波纹式航天服关节阻力矩特性研究

针对有人状态下的波纹式航天服关节阻力矩难以预测和分析的问题,提出了一种波纹式航天服髋关节精细化有限元建模方法,并对有人和无人状态下航天服髋关节的阻力矩特性进行了仿真分析。建立了考虑织物材料特性、充压环境和人服接触的模型,分析了关节阻力矩形成原因,对波纹式髋关节的结构参数进行了优化并给出了最优结构参数。结果表明,波纹式关节运动时的阻力矩来源于结构弹性变形和压缩气体做功,适当减小关节半径、增加波纹个数和增大波纹直径等措施可以减小关节阻力矩。     

基于Abaqus的航天服波纹式肘关节有限元仿真平台开发

为提高航天服肘关节结构设计的高效性与便捷性,开发了高度集成化的航天服波纹式肘关节有限元仿真分析平台.首先,考虑材料特性、几何尺寸以及人服接触等因素,建立了参数化的仿真模型;然后,基于改进的Preisach模型,提出了复杂运动历程中关节阻力矩的预测方法;最后,通过Abaqus软件预留接口将参数化仿真模型与阻力矩预测方法进...     

登月助力航天服下肢关节迟滞模型建立与动力学仿真

针对未来航天员月面行走的需要,对登月助力航天服下肢关节进行动力学仿真分析。基于月面行走的登月助力航天服结构设计理论,分析了航天服下肢关节阻力矩迟滞特性,采用Preisach迟滞模型对关节阻力矩进行仿真计算,得到关节阻力矩随角度变化曲线;按照登月航天服下肢运动角度、关节长度及质量分布,利用ADAMS建立航天员下肢二连杆动力学模型,得到登月航天服下肢关节驱动力矩随步态周期变化曲线。仿真结果表明,1个步态周期内航天服下肢关节阻力矩在驱动力矩所占比例可达50%,登月助力航天服下肢关节的迟滞特性能更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可为下肢驱动机构设计与运动控制系统提供理论依据。     

矩方法及其在水凝结研究中的应用与发展

矩方法(Method of Moments,MOM),又可以称作内部坐标矩方法,通过求解液滴尺寸分布函数对内部坐标的各阶矩的输运方程,反映粒子数量及尺寸分布的演化。在各种有关伴随凝结流动的数值方法中,矩方法兼顾了计算效率和液滴分布信息,因此被广泛应用于水凝结的研究。本文首先介绍了经典矩方法,综述了矩方法的最新发展。然后应用经典凝结矩方法,研究了伴随同质凝结的Prandtl-Meyer膨胀流动问题,计算发现随着来流水蒸气饱和度的提高,凝结诱导的激波由定常状态向非定常状态转变,出现自激振荡现象;进一步,将经典凝结矩方法推广到异质凝结领域。通过引入"瞬间活化"假设,简化了异质成核模型,将此方法应用到伴随异质凝结的激波管问题中,进行了参数研究,加深了对异质凝结和流动相互作用的认识;最后针对经典矩方法无法处理相间相互作用的问题,将经典矩方法中的矩方程改写为基于液相平均速度的形式,发展了一套考虑相间质量、动量、能量交换的矩方法,应用此方法研究了伴随同质凝结的旋涡运动问题,分析了旋涡中凝结的产生过程,以及凝结与流动相互作用对液相分布的影响,计算结果显示了凝结生成的液滴在离心力作用下离开旋涡中心的现象。     

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料,提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵,利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素,说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性,分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率,结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高,而计算量比一般有限元方法大幅度降低。     

带褶皱的等张力体航天服软关节设计与实验

面向未来行星表面探测任务,航天服的活动性能需要进一步提高。为此,应改进航天服软关节的结构形式。根据等张力体形状内部承压时不存在周向应力的理论,在该曲面周向上加入褶片结构,设计出了带褶皱的等张力体关节,使之能够沿周向弯曲或伸展。为验证关节性能,利用柔性单自由度关节测量设备,进行了多次加卸载和不同运动范围的力矩特性研究,分析了关节的几何形态、等容性以及主应力状态,并将该关节与无褶皱的等张力体关节和平褶式关节进行了比较,最后讨论了关节的优化方向。结果表明,在测试的0°~80°范围内,关节力矩较小,最大容积变化为1.6%。关节弯曲时,等张力体曲面上周向应力仍可忽略不计。首次加载与之后的加载有一定的差异,而不同的运动范围对关节活动性能无影响。与其他两种关节形式比较,带褶皱等张力体关节在几何尺寸、运动形态和活动性能上都具有一定的优势。此外,该关节可在结构和材料方面进一步优化。     

