用于确定性计算仿真的响应面法及其试验设计研究

确定性计算仿真在科学研究和工程技术中的应用非常广泛。为精确有效地计算系统多个响应特征对不同自变量的响应,基于试验设计的响应面法就是一个行之有效的方法。该方法能够求解较大规模的优化设计、结构可靠性分析、模型修正和模型确认等问题,并可以全面掌握系统响应特征的变化。本文围绕如何获得高阶高精度的响应面问题进行了研究,把几种现代试验设计方法做了改进和发展,成功应用于确定性计算仿真,使用多个典型算例与全因子试验设计进行了比较,得到了满意的结果,算例的设计变量达16个,响应面模型的阶次达15阶。     

基于响应曲面法的高速内冷铣削AISI304不锈钢铣削力

针对硬质合金刀具高速内冷铣削AISI304不锈钢时,切削力大、切削温度高及加工表面质量低的问题。基于响应曲面中心复合设计方法进行高速内冷铣削实验,建立了铣削力分量二阶回归预测模型,并进行了实验验证。对比了干式与内冷铣削后的加工表面质量,分析了铣削参数对铣削力分量的影响规律,以铣削力分量最小为目标优化了铣削参数。结果表明:进给力和径向力的预测值与实验值的误差分别为4. 77%和6. 16%;内冷铣削的Ra为0. 193～0. 327μm;对铣削力分量的影响是铣削深度转速进给量,随着铣削深度和转速的增加,进给力先升高后降低,径向力逐步增加,铣削深度与转速的交互作用对进给力和径向力的影响显著;转速11 643. 63 r/min、铣削深度1 mm、进给量0. 08 mm/r为最优铣削参数组合。     

汽车复合曲面斜截面外形计算方法的研究

提出了一种用于计算汽车车身复合曲面斜截面外形的有效算法。根据实际问题的情况，提出了沿复合曲面三条边界扫描找始点及用自适应步长跟踪求迹的算法。该算法简化了扫描过程，缩短了计算时间，并且所得到的交点记录了坐标值和相应曲面片的参数值。测试显示这种算法简单实用、快速有效，在车身复杂曲面截面质量分析和自由曲面数控加工刀位轨迹计算等方面具有实际应用价值。     

基于响应面法的齿轮容差设计方法研究

随着附件传动系统不断向高速、重载方向发展,齿面接触可靠性问题越来越受关注.为提高齿轮可靠性,分析了齿轮传动系统常见误差类型及影响,开展了齿轮容差设计初步探讨.根据齿轮制造、加工及系统动态误差的产生原理和作用方式,基于齿轮接触应力仿真结果,确定了影响齿轮接触应力随机性的5种主要误差形式及其特征量分布规律,提出了基于响应面法的齿轮容差设计方法,给出了齿轮系统公差设计的改进方向:在进行齿轮公差设计时,重点控制H、V方向的轴向平行度公差.     

基于现代试验设计的风洞天平校准方法

风洞天平的校准精度直接决定了风洞试验的气动载荷测量精度,为了提升天平校准的质量和效率,以BCS-100天平校准系统为研究对象,基于现代试验设计方法（modern design of experiments,MDOE）开展了风洞天平校准研究。针对单因子变量法（one factor at a time,OFAT）天平校准中存在系统误差与响应量耦合的问题,采用MDOE的随机、重复和分块策略控制校准的系统误差,并选定响应面理论的中心复合设计方法生成校准矩阵。校准矩阵共计86个样本点,包括64个分级因子点、12个轴向因子点和10个中心因子点,其中所有样本点的加载顺序做随机化处理,并作为一个样本块在短时间内集中完成加载,中心因子点则用于满足重复原则。最后开展了OFAT和MDOE的对比校准,拟合载荷的残差正态概率分布显示MDOE校准中横侧向分量的样本点独立性更强,样本点残差最高可降低84%;检验载荷显示MDOE和OFAT两种方法中天平所有分量的综合加载重复性持平,MDOE校准中横侧向分量的综合加载误差最高可降低54%。研究表明MDOE能够有效降低校准的系统误差,提升横侧向小量的预测能力。     

