基于遗传算法和空间推进方法的单壁扩张喷管优化设计研究

 将单目标遗传算法和多目标遗传算法（包括NSGA-II和NCGA）,与高效、高精度的空间推进流场数值模拟方法——SSPNS方法相结合,对二维超燃冲压发动机尾喷管即单壁扩张喷管（SERN）进行了气动优化设计研究。在巡航点（Ma=6.0）讨论了推力系数C_T最大单目标模型,推力系数C_T最大升力系数C_L最大两目标模型,以及推力系数C_T最大升力系数C_L最大俯仰力矩系数C_m最小三目标模型,分别得到了喷管的最大推力设计和关于多个目标性能的Pareto最优前沿。结果表明,扩张壁初始扩张角θ_r,i和外罩长度L_c对C_T影响较大;较小的L_c和较大的θ_r,i设计,将降低外罩内表面的负升力作用而使得SERN的C_L较大;较长外罩和较小的θ_r,i,对应Pareto最优设计的C_M较小。     

用有机硅树脂YR3370连接RBSiC陶瓷

 以一种聚硅氧烷类有机硅树脂YR3370(GE Toshiba Silicones)为连接剂,连接了反应烧结SiC(RBSiC)陶瓷。连接件在1 100~1 300℃的99.99%N₂气流中进行热处理。用三点弯曲强度实验测定连接件的强度,用场发射扫描电镜、X射线衍射和热重测试分析显微结构和化学反应。在连接温度为1 200 ℃时,连接件的三点弯曲强度达到最大值197 MPa。连接层是由有机硅树脂YR3370裂解生成的无定形Si_xO_yC_z陶瓷,其结构连续均匀致密,厚度在2~5 μm之间。连接机理是通过无定形Si_xO_yC_z陶瓷的无机粘接作用在RBSiC陶瓷基体和连接层之间形成连续的化学键。     

反应熔渗制备Cf/C-ZrC-SiC复合材料微观结构及抗烧蚀性能

通过反应熔渗（RMI）方式，以缝合碳纤维预制体和Si-Zr合金作为反应物，制备得到C_f/C-ZrC-SiC复合材料，并利用SEM-EDS和XRD系统分析了复合材料的微观结构，可以明确SiC-ZrC陶瓷基体在材料内部分布比较均匀且致密度较高。得益于上述基体结构，C_f/C-ZrC-SiC复合材料的弯曲强度和模量分别达到323.2 MPa和46.6 GPa，表现为韧性断裂。采用氧乙炔实验进行抗烧蚀测试，在表面温度为18 00~1 900 ℃下，ZrC含量较多的C_f/C-ZrC-SiC复合材料质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.263 mg/s和2.367 μm/s，ZrC含量较少的C_f/C-SiC-ZrC复合材料分别为2.056 mg/s和5.067 μm/s，C_f/C-ZrC-SiC复合材料表现出更加优异的抗烧蚀性能。     

高性能无人机翼型的杂交优化设计

 发展了用于高性能无人机翼型设计的杂交优化设计方法。针对“类全球鹰”翼型的算例表明,该方法能满足低速时高升力（C_L）和跨声速巡航时高气动效率（C_L/C_D）两方面要求。优化翼型较初始翼型,其低速时的设计升力系数提高了19.80%,跨声速巡航时的设计升阻比提高了37.45%,并且在较大的速度区间内优化翼型都具有良好的综合性能。杂交优化设计方法可为高空长航时无人机的设计提供参考。     

氩气保护条件下钎焊单层金刚石砂轮的研究

 利用氩气作为保护气体,以 Ni-Cr合金粉末做钎料,适当控制钎焊温度、保温时间和冷却速度,实现了金刚石与钢基体的牢固的化学冶金结合。利用扫描电镜和 X射线能谱,结合 X射线衍射结构分析,发现在钎焊过程中 Ni-Cr合金中的 Cr元素分离在金刚石界面形成富 Cr层并与金刚石表面的 C元素反应生成Cr₃C₂ 和 Cr₇C₃,在钢基体结合界面上 Ni-Cr合金和钢基体中的元素相互扩散形成冶金结合,这是实现合金层与金刚石及钢基体之间都有较高结合强度的主要因素。并通过重负荷磨削实验进行验证取得较好的结果。     

碳纤维和石墨纤维增强铝复合材料界面反应与性能的关系

 研究了碳纤维和石墨纤维增强纯铝复合丝的界面反应产物A1₄C₃的量与温度、复合丝的室温拉伸强度与A1₄C₃量及温度的关系。对各类复合丝的断口形貌进行了扫描电镜分析,对应于不同的热暴露温度及强度有三种断口特征。用盐酸溶液脱去了经不同温度热暴露后复合丝中的铝基体,分析了脱铝纤维的表面形貌,测定了拉伸强度,得到了复合丝中纤维受到损伤的温度范围。     

