机翼部段静力试验优化设计方法

飞机结构部段结构静力试验是验证结构承载能力、有限元模型等设计指标的重要手段。部段试验相比全机试验规模较小，但需要解决边界分离面刚度匹配、支持模拟、加载模拟等技术难题，保证结构考核精度不受影响。某型飞机机翼为联翼式桁架布局，取中间一段机翼进行静力试验，需要解决多分离面优化设计，气动惯性载荷优化设计及施加等问题。采用分级解耦的设计思想，将试验设计的各个影响因素逐级剥离并建立相应的分析对比模型，依据结构响应误差进行优化设计，评估每一级简化模拟带来的误差。以结构有限元数值仿真为基础，提出了多铰支接头位移+主动载荷混合边界模拟，分离面加载假件刚度解耦设计与优化，桁架式机翼载荷优化设计及载荷施加等试验技术，使部段试验设计精度达到较高水平。     

飞机结构疲劳试验载荷优化分配

现代飞机结构设计，对全尺寸结构疲劳试验的技术及精确性要求也越来越高。正确施加疲劳载荷，尽可能准确地反映结构真实内力是至关重要的。国内的载荷优化分配研究尚处于初步研究及技术实施阶段。依据试验加载的试验条件和杠杆分配原理，按照主承力切面内力高精度控制原则，通过区域划分，疲劳试验载荷谱优化、加载点载荷等效及误差评估，来实现整个优化过程，并进行了程序开发。     

基于缩比模型的薄壁结构声振响应等效研究

声振试验是研究强噪声作用下结构动力学响应的一种有效方法。然而，高声强、宽频率噪声环境的试验室模拟是声振试验面临的挑战之一。为了降低声振动试验对严酷噪声环境的依赖性，本文提出了一种等效方法。根据该等效方法，缩比模型在等效外力作用下，可获得和全尺寸结构完全一致的结构响应。提出的等效方法可以评估不同类型的噪声激励，包括集中力、点声源、面声源和混响声场等激发的结构振动，而不需要模拟更宽频率的外激励。为了验证该等效方法的可靠性，研究对不同方法，包括数值计算、地面试验和等效方法等获得的结构频域响应结果进行对比，对比结果表明基于缩比模型的等效方法能准确地预测全尺寸结构的动载荷响应。此外，本研究还讨论了不同支撑边界和材料效应对等效方法的影响，进一步扩展了等效方法的适用范围。     

飞机冲击载荷等效静载的确定方法研究

如何确定冲击载荷的等效静载对飞机结构的强度设计和验证具有重要意义。基于经典冲击载荷时域曲线后峰锯齿波、单自由度冲击动响应理论和位移等效原则，建立冲击载荷动态缩放系数求解公式；基于三角函数不等式关系，推导出动态缩放系数与冲击载荷作用时间、结构固有频率乘积的函数关系。建立求解冲击载荷等效静载方法的实施流程；以简化拦阻钩系统的冲击和缩比模型的水上迫降为例，对所提方法的有效性进行验证。结果表明：拦阻冲击载荷动态缩放系数的理论估计值与仿真计算值的相对误差小于4%，水上迫降等效静压与选用的设计压力相对误差为0.9%，所建立的动态缩放系数的理论计算公式精度较高，所提方法可供工程相关应用参考。     

民用飞机全机静力试验前机身工况配平载荷设计

民用飞机全机静力试验中由于加载方案复杂,为了简化试验加载数量,传统的配平方案主要保证考核区的加载准确性,对于非考核区的载荷简化到若干加载点上。对于飞机机身这种薄壁结构,非考核区的配平对考核区影响较大。以某飞机前机身严重工况为例,基于飞机全机有限元模型,研究静力试验的载荷配平方案;通过对比分析态载荷与传统试验态配平载荷方案下的内力解,对传统全机静力试验载荷配平方案进行优化。结果表明：优化后的试验态内力解与分析态内力解基本吻合;对于飞机机身薄壁结构,圣维南原理并不适用,全机静力试验的载荷配平要与真实工况受力情况吻合,才能达到试验验证目的。     

飞机结构静强度试验载荷等效方法应用

比较讨论了将气动网点载荷等效为加载点载荷的传统方法及其优缺点，给出了多点挑等效方法的力学原理和算法，并在小鹰500飞机全机静强度试验载荷等效中得到实际应用。     

一种楔环刚度等效方法

为了确保分析精度的条件下提高带楔环的鱼雷结构分析效率,在优化设计的基础上建立了一种楔环刚度等效方法.建立带接触的三维细节实体元有限元模型和全壳元有限元模型,分别进行非线性静力分析和线性静力分析,以连接部位壳元刚度为参数,以全壳元模型与三维细节模型挠度一致为目标开展优化设计,通过优化设计得到连接部位的楔环等效刚度.采用等效刚度模型和模态分析后发现,等效模型可以在计算精度和计算效率之间取得较好的均衡,证明提出的方法在鱼雷结构设计和强度研究中具有较高的应用价值.     