磁悬浮反作用飞轮剩磁矩分析与补偿方法研究

为对磁悬浮反作用飞轮的剩磁矩(RMM)进行分析及最小化设计,提出一种基于等效磁偶极子模型的剩磁矩计算方法.利用有限元仿真空间磁场分布,通过选取3个特征平面的磁场反推得到剩磁矩.对不同工作状态下飞轮样机剩磁矩的大小及变化范围进行了分析,并在此基础上给出了磁悬浮反作用飞轮剩磁矩优化设计方法及补偿方法.分析结果表明.通过磁轴...     

扑翼飞行器柔性翼的动力分析与实验

针对小型扑翼飞行器柔性翼的特点,提出了一种利用欧拉方程结合有限元分析计算柔性扑翼上气动力的分析方法,并进行了样机推力测量实验.实验证明计算结果能很好地反映出扑动周期中不同时刻的推力特征.该方法既可以得到宏观上的推力、扑动阻力,又可以得到不同扑动参数下翼上各处的气动力分布,为柔性扑翼的设计优化提供帮助.      

航空发动机起动过程摩擦阻力矩计算分析

扭矩特性分析是航空发动机起动仿真数学模型建立的重要环节,其中摩擦阻力矩因缺少相应的经验公式难以确定。为了得到起动过程的摩擦阻力矩,借助于某型发动机台架试车数据,根据转速变化率与扭矩的关系,在冷态和热态2种条件下分别对转速变化率和阻力矩进行计算,得到了冷、热态下发动机起动过程摩擦阻力矩,并分析了大气温度对冷态阻力矩的影响规律。以此建立起动过程数值仿真模型,完成了摩擦阻力矩对起动过程转速的影响分析。计算结果表明:摩擦阻力矩随着发动机转速的增加呈减小趋势;在冷态条件下,随着大气温度的降低,摩擦阻力矩逐渐增大;起动过程转速变化率随之减小。     

矩独立重要性分析的Kriging代理模型方法

结构重要性分析是结构不确定性分析的重要研究内容之一。作为一种矩独立的重要性测度指标,基于失效概率的重要性测度能够有效地反映输入变量的不确定性对结构失效概率的影响。然而,相比于其他形式的重要性测度,对基于失效概率的矩独立重要性测度进行高效准确的求解仍然存在一定的困难。基于此,结合Kriging代理模型提出了一种高效的矩独立重要性分析的新方法。所提方法首先通过较少的实验设计样本构建能够充分近似真实输入输出响应函数的Kriging代理模型,进而通过数值模拟策略对所构建的Kriging模型进行分析,最终求解得到各个输入变量基于失效概率矩独立重要性测度的主效应和总效应,给出各个输入变量对于失效概率的影响程度排序。相比于现有方法,所提方法由于引入Kriging代理模型极大地降低了对响应函数的计算次数,同时保证了重要性分析的计算精度。两个工程应用实例结果表明了所提方法在计算效率和计算精度方面的优势,体现了所提方法良好的适用性。     

航天服关节力矩的数学模型

航天服关节力矩特性的数学表述是预测航天员出舱(EVA)作业强度、评估航天员疲劳度、规划EVA活动路径的重要基础。首先,分析了关节力矩的特性,提出建立数学模型的要求,阐述了Jiles-Atherton磁滞模型原理,以及磁滞模型与关节力矩特性的相合性。其次,利用模拟退火算法的思想对遗传算法进行了改进,并基于MATLAB软件实现。最终,对EVA航天服腕关节和肩关节力矩进行仿真,得到关节力矩在特定活动角度下的数学模型。仿真结果表明,针对关节力矩迟滞特性所得的关节力矩数学模型,能够更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可以更便捷地用于航天服工效学等相关研究领域。     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

