薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题.考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法--几何背景网格法.该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计.采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计.数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

压力载荷下的结构拓扑-形状协同优化

 压力载荷作用下的结构轻量化设计是工程中的常见问题,由于压力加载面的可设计性,现有以固定载荷为基础的拓扑优化技术不能很好地处理这类问题。直接采用CAD参数化样条或B样条曲线描述压力加载面,通过拓扑和形状变量的联合优化满足了工程实际对结构轻量化与边界的功能性与光滑性设计要求。同时,为了避免结构边界形状变化时有限元网格刷新引起的定义拓扑伪密度变量的困难,用所提出的背景网格和密度点技术实现了每一步单元密度设计迭代结果的自动传递,并采用网格变形技术实现了形状设计变量灵敏度分析。采用4个数值算例验证了方法的有效性,其中发动机承力框架的设计结果充分说明该方法在航空结构设计中的重要应用价值。     

二维翼型结冰数值计算

翼型结冰计算是随着结冰时间步长变化的准定常过程,因此在每个时间步长后都要更新各个模块的计算工作,如此反复直到达总结冰计算时间.在各模块计算中,分别采用了泊松方程法生成网格、求解雷诺时均方程计算流场、拉格朗日追踪法求解水滴轨迹、基于Messinger模型计算冰形、采用变距滤点法重构边界.引入动态链接库技术将各模块集成为结冰计算平台,并将三种冰形(楔形冰、槽状冰及混合冰)计算结果与国外软件及试验数据进行了对比.      

一种三维结构网格并行算法

基于三维结构网格,以MPICH2作为并行开发环境,研究了对等模式下流场的并行计算问题。在三维结构网格已经生成的前提下,针对计算区域的划分,网格输出格式和数据通信,提出了一种并行算法。算法的核心思想是将需要通讯的其他区域的单元按区号从1到n排列,并获得本区域通信单元的I-J-K编号与其他区域通讯单元的排列序号的映射关系。最后,在IBM BladeCenter HS22刀片机平台上进行了算例验证,结果表明算法具有很好的可靠性与通用性。     

F-35战斗机气动及隐身特性分析

以F-35战斗机为研究目标,对目标体进行三维外形重建,并对重建后的模型进行气动及隐身特性的计算和分析,首先采用了基于飞机三视图进行轮廓线提取来重建F-35全机理论外形的方法,引入了基于草图跟踪的CATIA三视图的标定,大大地提高了模型重建的精度。其次采用非结构网格对F-35的计算区域进行网格划分,采用EULER方程完成了F-35在亚声速、跨声速及超声速等飞行条件下的流场计算,分析了不同状态下的升力、阻力和大迎角气动特性。最后利用曲面像素法对F-35全机高频雷达目标特性进行了计算,提出了一种基于IGS数据转换格式的隐身计算网格生成方法,比较了不同俯仰角及方位角下的RCS特性曲线,分析了对RCS影响比较大的部件。     

7050铝合金喷水淬火参数对表面换热系数的影响

设计了喷射压强(p)与喷射表面流量密度(qs)作为独立参数的7050铝合金末端喷水淬火实验,研究了p,qs和喷嘴大小(d)对喷水表面换热系数的影响。结果表明,表面换热系数在喷射端面温度为100～150℃时具有最大值(hmax),hmax波动范围为20000～50000 W·m-2·℃-1;建立了反映p和qs影响换热系数规律的hmax-p-qs三维关系图;采用喷射表面面积与喷嘴面积的比值k反映喷嘴大小对换热系数的影响,建立了hmax-k-qs三维关系图;hmax-p-qs和hmax-k-qs关系图能为喷水淬火参数(p,qs,k等)设计提供参考。     

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究

针对国内弹射救生领域现状,设计了一种适合于国内某型座椅的弹射救生系统稳定板。运用计算流体力学(CFD)数值计算方法,对改装稳定板前后的人椅系统进行了高速流场下的静态和动态特性分析,并与风洞试验结果进行对比,两者吻合较好。改装稳定板前后的数值计算对比表明:在不对俯仰和滚转性能产生不利影响的情况下,稳定板的改装对人椅系统的偏航性能有比较明显的改善。六自由度动态计算比较真实地模拟了弹射出舱的过程,也进一步验证了稳定板对改善偏航稳定性能所起到的作用。数值计算完全可以应用于弹射座椅的气动研究,同时稳定板的设计对工程上的应用具有一定的参考价值。     

超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

适于黏性计算的自适应笛卡儿网格生成及其应用

复杂外形的黏性网格生成已经成为计算流体力学(CFD)在工程应用中的主要瓶颈,高效而鲁棒的网格生成技术研究显得尤为迫切。使用基于物面外形自适应加密的笛卡儿网格方法生成计算网格,投影方法拟合壁面边界,将投影得到的柱形单元沿法向分层获得适于黏性计算的网格。应用特征恢复技术恢复凹面特征并改善凸面处的网格质量。流场解算中应用最小二乘法重构获得2阶精度,Roe格式计算无黏通量,Holmes-Connell方法计算黏性通量。加入Spalart-Allmaras一方程湍流模型以获得湍流解。上下对称高斯 赛德尔迭代(LU-SGS)格式隐式时间推进,对网格重排序保证格式的稳定性和平衡性。算例显示网格生成方法是快速的和鲁棒的,流场计算精度满足工程需求,因此该方法非常适合应用于实际工程计算。