天然气氧化特性的实验与数值计算

在流动管反应器中对压力为0.1 MPa、温度范围为500~1 850 K、当量比分别为0.5、1.0与3.5的工况条件下天然气（90%甲烷/7%乙烷/3%丙烷，体积分数）的氧化过程进行了实验测试。同时，通过全局敏感性分析方法，构建了天然气的简化反应动力学机理（38组分和149反应），并对天然气的氧化特性进行了数值计算。结果表明：随着当量比增大，燃料发生氧化反应的起始温度与终止温度逐渐升高，CO生成与消耗完全对应的反应温度逐渐升高，NO的生成量逐渐降低。天然气的简化反应机理可以很好地预测天然气氧化过程中主要组分摩尔分数随温度变化的整体趋势；但是在C₃H₈、C₂H₂、NO、NO₂的起始反应温度或摩尔分数峰值的预测上与相应实验值存在差异。     

开关磁阻调速电动机的运行控制

 开关磁阻调速电动机（SRD）是由双凸极型磁阻电动机、功率逆变器、转子位置检测器、定子绕组电流检测器以及运行控制器等部件组成的系统。它可以看作是大步距角、带位置闭环控制的步进电机的一种发展。 SRD结构如图1（α）所示。为避免磁拉力,定、转子齿数均为偶数。在各定子齿上设有集中绕组,正对两齿上的绕组联成一相。考虑电机出力,结构合理及定子绕组供电频率等因素,一般采用定子齿数比转子齿数多2个的结构。图中是所研制的定子8齿、转子6齿的样机结构（简称为8/6结构）。图1（b）为功率逆变电路。其中C_s为直流电源,T₁～T₄为四相绕组主开关,D₁～D₄为相应的续流二极管。     

湍流脉动对化学反应影响的数值研究

为了研究湍流脉动对化学反应的影响,在对冲火焰中引入了时空发展的扰动,其中H₂O₂扰动模拟组分脉动,拉伸率扰动在燃料和氧化剂边界温度均匀的条件下模拟速度脉动,在非均匀条件下模拟温度脉动。正庚烷自点火的计算结果显示:H₂O₂扰动可以缩短点火延迟时间。通过RO₂同素异形化以及C₂H₃氧化的反应路径通量分析,发现H₂O₂扰动不会改变反应路径间的极限竞争关系。均匀温度边界条件下的拉伸率扰动通过恶化热量和自由基的损失抑制中温机理,延长点火所需时间。非均匀温度边界条件下的拉伸率扰动能产生附加的温度扰动,点火延迟时间随扰动频率的变化关系复杂。通过RO₂同素异形化的反应路径通量分析可知,该扰动能够改变反应路径间的极限竞争关系,也能逆转点火进程。由此可以推断,在工程应用中,若湍流脉动较强,点火可能会从单级转化为多级。      

挠性多体系统的一般动力学模型

 考虑n个互相连结的空间树形挠性多体系统,不妨按照Ho的直接路思想对系统分层标号,并选取体1为系统的主体,所有直接路均是相对体1而言的。如图1所示,选取O_Ex_By_Ez_B为地心惯性系,而O₀为整个系统的质心,O₀x₀y₀z₀为参考坐标系,系O₁x₁y₁z₁固连在主体1上,而系O_iX_iy_iZ_i（2≤i≤n）的原点在体i与其直接内连体的铰结点处,并固连在体i上,铰链点O_i允许有三自由度平动和三自由度转动,为了方便,也将O₀和O₁点看作两个虚设的铰链点。     

The principle of constructing a computation model of equilibrium ribbed stiffened shells in linear displacement-based FEM analysis

The equilibrium between the rods and panels in the ribbed shells is considered based on the total system of structural mechanics equations as applied to a discrete model. Also shown is an approach to solving the problems that permits the stiffness matrix of shear panels to be obtained with regard for the equilibrium along the boundary with rods. The connection with the standard hybrid method of constructing stiffness matrices is indicated. The solutions for separate elements and examples illustrating the approach being proposed are presented.     

一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件,而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁,现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数,提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明,本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时,具有较高的计算精度,能够准确预测层合梁的分层。另外,该模型预先满足横向剪应力层间连续条件,无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少,不含横向位移的一阶导,便于C⁰梁单元的构造。     

轴对称杂交应力元的优化列式

文章把杂交元的单元优化设计原理应用于轴对称问题,从优化条件的轴对称形式出发,导出了这类杂交应力元的优化列式。其优化性能突出表现在离散模型对于计算背景（如网格的形式、单元的畸变和材料的不可压缩性等）的广泛适应性。文章还对优化杂交元的收敛、以及伪剪应力等问题开展了讨论,并与轴对称问题的其它有限元方法进行了计算比较。     

复合材料叠层结构剖面翘曲修正理论

 首先假设复合材料叠层结构的面内位移沿厚度方向为直线分布,然后根据剪切变形进行连续修正,获得逐步升高的各阶翘曲位移分布函数。文中以叠层梁为例,应用最小势能原理导出其静力方程和力的边界条件。在长度方向则采用升阶谱位移函数,进行了数值计算。所得叠层梁的位移和应力分布的数值结果与精确解相比,表明本文方法有很好的收敛性。     