飞机战伤抢修性设计评价方法的研究

从飞机战伤抢修性设计评价的必要性着手,概括了抢修性评价的基本步骤。简要阐述了各种抢修性评价的方法及其优缺点,主要有试验统计法、专家评定法、模糊综合评价法、层次分析评价法、灰色关联评价法、计算机仿真评价法等。同时,本文提出了一种新的评价方法——基于特征的飞机战伤抢修性集对分析评价法,可有效解决抢修性评价中的专家分歧和不确定性等难点问题。熟练掌握和运用这些方法,可为关注飞机战伤抢修性设计的各决策部门提供可靠的决策依据。     

现代试验设计方法在高速风洞试验中的应用

为了验证现代试验设计(MDOE)方法在高速风洞试验中应用的可行性,进一步提高风洞试验效率,采用区组化的回归组合设计进行了某运输类飞机亚声速基本纵向常规测力风洞试验,通过少量关键控制点数据建立了气动力参数随马赫数和迎角变化的二阶响应面模型,并进行了方差分析及显著性检验。同时,通过额外增加的试验点检验响应面模型的精准度。试验及分析结果表明:通过回归组合设计少量试验点建立的纵向气动力系数响应面模型预测误差满足高速风洞飞机模型测力试验精度指标要求,方差分析(ANOVA)及显著性检验结果正确反映了迎角、马赫数对飞行器基本气动特性的影响规律,突显出MDOE方法应用于风洞试验方案设计及数据分析的显著优势。     

基于响应面法的机翼气动/结构一体化优化设计研究

基于响应面法进行了机翼气动/结构一体化优化设计研究,流动控制方程为三维欧拉方程,采用有限体积法进行数值求解,应力和结构变形采用有限元方法计算,静气动弹性分析采用强耦合迭代方式,响应面模型采用二次多项式来构造。以跨音速M6机翼为初始机翼,进行了多目标、多约束情形下的气动/结构综合优化设计,优化后所得到的新机翼具有更佳的气动/结构综合性能,升阻比增加了9.25%,而重量减轻了4.84%;响应面模型精度满足设计要求,拟合误差均不超过1%;这说明本文所发展气动/结构综合优化设计方法是成功且有效的,具有广泛的应用前景。     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。     

SiCf/SiC复合材料铣磨表面质量评价方法试验研究

SiCf/SiC复合材料是典型的非均质、各向异性材料,金属材料质量评价体系已不完全适用,亟需建立适宜的表面质量评价方法。结合超声振动辅助铣磨试验,对比铣磨表面二维粗糙度Ra和三维粗糙度Sa测量数据的稳定性,探索Sa测量区域大小对测量结果的影响规律,并结合宏观、微观及三维形貌对试验结果进行分析研究。基于铣磨表面较为明显的、表现形式为凹坑的区域面积比例,开展表面质量情况分析研究。结果表明：Sa更适宜作为SiCf/SiC复合材料铣磨表面粗糙度特征参数,且最小测量区域大小为7mm×7mm;基于表面粗糙度分析,结合宏观、微观和三维形貌可进一步评价铣磨表面质量;采用表面明显凹坑面积比,基本可以实现对表面质量影响较大区域的定量分析。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

