基于路径相关本构模型的大型薄壁曲面复合材料零件固化变形分析

大型薄壁曲面复合材料零件多采用热压罐工艺成型,在固化过程以及脱模过程会产生变形,导致零件变形超差,部件装配困难。针对此问题,本文首先采用路径相关本构模型对其固化成型过程进行分析,然后进行热压罐成型试验验证理论分析结果,就此采用反向补偿法修正模具型面。仿真结果表明,某大型薄壁曲面复合材料零件成型后最大位移为11.121 mm,最小位移为0.171 mm,分别发生在对称轴方向短边的边角点和靠近对称轴方向短边的边角点;零件在变形较大的两侧边和短边处残余应力较大,与变形较小的长边相差7 MPa左右。仿真结果与试验结果吻合良好,固化变形平均误差为8.6%。使用补偿后的模具再次进行固化变形仿真,使该零件的最大固化变形降低了70.8%。     

热防护系统损伤容限分析

建立了含初始矩形损伤的热防护系统(Thermal protection system,TPS)气动热分析的CFD数值模型,分析结果表明损伤区域侧壁出现了很高的热流密度峰值,并且迎风面侧壁峰值高于背风面,而损伤区域底部热流密度却很低。利用分析获得的热流密度建立了含损伤和无损伤TPS的有限元传热分析模型。分析结果表明:损伤的存在导致防热瓦最高温度急剧上升,超过其材料能承受的极限温度(1 500℃),防热瓦首先失效,而损伤对机体最高温度影响较小。最后进行了TPS损伤容限分析,在防热瓦极限温度约束下,外部热流密度最大值从100kW/m2增加到140kW/m2,矩形损伤宽度最大容许值从22.7mm减小到12.6mm,而弧形损伤宽度最大容许值从34.6mm减小到25.1mm,即随着外部热流密度最大值增加,损伤宽度的最大容许值降低,并且相同外部热流密度水平下弧形损伤宽度的最大容许值大于矩形损伤。     

小半径弯管弯胀复合成形研究

为解决小半径弯管内侧起皱、外侧减薄的成形缺陷,提出了一种弯胀复合成形的方法。通过几何关系解析了初始弯曲半径和初始管坯直径与最终管径和最终弯曲半径之间的关系,确定了初始弯曲半径的取值范围。采用有限元与实验相结合的方式研究了不同初始弯曲半径对零件壁厚分布的影响,分析了胀形过程中零件弯曲处及直壁处的变形规律。最终发现:初始弯曲半径越大,零件的最终减薄越小,胀形过程中弯曲处内外侧发生均匀减薄,直壁处内侧减薄明显大于外侧减薄。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

硬38CrSi平头弹斜撞击45钢靶侵彻特性研究

利用有限元软件Autodyn,建立硬38CrSi平头弹斜撞击45钢靶板模型并验证其模型和参数的有效性,研究了平头弹不同撞击角度(30°、45°和60°)对靶板弹道极限、弹体剩余动能和靶板失效的影响。研究结果表明:弹道极限随撞击角度的增加而增加;弹体剩余动能随撞击角度的增加而减小;撞击角度增大,靶板破坏面积增大,破坏区域从三角形转化为与弹身纵截面近似的长条形。     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量,需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管,发展辐射强度标定技术,针对富氮气环境,开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试,掌握辐射特征,为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构,数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型,得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度,计算结果和实验数据符合很好,验证了数值模拟方法。     

湍流燃烧模拟中化学反应的加速算法研究进展

为研究湍流燃烧数值模拟中化学反应机理计算的加速方法,讨论了动态自适应化学（Dynamic Adaptive Chemistry,DAC）方法和Krylov子空间近似的指数格式的应用情况。在湍流火焰大涡模拟中,使用DAC简化可以加速化学反应计算。然而,在并行燃烧数值模拟中,处理器核心的负载极度不平衡,加速效果有限。而Krylov子空间近似的指数格式的加速效果可以作用于每个处理器核心,更有利于整体计算效率的提高。在同等精度下,相比于隐式格式耦合DAC和MTS加速方法,Krylov子空间近似的指数积分格式对化学反应计算的加速效果更为显著。     

风-雨耦合环境超高层三塔连体建筑雨压分布研究

以中国东南沿海某超高层三塔连体建筑为研究对象,以风-雨双向耦合算法为核心,基于计算流体动力学技术采用连续相和离散相模型进行风场和雨场的迭代模拟。首先基于9种风雨组合工况进行三塔连体建筑非定常脉动风场模拟,探讨超高层三塔连体建筑平均风压分布、表面速度流线和流场干扰机理。然后对比研究不同风雨组合工况下主塔表面雨滴附着数量、雨滴冲击力和雨压系数的分布规律,揭示风-雨耦合场中结构表面速度流线、雨滴运行轨迹和最终速度的作用机理。最后提炼出超高层三塔连体建筑最不利风-雨组合工况,并给出对应的雨压系数取值建议。研究表明：风-雨耦合环境下超高层连体建筑迎风面雨荷载作用最为显著,此时雨荷载与风荷载最大比值可达23.81%,局部测点最大雨压系数达到0.301,100 a重现期风速和强大暴雨组合为风-雨耦合作用的最不利组合工况。     

改善横向波纹隔热屏综合冷却效率的发散冷却结构优化

为改善横向波纹隔热屏综合冷却效果,采用三维数值模拟和基于支持向量机的代理优化模型,在给定的单位面积冷却空气流量下对发散冷却结构参数进行了优化研究。设计变量选取为气膜孔直径、气膜孔排布的展向间距和流向间距,以面积平均综合冷却效率作为目标函数,通过遗传算法搜索获得了设计变量区间内的优化设计点。在隔热屏单位表面积冷却空气流量G_f = 2.647 kg/（m²?s）的工况下,优化后的d、P和S分别为0.8、4和5 mm。研究结果表明,优化的隔热屏冷却结构应具有较小的气膜孔直径d和展向间距P,以及适中的流向间距S。相对于参考结构,优化后的发散冷却结构能够改善沿流向的气膜覆盖,缩减发散冷却起始段局部高温段,起到增强隔热屏发散冷却综合冷却效率的作用。