基于内聚力模型的飞机风挡与无人机碰撞仿真及试验验证

为有效支持无人机撞击飞机仿真分析,降低试验研究成本,开展无人机与某型运输类飞机风挡碰撞试验及有限元仿真方法研究。研究建立符合实际尺寸和曲面构型的风挡和无人机的建模方法;考虑到碰撞后风挡玻璃的裂纹萌生和扩展的不可预测性和复杂性,通过Python二次开发在风挡模型中玻璃单元间及玻璃层与胶层间嵌入零厚度内聚力单元,研究给出基于固有内聚力的风挡玻璃有限元模型。研究发现,对应工况的仿真结果与试验结果基本一致,证明内聚力模型应用在该仿真中的有效性。同时相对于常规的单元删除法,基于内聚力模型的仿真结果更加接近试验结果,证明所建立方法的精度更高。     

利用温度测量结果反演三维热传导问题中热源项的算法研究

利用表面温度测量来反演热传导问题中的热源项是一类典型的热传导逆问题,在采用有限体积法对三维稳态热传导问题进行数值求解的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,基于灵敏度分析建立了反演算法.采用该算法对一典型算例的计算结果表明:建立的算法是有效的,具有较好的抗噪性能.此外,对反演算法中计算收敛准则的选取进行了较深入的分析,结果表明,由于热传导逆问题的不适定性,优化过程中目标函数值越小并不意味着反演结果与真值更为接近,可以通过设定合适的收敛准则来模拟正则化项的作用,克服不适定性的影响.     

辐射及化学非平衡流耦合场计算方法

把一种新的三维热辐射计算方法应用到高超声速非平衡流场的数值模拟过程中:在非结构网格上对高超声速化学非平衡流场的数值模拟过程中,耦合了辐射输运方程来求解辐射热流。控制方程为含有化学反应源项和辐射源项的三维N-S方程,数值离散格式采用了Jam eson有限体积法,辐射输运方程采用有限体积法求解。化学反应模型为7组元7反应模型,并采用了化学反应特征时间步长。本文分别对RAM C-Ⅱ和MU SES-C模型进行了计算,计算结果与参考文献的结果吻合。     

多孔介质传热传湿过程多层不连续问题的数值分析

提出了一种基于有限体积法预测非线性边界条件下多层多孔介质内的传热传湿过程的数值分析方法。求解过程中考虑了瞬态边界条件，从而避免了通常处理中边界条件设定为常数而给计算带来的误差，对于多层多孔介质每一层物性参数的非连续性，采用了有效的有限差分逼近处理。利用该处理对典型的三层墙体层与层界面处相对湿度的瞬态值进行了预测，计算结果与Liesen R J等的传递函数求解方法符合很好。     

三维网格动态细化技术在切削仿真中的应用

为解决切削加工有限元仿真模型求解速度与精度难以平衡的问题,提出了一种适用于三维有限元模型的网格动态细化算法。该算法的主要功能包括网格细化区域判断、网格细化以及新旧网格物理场传递。采用Python语言对Abaqus软件进行二次开发,将该算法应用于Ti2AlNb钛合金车削加工仿真之中,并最终通过实验验证了仿真模型的准确性。与采用局部网格细化的仿真模型计算结果对比,采用网格动态细化技术的仿真模型求解切削力误差增加了7.3%,求解最大应力误差增加0.2%,求解速度提升174.2%。实现了在保证仿真计算精度的基础上,有效提高运算速度。     

液体运载火箭充液贮箱箱底纵向刚度数值求解

基于弹簧—质量简化模型进行液体运载火箭充液贮箱纵向结构动力学建模分析时,需要考虑贮箱箱底的刚度影响,Larry D.Pinson基于线性薄膜理论推导了充液贮箱椭球箱底的纵向刚度模型,本文基于有限元方法进行了贮箱箱底刚度的数值求解,计算结果与文献方法进行了比较,计算结果一致,同时数值求解方法可以较好地解决厚度不均匀以及异型的贮箱箱底的刚度求解。     

多轮起落架飞机滑行操纵动力学分析

基于Adams/Aircraft软件建立了某飞机虚拟样机,和基于Matlab/Simulink软件建立的前轮转向、推力和防滑刹车系统实现联合仿真,模拟了飞机的地面匀速转弯和刹车操纵运动,得到了飞机的动响应.研究表明:飞机转弯过程中载荷峰值出现在初始非稳态时刻;滑移率控制式防滑刹车系统使飞机在整个刹车过程中保持最佳刹车性能.     

