迹重复性差.火箭橇轨道是进行火箭橇测试的重要组成部分,它严格按照设计建设,长达数公里,拥有完整已知的地理数据信息,且沿着火箭橇轨道布有众多的绝对重力基准点.提出一种基于火箭橇轨道的重力测量系统评价方法,通过火箭橇轨道上的众多绝对重力基准点和重力仪测量得到的重力值比较,评价重力仪的精度指标性能.其优点是该方法能够连续、快速、可重复评价重力测量系统的精度指标,为重力仪研制提供精确的评价手段和鉴定方法.