美国航天运载系统发展动态

本文是任新民同志1987年9月在航天部推进专业会议上的讲话,主要介绍美国国家航空航天飞机计划、航天飞机Shuttle 2的设想以及美国对研制大运载系统及动力装置的一些情况。     

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

橡胶材料加速老化实验及寿命评估模型的研究进展

简要概述了橡胶材料在承载及非承载状态下，加速老化试验方法及其测试手段的新进展；总结了橡胶材料寿命评估模型在计算机仿真、动力学及本构和唯象模型领域的新进展。     

激光冲击残余应力场的有限元分析

建立模拟激光冲击残余应力场的非线性弹塑性有限元模型,预测AISI 304奥氏体不锈钢厚、薄靶材经激光冲击后表面以及内部的残余应力场分布.模拟过程中,考虑材料高应变率(106s-1)下的力学性能和激光诱导冲击波的精确加载,分析激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉宽、激光冲击次数、激光单面与双面冲击等激光冲击参数以及初始残余应力等因素对不锈钢靶材残余应力分布的影响.数值模拟结果与X射线衍射法测量值吻合较好.在有初始残余拉应力(250MPa)存在的情况下,激光冲击仍能使304奥氏体不锈钢靶材形成残余压应力层,说明激光冲击工艺可提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力.     

适用于无轴承开关磁阻电机的功率变换器设计

 无轴承开关磁阻电机不仅具有开关磁阻电机的优点,而且拓宽了无轴承技术的应用范围。而功率变换器是无轴承开关磁阻电机的重要组成部分,其向电机绕组提供电流,以产生所需转矩和悬浮力,对电机旋转和悬浮性能有重要影响。根据无轴承开关磁阻电机电磁转矩和悬浮力控制原理,详细分析了其对功率变换器的要求,提出了主绕组功率变换器和悬浮绕组功率变换器的设计原则,并分析了其各种工作模式和数学模型。最后通过对实验样机的调试,给出了实验结果,实现了无轴承开关磁阻电机的稳定悬浮。     

基于Nash-Pareto策略的两种改进算法及其应用

针对多目标、多设计变量的优化问题,提出了两种优化的新算法:一种是将多目标问题转化为单目标时,对目标权重的确定提出了新的途径;另一种是直接对多目标问题进行优化,并对Pareto遗传优化技术作了改进,以得到均匀分布的Pareto最优解集.两种新算法都是建立在Nash的系统分解与Pareto遗传算法的基础上,因此称这类算法为Nash-Pareto策略.借助于这类算法,文中以跨声速压气机双圆弧类叶型的气动优化为例,给出了气动优化的全过程.数值优化的实验表明所给出的改进算法是可行的、有效的.     

双肋式微型气动阀的数值计算与实验

 针对现有微型三角阀效率低的问题,提出双肋式气动阀这一新型微阀,通过两级带圆弧过渡的收敛形肋条,在减小正向气流压力损失的同时,引导逆向气流分为3股后再呈“Y”形汇聚,产生强烈的相互撞击而抵消部分动能,从而减小逆向流量以提高效率。通过数值计算对双肋式气动阀的作用原理进行了分析与验证;加工了特征尺寸为1 mm的三角阀、梯形阀与双肋阀实验件,并设计了相应的实验方案,在微流体实验平台上进行了对比实验。结果表明双肋阀能大幅提高效率：对不可压流,双肋阀可将效率从普通阀的2%～3%提升至14%左右;对可压流,双肋阀能将效率从2%提升至约13%。     

透射式水工质的高耦合效率激光推进模式

为了提高激光推进的耦合效率,防止光学器件污染,提出了透射式液体工质的激光推进模式。在这种推进模式中,Nd:YAG固体激光器中产生的450 mJ,7 ns激光穿过透明的玻璃基底后,与燃烧室中的液体推进剂相互作用,产生的等离子体在玻璃基底、燃烧室和液体推进剂的约束下膨胀,产生很高效率的动量转换,使靶获得初速度。纯水和黑墨水分别被用作推进剂,通过比较实验结果发现,在这种模式中墨水比水更适合做推进剂。通过改变燃烧室的长度和孔径,得到的耦合系数的最大值为17 858.3 N/MW。     

面向多种复杂零件的高精度人机协同装配系统

实现复杂三维结构体及小刚度零件的自动装配是极其困难的,为了解决此类零件难以夹持以及夹持变形的难题,分别设计了针对复杂结构的本体件快换夹持器和针对小刚度零件的气囊柔性夹持器以及针对微小平板类零件真空吸附式夹持器,并融合高精度调整技术以及合理的检测技术,设计了一台面向多种复杂零件的高精度人机协同装配系统。使用Abaqus仿真计算了气囊柔性夹持器对小刚度零件夹持变形的影响,零件特征面的弹性变形仅为1μm。通过装配间隙仅为32μm的轴孔对位装配实验,证明了该装配系统能完成零件间2μm~3μm高精度装配。该装配系统能够解放劳动力,提高生产装配的自动化。