旋转部件SGBEM-FEM耦合热弹性断裂分析

旋转部件载荷复杂,易萌生裂纹,引发疲劳断裂失效。针对含裂纹受热旋转部件,在全局无裂纹区域使用有限元法(FEM),发挥其在大型结构仿真分析方面的优势;在裂纹附近局部子域使用对称伽辽金边界单元法(SGBEM),发挥其在结构断裂分析方面的优势。构造考虑旋转惯性载荷和热载荷影响的SGBEM超单元,该超单元刚度矩阵对称半正定,且施加的旋转惯性载荷和热载荷仅影响等效力向量,可实现与有限元刚度矩阵和力向量的直接装配,从而耦合求解旋转部件的热弹性断裂问题。采用构造的SGBEM超单元FEM耦合法计算了含裂纹受热旋转圆盘的应力强度因子,验证了该方法的有效性。      

热弹塑性蠕变应力有限元分析

对处在高温下工作的发动机结构和核反应堆结构进行非弹性分析，以塑性力学增量理论为基础，采用Ｈｓｕ－Ｂｅｒｔｅｌ多项式函数的流动曲线，导出了热弹塑性蠕变应力分析的本构方程及相应的有限元列式，将热弹塑性蠕变有限元程序进行移植、修改；选取典型算例进行数值试验，与算例已有结果比较，符合良好，从而验证了本模型和程序的可靠性和有效性。     

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料，其有千变万化的微结构和高孔隙率，通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力，提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上，实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测，利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解，利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系，并进行了预测误差验证，证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上，建立了以等效材料填充的结构优化模型，考虑了热力载荷作用，以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型，提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果，结构热刚度在一定体积约束下显著提高，证明了所提方法的有效性。     

火焰筒结构局部热屈曲分析方法

根据局部热屈曲的失效机理,考虑局部温度和压应力水平两个热屈曲主要因素,从以应力函数和挠度函数为变量的受热板控制方程出发,推导出薄壁结构热屈曲失稳边界的判据表达式.依据确定的热载荷和设计的压力载荷,确定火焰筒结构的局部热屈曲危险部位,并将子模型技术引入到热屈曲分析中,确定危险部位的临界温度和临界压应力,以此对火焰筒结构进行局部热屈曲判别.通过工程实例的初步验证,计算与试验结果吻合良好,对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.     

车载冷发射系统多刚体动力学快速仿真研究

为了满足发射动力学快速分析的需要,采用多刚体动力学的绝对坐标方法以适应发射车约束复杂和变拓扑结构的特点,针对车载冷发射系统的典型结构和弹射物理过程,建立并应用了9自由度快速仿真模型。与ADAMS和ABAQUS仿真对比表明,本文计算的车架后支腿载荷偏差不超过4%,而仿真时间只有ADAMS的7.1%和ABAQUS的0.004%,能够快速有效地分析系统的动态特性。通过实例研究了发射管底座-车架支腿载荷比的动态特性和附加载荷分配因子对该载荷比均值及发射管口最大位移的影响。结果表明,发射管底座-车架支腿载荷比在发射过程中逐渐增大并达到稳定值,附加载荷分配因子决定了发射管内弹道压力载荷通过发射管底座和发射车支腿分散传递到地面的载荷分配比例,并且存在最佳附加载荷分配因子,能使弹体的弹射起动过程对系统的扰动影响最小。     

考虑弹体弹性的导弹半物理仿真方法与影响分析

随着对导弹速度和精度等性能要求的提高,弹性特性已成为导弹动力学分析与设计中不可忽略的因素。弹性振动将对导弹的飞行特性和控制精度产生较大的影响。因此,在对弹性体导弹进行半物理仿真时,考虑弹体弹性振动所产生的影响,有利于提高仿真的真实度。本文发展了考虑弹体弹性的导弹飞行动力学数学仿真框架,建立了弹性体导弹半物理仿真系统各环节的数学模型,实现了半物理环节动力学模型在数学仿真框架中的集成与一体化仿真,并在此基础上分析了弹性振动和仿真设备在弹性体导弹半物理仿真中的影响,数值仿真结果表明,研究结果可以为考虑弹体弹性的导弹半物理仿真提供一定的理论基础。      