基于非定常低速预处理和DES的三角翼数值模拟

发展出一套基于低速预处理技术采用SA-DES和SST-DES模型,对三维低速非定常流动进行数值模拟的方法.采用非结构混合网格有限体积方法求解非定常流场,时间离散采用基于LU-SGS隐式格式的双时间步长方法.对非定常低速预处理方法进行了推导和分析,并应用该方法对大攻角三角翼的非定常流场进行了数值模拟,对不同站位压强分布与试验值和参考文献值进行了对比,吻合较好.     

耦合传导/辐射情况下的传热系数和表面热流辨识

耦合传导/辐射情况下的传热参数和表面热流辨识问题是一类特殊的传热逆问题,在工程上应用较广。本文首先建立了耦合传导/辐射的传热问题的数值方法,进行了算例验证。然后分别建立了同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数的算法、辨识非稳态表面热流密度的算法;分析了测点位置、测量误差、辐射吸收系数对辨识结果的影响。结果表明:同时辨识材料热物性参数和辐射吸收系数时,利用右端测点的温度辨识出热传导系数值的精度较高,利用中间测点温度辨识出的辐射吸收特性系数值精度较高。对于表面热流的辨识,测点越靠近加热面,辨识结果的精度越高;吸收系数对中间测点的辨识结果影响大于其他位置测点的辨识结果。     

燃烧室冷态流场的数值研究

在任意曲线坐标系下对环形燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。采用偏微分方程法和区域法生成三维贴体网格,紊流模型采用标准k-ε模型和重整化群k-(εRNGk-ε)模型,在非交错网格坐标系中采用SIMPLE算法求解。数值分析两种紊流模型对火焰筒内气流流动的影响,并与实验结果相比较。结果表明,与标准k-ε模型相比,RNGk-ε模型更适用于模拟紊流流动。     

SMA驱动变体机翼后缘结构力学分析

对基于形状记忆合金（Shape memory alloy,SMA）丝驱动器的多关节变体机翼后缘模型,在指定飞行工况下结构的整体极限偏转角度是最重要的设计指标。本文根据SMA驱动器的力学本构模型,建立了在控制回复状态下的SMA-弹簧模型。基于N S方程编制了2D流场求解器,并使用网格重构技术建立了后缘偏转时的多套流场网格,通过将后缘结构所受的气动载荷力矩对应施加于后缘结构的各个关节,在ANSYS静力分析模块中对后缘的偏转过程进行了数值仿真,考察了变体后缘的整体极限偏转角度。为验证仿真结果,对变体后缘结构进行了模拟加载实验。实验结果表明,本文使用的数值计算方法能够较为准确地预测变体后缘的整体极限偏转角度。     

民用飞机水上迫降分析模型和数值仿真

模拟计算了飞机水上迫降的冲击载荷.利用显式积分法求解离散的扭格朗日有限元方程,并采用欧拉有限体积法求解欧拉控制方程,通过一般耦舍(General coupling)算法实现流固耦合计算,运用Dytran进行数值仿真计算.飞机结构入水时压力在初期就达到峰值,然后衰减,在峰值过后会出现小幅渡动.相同条件下弹性体材料模型的压力峰值要比刚体小.4种工况下飞机着水时的压力峰值中以5°攻角最小,随着仰角增大,压力峰值以及峰值出现的区域随之改变.     

AUFS格式在多组分反应流场模拟中的应用

对AUFS格式进行了讨论,并将其应用于高超声速多组分化学反应流场的数值模拟.超声速燃烧流场复杂性使得发展基于非结构网格的高精度逆风格式数值求解方法成为必然.本文中控制方程为轴对称多组分Eu-ler方程,空间分裂采用基于非结构网格的有限体积逆风格式AUFS方法,时间推进为考虑了化学反应特征时间效应的显式5步Runge-Kutta方法.化学反应模型采用经典的H2/Air的7组分8反应模型.对钝头体激波诱导亚爆轰及超爆轰流场进行了数值模拟,得到了与实验及文献相符合的计算结果.     

某型飞机通用液压源系统建模和性能分析

利用EASY5的通用函数库和液压控制库,建立了某型飞机通用液压源系统仿真模型,并得到了稳态计算和瞬态仿真结果.仿真结果与试验数据基本吻合,对飞机液压系统设计与改进具有同样参考价值,相对以往飞机液压系统的稳态和动态性能评估主要依据经验和实验数据, 仿真计算能够更全面及时地了解系统性能,对系统性能进行设计优化,可部分替代地面试验.说明了EASY5对液压系统压力源的建模和仿真是可行和有效的.提供的仿真结果对新型飞机液压系统设计具有参考价值.     