后摆心潜入式喷管柔性接头力学特性数值仿真

针对后摆心潜入式喷管柔性接头在燃气压力与摆动联合载荷下,弹性件与增强件的力学特性计算问题,建立了对称刚体-柔性体结合的几何模型;采用了有限元方法,获取了柔性接头在燃气压力、摆动载荷及联合载荷下应力、弹性比力矩分布规律。研究表明:随着燃气压力增大,弹性比力矩降低;随摆角增大,弹性比力矩增大。文中的数值仿真方法,可以应用于柔性接头力学特性的计算,为柔性接头强度的安全性评估提供指导。     

发动机吊挂与机翼连接接头强度分析与试验

飞机吊挂与机翼连接接头主要用于传递来自动力装置的载荷,是飞机结构强度设计的关键件。为了精确分析吊挂与机翼连接接头强度及应力应变分布规律,设计了一套接头强度静力试验系统,研究了接头强度有限元建模方法。以总体有限元分析得到吊挂与机翼连接接头载荷为基础,建立了接头的细节有限元模型,分析了对接头强度影响较为严重的两种工况。有限元分析结果与试验结果对比,验证了接头强度有限元建模方法合理,对民机发动机吊挂与机翼接头设计具有应用参考价值。     

机身与起落架连接接头疲劳强度分析方法研究

为了对机身与起落架连接接头进行疲劳强度分析,在建立其细节有限元模型时,采用在接头筋条边缘和开口边缘引入"虚元",进行多工况细节应力分析的方法,提取"虚元"应力,进行组谱分析及雨流计数处理,进而确定接头不同部位地-空-地最大应力及其对应的载荷状态,给出一种接头危险载荷状态以及危险部位应力谱的确定方法;在此基础上,使用DFR法进行疲劳分析;采用Nasgro方程对疲劳最薄弱部位进行损伤容限分析,给出检查间隔。文中针对主接头结构形成的一套分析流程可以推广到其他复杂接头疲劳强度评估中。     

多排钉金属连接接头有限元分析方法研究

解决飞机结构中接头的应力集中问题是延长飞机结构寿命的关键。采用有限元方法对多钉结构的金属连接件的载荷分配进行了研究,并对铆接接头的细节进行应力分析,给出了接头各细节处的应力分布,从而确定了各铆钉孔边危险点处的应力集中系数。同时探讨了台阶形搭接接头的几何构形对铆钉传递载荷和钉孔边危险点处应力集中系数的影响,对其部分几何构形参数进行了优化设计,得到有效降低孔边应力的构形方案。该方案对接头结构的疲劳性能分析具有一定的参考价值。     

复合材料飞机结构低速风洞颤振模型的设计

金属飞机结构到复合材料结构的颤振模型设计,要求采用刚度等代法来完成,然而一般的设计方法通常需要消耗大量时间。为此,针对飞机结构有限元模型,提出一种基于设计元素的设计方法,对有限元模型进一步离散,以刚度为主要等代依据、工程设计和制造要求等为约束条件,完成金属结构到复合材料结构的等代设计。结合实验结果,验证了该设计方法的可行性与合理性。     

高压下喷管柔性接头摆动力矩数值分析

为了研究柔性接头摆动力矩随容压的增加而减小的内在原因,建立某型号柔性接头三维有限元模型,利用"三阶五项式"超弹本构模型表征弹性件橡胶材料的本构关系,数值模拟柔性接头在不同容压下的摆动过程。发现弹性件剖面上的剪应力场分布及数值随容压变化明显,由其计算出的摆动力矩变化明显。整理计算结果发现,摆角相同时,随容压增大摆动力矩呈减小趋势,该现象与实验结果吻合较好。     

航空发动机涡轮榫接结构齿形基本参数研究

通过大量有限元分析和优化设计数值计算方法研究了楔形角、榫头颈宽、榫槽高度、上侧角、下侧角及拉削角等齿形基本参数对榫接结构强度的影响,并根据计算结果设计了新的结构模型,经过实验验证,新结构最大应力有所改善.研究表明,可以采用二维有限元分析结果来研究齿形基本参数对榫接结构应力分布的影响,但是其不能反映应力在轴向方向的变化.