复合材料叠层板壳有限元的渐近解

 本文针对复合材料叠层板壳结构建立了一个分层计算的有限元模型,此模型的特点是以参考面的位移和各层横向剪应变作为独立的自变量,导出了叠层板壳的有限元模式,这是和原有分层模型的本质区别,从而具有以下优点:(1)刚度矩阵具有良好特性,可采用渐近法求解,大大提高了计算效率,克服了分层模型中的最大困难;(2)完全避免了较薄的板壳在有限元计算中常发生的“剪切自锁”现象;(3)较精确地考虑了各层的剪切效应,无须再引入剪切修正系数。还采用此模型较好地解决了任意铺层的叠层板弯曲、叠层板脱层屈曲和承受任意载荷的轴对称叠层壳的弯曲等问题,证明了此模型的优点和可靠性。此模型还极易推广应用于叠层板壳的动力、稳定和层间应力等问题。     

Multivariate interpolation for fluid-structure-interaction problems using radial basis functions

A multivariate interpolation scheme for coupling fluid (CFD) and structural models (FE) in three-dimensional space is presented using radial basis functions. For the purpose of numerical aeroelastic computations, a selection of applicable functions is chosen: a classical without compact support, and some recently presented smooth compactly supported radial basis functions. The scheme is applied to a typical static aeroelastic problem, the prediction of the equilibrium of an elastic wing model in transonic fluid flow. The resulting coupled field problem containing the fluid and the structural state equations is solved by applying a partitioned solution procedure. The structure is represented by finite elements and the related equations are solved using a commercial FE analysis code. The transonic fluid flow is described by the three-dimensional Euler equations, solved by an upwind scheme procedure.     

关于计入剪切效应的板弯曲杂交模式的若干问题

本文从Reissner变分原理出发,构造一计入剪切效应的9自由度板弯曲杂交元。通过离散型Kirchhoff约束的实施,把厚板公式直接推广于薄板计算而不出现解的“闭锁”现象。文中提出的能量调整原理有效地解决了厚板元素中的弯、剪匹配问题,从而实现了厚薄板分析的统一性。文章最后给出计算实例。     

Parametric instability of twisted cross-ply laminated panels

The present paper deals with the study of the vibration, buckling and parametric instability characteristics of general laminated cross-ply pre-twisted cantilever flat and curved panels. The effects of angles of pre-twist, aspect ratio, static load factor, and the lamination parameters of the cross-ply twisted curved panels on the principal instability regions are studied using Bolotin?s approach. An eight-noded isoparametric quadratic shell element with five degrees of freedom per node is used to develop the finite element procedure. The first order shear deformation theory is used to model the twisted cross-ply curved panels considering the effects of transverse shear deformation and rotary inertia. The linear part of the strain is used to derive the elastic stiffness matrix and the non-linear part of the strain is used to derive the geometric stiffness matrix. The global matrices are obtained by assembling the corresponding element matrices using skyline technique. Subspace iteration method is used throughout to solve the eigenvalue problem. Reduced integration technique is adopted in order to avoid possible shear locking. Based on the parametric studies, it is found that the instability behavior of twisted cross-ply cantilever panels is greatly influenced by the geometry, material, angle of twist and lamination parameters. So, this can be used to advantage in tailoring during design of crossply twisted cantilever panels.     

绝对节点坐标列式实体梁单元建模方法及应用

在多体系统动力学建模方法中,传统非等参梁单元的建模方法主要基于Euler-Bernoulli梁或Timoshenko梁理论,无法准确描述截面变形;而传统绝对节点坐标列式索梁单元虽然能够准确描述截面变形,但需引入额外描述及处理闭锁问题;与上述单元不同,绝对节点坐标列式实体单元可以通过节点坐标直接描述截面变形,避免单元变形带来的闭锁问题。本文在实体单元方法基础上,首次提出了考虑单元连续性条件和黏弹性阻尼模型的绝对节点坐标列式实体梁单元,并使用实体梁单元实现了对多体系统的建模。仿真结果表明,对比传统有限单元及绝对节点坐标列式单元,实体梁单元能够更好地表征柔性梁的非线性特性,满足大变形柔性计算的需求。     

Numerical and experimental investigation into hypersonic boundary layer transition induced by roughness elements

In this work, the Direct Numerical Simulation(DNS) and Oil-Film Interferometry(OFI)technique are used to investigate the hypersonic boundary layer transition induced by single and double roughness elements at Mach number 5. For single roughness, the DNS results showed that both horseshoe vortices and hairpin vortices caused by shear layer instability can affect the boundary layer instability. The generation of the near-wall unstable structure is the key point of boundary layer transition behind the roughness element. At the downstream of the roughness element, the interaction between horseshoe vortices and hairpin vortices will spread in the spanwise direction.For double roughness elements, the effect of the spacing between roughness elements on the transition is studied. It is found that the case of higher spacing between roughness elements is more effective for inducing transition than the lower one. The interaction between two adjacent roughness elements can suppress the evolution of horseshoe vortices in the downstream and trigger the instability of shear layer. Thus, the transition will be suppressed accordingly.