摄动因素对火星环绕段轨道长期影响研究

针对未来火星探测需要,研究了摄动因素对火星环绕段轨道的长期影响。对各种摄动因子的数量级进行了估计,根据估计结果,对比选取了起主导作用的摄动因子;建立了主要摄动因子的数学模型;通过数值仿真验证,对比分析了火星和地球的相应摄动因素对各自环绕段轨道半长轴和偏心率的影响。仿真结果表明:非球形摄动对火星环绕段轨道的影响具有明显的长周期特征,而相应的地球环绕段短周期效应较明显,这主要是由于质量分布不同造成火星非球形引力位中田谐项的系数基本都比地球的相应值大一个量级,因此在实际轨道设计中应该重点考虑高阶项特别是高阶田谐项对环绕段轨道造成的影响。     

可重复使用火箭发动机再生冷却槽失效分析

完成了可重复使用液体火箭发动机推力室再生冷却槽热力循环载荷下的蠕变非弹性热结构分析,对比研究了各向同性硬化和随动硬化定律对冷却槽结构分析的影响,并在多循环结构场基础上分析了冷却槽"狗窝"失效过程.结果表明可以通过选取热传导率差别小的内外壁材料、优化几何结构改善温度场及结构场;各向同性和随动硬化结构曲线变化趋势相似,但塑性应变有较大差别,残余应变相差约0.06%;多循环加载中每个循环的结构曲线形状相似并不断右移,硬化效应明显,低周疲劳损伤和蠕变损伤分别取决于循环载荷下的应变和应力值.     

一种基于微分代数的任意阶空间目标轨道传播方法及其分析

微分代数方法可以在不改变当前算法计算过程的基础上给出函数对自变量任意阶导数的精确值。本文给出了一种基于微分代数的任意阶空间目标轨道传播方法。本方法首先将初始微分代数代入轨道传播方程,然后用获得的高阶导数构造新的高阶微分代数。用新的高阶微分代数迭代前述过程可求解空间目标状态对时间的任意阶导数。最后,将任意阶导数代入泰勒展开公式求解空间目标轨道单步传播。本方法要求轨道传播方程采用的摄动力模型在轨道传播积分区间上是解析的。本文通过仿真分析验证了所提方法的有效性。     

结构动力学模型修正的一种参数型方法

从连续系统出发,利用应力-应变关系和惯性力公式推导出一种能量范数的本构关系误差公式,用它来构造结构动力学模型修正问题的数学模型;然后根据系统的稳态位移响应,通过一个迭代过程来求解.参数的估算与不完整的实验数据的扩充相互耦合,引入扰动项来反映参数的改变对扩充的影响.仿真算例对实验数据精确和有噪声2种情况进行了研究,结果表明方法合理、可行.      

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

空间全柔性机构位置分析的刚度矩阵法

柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形传输所希望运动的机构.具有集中柔度的全柔性机构是其中的一种类型.由于空间全柔性机构中存在球副,使得目前通用的伪刚体模型法受到限制,为此提出了一种扩展伪刚体模型法.并以6-RSS并联全柔性机构为例对其位置解问题进行了分析:首先利用结构分析中的位移法建立起柔性铰链的刚度模型,同时通过一系列坐标系的建立和转换,建立起机构的变形协调方程、位置闭环方程及静力平衡方程,进而求得机构的位置解.该方法充分考虑了机构中弹性构件的变形,所得结果更接近实际.     