基于高低周复合疲劳试验技术的叶片失效故障复现

针对某涵道尾桨风扇叶片在风洞试验中发生的断裂故障,基于叶片破坏模式和载荷形式,初步分析为离心载荷/低循环疲劳(LCF)和气动载荷/高循环疲劳(HCF)耦合作用导致的疲劳破坏。基于此,通过正交载荷解耦和协调加载控制等关键技术开展联合载荷作用下的叶片复合疲劳(CCF)试验技术研究和试验考核验证。试验结果表明,离心载荷控制精度优于±1%,气动载荷控制精度优于±8‰。试验应变响应频率与试验加载频率一致性较好,满足试验加载和控制的同步性要求。最终,通过对叶片故障复现验证失效原因分析的正确性,为叶片结构优化设计、寿命评估和复合疲劳试验奠定技术基础。     

基于等效模型复合材料有效载荷承力结构优化设计

基于等效模型迭代优化对复合材料有效载荷承力结构——井字梁结构进行复合材料优化设计,此方法是基于单层板来模拟层合板的力学性能的想法。本文建立了反映井字梁结构的高精度有限元模型及其等效模型。并以结构质量为目标函数,刚度为约束条件,利用工程有限元分析软件Patran/Nastran对等效模型厚度进行优化设计,寻找出最优结构尺...     

广义最优准则法研究

 利用函数的二阶Taylor级数展开,将原问题转化为一系列的近似问题,并基于Kuhn-Tucker条件,直接给出了一种新的设计迭代式。该迭代式被证明是二次收敛的。本文所提方法可同时处理各种不同类型约束的结构优化问题,具有广义最优准则法的意义。在结构优化领域,灵敏度分析是重要的研究内容之一。本文利用广义虚载荷概念,建立了应力、位移响应的一阶和二阶导数计算公式。该导数公式对弹性矩阵未加限制,且适用于元素内应力非常值的元素。 本文处理了具有几何约束、应力约束和位移约束的结构优化设计问题。数值结果表明,此方法的计算效率很高,一般仅需2～3次分析迭代便可达工程所需的精度要求,具有实用价值。     

超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法

针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构,提出了一种快速屈曲分析方法。首先,基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利-里兹法建立了快速屈曲分析框架,并通过与算例中等效刚度法屈曲载荷结果进行比较,验证了本文方法具有较高的预测精度。然后,对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率,结果表明本文方法不受结构尺寸影响,平均计算时间仅为6s,凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而,基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估,其预测误差均在3.0%以内,表现出广泛的构型适用性。在此基础上,通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率,优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势,相较于初始方案取得了82.2%的承载增幅,可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。     

水陆两栖飞机静力试验优化机翼变形的载荷配平

水陆两栖飞机全机静力试验的浮筒着水工况试验中，在试验允许的常规载荷配平方案下，压向大量级水载荷作用于浮筒结构引起机翼较大变形，影响试验精度，因此进行以减少机翼变形为目标的载荷配平研究。将机翼近似为悬臂梁结构，在构建的机翼力学模型基础上应用Green函数建立机翼的挠度曲线方程。首次以考核区域边界肋的挠度和转角为优化目标并建立多目标函数，通过层次分析法和极差变换标准化处理方法将其转化为单目标函数后，采用引入交叉和变异因子的改进蚁群算法进行载荷配平方案优化运算。有限元分析及试验结果显示，优化得到的载荷配平方案可以显著地减少机翼变形，配平载荷不影响考核区域的真实变形，证明了该优化方案的正确性和可行性。     

等效载荷的Haigh修正方法

本文在不同材料疲劳试验结果的基础上,分析了不同材料的平均载荷对疲劳交变载荷的影响,其等效载荷的修正呈现出不同的曲线线性.文中通过引入Haigh系数,统一了等寿命曲线分析中等效载荷的Goodman/Soderberg/Gerber修正方法,并给出不同材料平均载荷对等效载荷影响的修正曲线的系数.     