Roe格式在多组元燃烧流场数值模拟中的应用

对Roe通量分裂格式进行了详细讨论,并将其推广应用到基于非结构网格的高超声速多组元燃烧流场的数值模拟中。控制方程采用三维多组元Euler方程,重点针对Roe格式开展研究;考虑到燃烧流场求解过程中出现的刚性问题,对化学反应源项采用点隐式方法处理。对超声速条件下钝头体激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,比较分析了3种经典化学动力学模型对流场结构的影响,获得与数值模拟、试验数据相符的结果。结果表明发展的方法可以用于多组元燃烧流场的数值分析,且化学动力学模型的选取直接影响激波诱导燃烧流场中诱导区厚度。     

双级涡流器环形燃烧室整体流场数值模拟

在任意曲线坐标系下对包括扩压器、双级涡流器及火焰筒在内的环形燃烧室三维两相燃烧整体流场进行数值模拟。由于环形燃烧室形状复杂,采用偏微分方程法与整体分区结合法生成环形燃烧室整体网格。所用的数学模型有:k-ε紊流模型、EBU-Arrhenius紊流燃烧模型、六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型等。在非交错网格系下,气相采用SIMPLE算法求解,液相采用PSIC算法求解。数值分析不同燃烧室进口气流参数以及涡流器几何尺寸对燃烧室流场的影响,并将计算结果与实验数据进行了比较。结果表明本文的计算方法合理性可用于环形燃烧室的研制与优化设计。     

飞机自动驾驶仪俯仰控制系统仿真研究

分别对比设计了PID控制器、LQR最优控制器和模糊控制器,并建立了对应的Matlab控制模型进行仿真研究。阶跃响应仿真实验结果表明：飞机俯仰系统LQR控制器与模糊控制器比飞机俯仰系统PID控制器能更好地实现对飞机俯仰角的控制,具有响应快速、超调小、误差小的优点;飞机俯仰系统LQR控制器比模糊控制器响应更快,跟踪性能更好,而飞机俯仰系统模糊控制器在抗干扰鲁棒性、跟踪性能和稳态性能指标综合考虑上优于LQR控制器,更适用于实际的飞行环境。     

飞机背负任务系统后横侧气动特性及改进措施数值分析

采用数值模拟的方法分析了飞机背负任务系统后对横侧气动特性的影响,以及提出了平尾加端板的方式改善该情况下的横侧气动特性.在数值模拟过程中,控制方程为雷诺平均N-S方程,采用了基于非结构网格的有限体积方法.湍流模型采用了S-A方程模型.研究结果表明,飞机背负任务系统后会引起航向力矩系数在小侧滑角下变得较小而使得飞机出现横侧不稳定.为改善该类飞机的横侧特性,采用了平尾加端板的措施,数值结果表明,该措施能改善该类飞机的横侧不稳定性,使得飞机在背负任务系统后具有较好的横侧气动特性.     

三维非结构混合网格高超声速流场并行计算

在非结构混合网格上对三维高超声速化学非平衡粘性绕流进行了基于PC-Cluster的分布式并行数值模拟.本采用区域分裂思想,研究了三维非结构混合网格区域自动分解技术,并以此为基础对高超声速化学非平衡绕流进行了并行数值计算.控制方程为多组分N-S方程,空间离散采用有限体积格心格式,时间推进为显式Runge-Kutta格式.化学非平衡动力学模型为七组元带电离反应模型,对化学反应源项进行了点隐式处理,温度场的计算采用牛顿迭代法.在PC-Cluster上对三维双椭球模型的高超声速绕流流场进行了基于区域分解技术的并行数值模拟,所得数值结果与参考献中的结果作了对比验证。     

鸭式布局战斗机非常规机动的流场机理数值分析

以先进战斗机的非常规机动为对象,发展了一种适用于大幅度运动变化的非结构嵌套网格生成方法,建立了一整套非定常流场N-S方程数值求解方法。在对三角翼动态气动特性计算验证的基础上,模拟了飞机过失速机动条件下飞行姿态和来流速度的变化特征,对鸭式布局战斗机"眼镜蛇机动"的非定常涡结构、非定常气动力效应和气动特性进行了数值研究,揭示了鸭式布局战斗机"眼镜蛇机动"的非定常流场机理。