基于响应曲面法的成型CBN砂轮高频感应钎焊温度均匀性研究

成型砂轮在高频感应钎焊过程中存在温度分布不均匀导致钎焊质量无法满足使用要求,这是长期困扰超硬磨料砂轮高频感应钎焊技术的难题。针对该问题,提出温度均匀性的表征方法,以温度均匀度和平均温度为响应值,基于有限元仿真数据获得了响应曲面法模型。基于该模型,采用方差分析成型砂轮感应钎焊温度均匀性的影响因素显著程度由大到小依次为加热间隙、感应电流、导磁体长度。以平均温度值和温度均匀度为优化目标,基于响应曲面法优化线圈结构和工艺参数,开展了感应加热试验,证明响应曲面法模型优化结果的误差在6.94%以内。高频感应钎焊的成型立方氮化硼（cubic boron nitride,CBN）砂轮宏观形貌显示,钎料在成型面各处铺展的一致性好,表明钎焊过程中在成型面的温度分布具有较好的均匀性。     

随机响应面法在结构随机响应计算中的应用

传统的响应面方法以一般多项式逼近结构的随机响应,但这种方式并不能保证收敛性.以随机多项式为基础的随机响应面方法,可以弥补这一不足.两个数值例子和一个发动机轮盘实例来验证这一方法的有效性.结果表明:随着随机多项式次数的增加,随机响应面所得到的响应概率密度曲线愈加趋近于由蒙特卡罗方法所得到的概率密度曲线.      

迎风面三维积冰过程中水膜流动的计算方法

对影响迎风面三维积冰过程的冰层表面水膜流动进行分析,建立描述其流动的数学模型,引入在流动前锋下游预设薄水膜的方法处理其在表面干区的流动推进过程,提出超过临界厚度的水膜被吹除的方法处理角状冰下游局部水膜被吹离表面的现象.通过对翼型-平板结构中翼型上的冰形对比和水膜流动规律分析,验证了该水膜流动数学模型的合理性和计算方法的可行性.研究表明:与Messinger模型相比,积冰模型中引入水膜流动后,可以较好地模拟三维明冰积冰,同时明冰极限的模拟结果也更接近试验值;冰层表面的水膜厚度约为10-5m,流动速度约为10-2m/s.      

A high-fidelity design methodology using LES-based simulation and POD-based emulation: A case study of swirl injectors

Engineering design is undergoing a paradigm shift from design for performance to design for affordability, operability, and durability, seeking multi-objective optimization. To facilitate this transformation, significantly extended design freedom and knowledge must be available in the early design stages. This paper presents a high-fidelity framework for design and optimization of the liquid swirl injectors that are widely used in aerospace propulsion and power-generation systems. The framework assembles a set of techniques, including Design Of Experiment (DOE), high-fidelity Large Eddy Simulations (LES), machine learning, Proper Orthogonal Decomposition (POD)-based Kriging surrogate modeling (emulation), inverse problem optimization, and uncertainty quantification. LES-based simulations can reveal detailed spatiotemporal evolution of flow structures and flame dynamics in a high-fidelity manner, and identify important injector design parameters according to their effects on propellant mixing, flame stabilization, and thermal protection. For a given a space of design parameters, DOE determines the number of design points to perform LES-based simulations. POD-based emulations, trained by the LES database, can effectively explore the design space and deduce an optimal group of design parameters in a turn-around time that is reduced by three orders of magnitude. The accuracy of the emulated results is validated, and the uncertainty of prediction is quantified. The proposed design methodology is expected to profoundly extend the knowledge base and reduce the cost for initial design stages.     

表面热流辨识技术在边界层转捩位置测量中的应用初步研究

目前工程飞行试验中主要采用近壁热电偶测温法来确定飞行器表面流动的边界层转捩位置,由于测点离表面较近,对温度传感器量程和结构强度有较高要求。为此,提出了基于表面热流辨识技术确定转捩位置的基本思想和处理方法,测点可以距离表面相对较远。但是,当测点越远离受热面,辨识问题的不适定性会越强,因此需要采用仿真辨识方法来对传感器安装位置进行合理选取。在给出二维传热模型表面热流辨识算法的基础上,对两个算例进行了仿真辨识分析。结果表明：基于表面热流辨识技术确定转捩位置是可行的,能给出较为准确的转捩区域判断。