航天器高精度多维安装解耦标定方法

针对航天器多维安装在耦合情形下的标定问题,提出一种基于成像器观测的在轨标定方法,该方法有效克服了标定方程组的耦合非线性。首先,结合成像器观测的物理意义推导出其应满足的几何方程,并通过各机械机构的安装传递关系建立矢量方程,进而通过双矢量方式建立矩阵方程。其次,分析矩阵方程成立应当满足的必要条件,通过灵活运用"特征向量"的数学特性,对串联机械机构安装进行解耦,得出一种以成像器观测为基础的在轨标定数学方法,并将2维安装推广到n维安装的一般情形,给出标准的计算流程。最后,对标定方法进行了数学仿真验证,同时仿真分析了观测噪声对标定方法的影响,仿真结果表明灵活运用"特征向量"解耦标定的方法是有效的、准确的。      

扰动形状对钝头体非对称流动的影响

通过在钝头体头部施加人工扰动块可以得到确定的大攻角下的非对称背涡结构。为了研究扰动块形状对非对称背涡结构的影响,本文在攻角50°、雷诺数Re_D=1.54×105的条件下,利用数值模拟对周向角90°、子午角10°的扰动位置的半球形、D型及方形3种扰动块形状分别进行了研究。研究发现在同一扰动位置,半球形扰动主控下的背涡结构为右涡型,而D型扰动和方形扰动主控下的背涡结构呈现左涡型,且方形扰动主控下的背涡结构的非对称性弱于其他2种扰动主控的非对称背涡。通过分析发现扰动块所引起的微流动直接影响钝头体非对称背涡结构。因此为了更精准地通过施加人工扰动得到确定的非对称背涡结构,应尽量选择形状简单、表面平滑过渡的扰动块形状。      

基于键合图模型的传感器布局方法

为研究传感器布局对于故障诊断性能的影响,使用键合图方法对系统建模。通过在键合图模型中设置虚拟传感器模拟测点,利用键合图的结构信息和因果关系约束推导出一组解析冗余关系式,即系统残差,通过分析残差、故障及传感器配置的关系,提出了一种基于满足故障检测性和隔离性要求的传感器布局方法,在最大限度满足系统诊断性能前提下选择数量最少的传感器配置方案。最后,以同步发电机为例建立键合图传感器布局模型,通过残差推导其结构故障特征矩阵以及传感器特征矩阵,并对所提出的传感器优化布局方法进行验证,得出在参数性故障检测和隔离性能最高前提下的传感器配置方案。      

热线探针对数校准方法研究及改进

开展了可压缩流体中热线探针校准方法的研究,以满足其在各种速度测量场合的使用需求。研究了对数校准数学模型,发现校准系数求解过程中存在矩阵奇异性过强的问题,导致在速度小扰动条件下方程求解稳定性差。对对数校准数学模型进行了参数无量纲化及添加正向偏置的改进,建立了无量纲化对数校准数学模型。在马赫数为0.3~0.5,引射压力为150~300 k Pa范围内进行了校准实验,利用对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.997 61,拟合速度平均偏差为1.378 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为1.595×108,矩阵奇异性过强,加入速度小扰动(1 m/s)后,拟合优度为0.379 74,拟合速度平均偏差为43.81 m/s,方程求解稳定性差。利用无量纲化对数校准数学模型对实验数据进行拟合,拟合优度为0.998 95,拟合速度平均偏差为1.203 m/s,校准系数求解过程中系数矩阵条件数为3.655×102,且无量纲化方法不受速度小扰动影响。对流体速度进行不确定度分析,速度平均不确定度为3.168 m/s,无量纲化拟合速度平均偏差明显小于速度平均不确定度。实验结果证明了无量纲化对数校准数学模型应用于可压缩流体热线探针校准的可行性。     

一般硬化材料弹塑性梁的工程解法

在小弹塑性变形范围内,首先将应力写成应变的奇次四项式的幂函数形式。使其相当精确地拟合材料的拉伸曲线。然后,应用弹性梁的位移模态和一待定系数构成弹塑性位移场。并用最小势能原理确定该系数,从而得到封闭解。最后,给出若干典型算例和实验验证。实验结果和理论结果吻合得很好。