涡轮盘优化设计中的热边界载荷控制效果研究

针对航空发动机涡轮盘结构优化设计,在等热负荷及等冷气耗量前提下,采用热边界载荷控制构建轮盘上有利的温度分布,以ISIGHT软件为基础搭建的集建模-CFD分析-FE（有限元）分析-优化设计在同一流程下的多学科优化设计平台为工具,研究热边界载荷优化在涡轮盘优化设计中的应用效果.结果表明:热边界载荷的优化可以实现质量减轻和应力水平同时下降的目的,下降水平决定于热边界载荷分配系数,当热边界载荷分配系数取0.1和0.2时,盘心最大等效应力下降值分别为5.93%和12.01%,质量下降值分别为1.25%和2.24%.      

复合材料板壳任意位置处载荷识别

提出了一种受载单元判别法,根据遗传算法生成的染色体所对应的载荷作用点的横、纵坐标和每个单元四条边间的几何关系,判断出集中载荷作用的单元,再根据力的等效分配原则,把载荷等效分配到所在单元的节点上,进而基于有限元分析和遗传算法自身优越的全局搜索能力实现作用于复合材料结构网格节点或单元内部任意位置处的载荷识别.与现有的神经网络识别法和有限元反分析法相比,该方法具有能够识别非网格节点处的载荷的优点,且仿真算例表明其识别精度更高.      

低压比煤油涡轮数值计算与优化设计

小流量煤油涡轮泵可用于膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统,针对特定工况提出了超临界/裂解态煤油基低压比涡轮的数值计算方法和优化设计策略。根据液体火箭发动机中典型的涡轮设计方法获得了低压比煤油涡轮的设计方案,采用湍流模拟方法结合煤油的多组分代理模型对25kr/min转速下的涡轮内部超临界态流动进行数值计算,发现设计方案的轴功率超过所需轴功率的120%,不利于涡轮泵系统在设计点工况下的稳定运转。取涡轮轴功率大于所需轴功率为约束条件,选择涡轮结构尺寸为设计变量,以两个目标量(优化方案的轴功率和效率相对于设计方案的变化率)的加权函数值最大为目标,基于响应面模型和多岛遗传算法开展渐进优化,优化过程中采用i SIGHT平台集成了3维参数化建模和流场仿真等C++程序和软件以实现数值计算自动化。利用试验设计方法建立样本数据库,并进行了涡轮轴功率和效率关于设计变量的灵敏度分析,发现二者成合作关系;所得涡轮优化方案的两个目标量分别下降16.5%和2.9%,以较低的效率损失为代价实现了轴功率的良好配合。     

基于双循环的涡轮叶冠多学科设计优化

针对经典的多学科设计可行方法(MDF)的低效率问题,开展了利用可变复杂度建模方法改进MDF策略的研究.以涡轮叶冠为对象,综合考虑优化精度和优化效率,利用响应面方法近似高精度分析,简化计算难度,提高优化效率;合理引入可变复杂度建模方法,通过双循环结构优化策略周期性地调用高精度分析更新响应面方程来保证优化精度.基于双循环的涡轮叶冠多学科优化设计(MDO)表明,优化设计目标降低了1.4%,明显好于经典MDF策略(0.97%),整个优化策略共耗时2h39min,仅是经典MDF的优化时间的1/3.     

用等效平均损伤模型计算剩余寿命方法的研究

分析了复杂载荷下材料的损伤累积过程和疲劳寿命计自身材料疲劳损伤与其不可逆电阻变化响应的联系。疲劳寿命计自身材料疲劳损伤演变、损伤累积过程以电阻变化速率和变化量显示了其全貌。假设其等效平均损伤等一般规律与金属材料的疲劳情况相类似,结合本文给出拟合精度很好的材料应力寿命曲线,得出随机载荷下剩余寿命计算的简便方法,具有较高可信度。初步实验验证很令人满意。     

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

基于位移测量的机翼载荷分布反演方法

机翼载荷的准确获取是决定机翼结构设计的关键,提出了一种基于位移测量的载荷分布反演方法。针对典型机翼结构建立了COMSOL有限元模型并获取了载荷与位移响应的关系,利用MATLAB调用了位移数据,采用Levenberg-Marquardt梯度算法实现了机翼载荷的高效反演。在此基础上,开展了不同载荷初值和位移测量误差对载荷反演结构的影响分析。分析结果表明：不同初值对载荷反演的影响可以忽略,证明方法具有良好的稳定性;位移测量误差对载荷反演结果影响较小,证明本方法具有较好鲁棒性。提出的载荷反演方法在机翼结构强度分析、优化设计和定寿延寿方面具有广阔的应用前景。