高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

基于设计变量相关性的翼型设计方法

针对传统设计方法缺乏物理背景等不足,利用流动数值仿真及相关性分析的手段,对几何外形与流动变化的相关性规律进行经验总结,并将这种设计经验进行数值化描述后,引入到优化设计中,建立新的气动外形优化设计模型,使设计模型具有一定的物理意义,从而提高设计效率,改善设计结果。通过高速自然层流翼型HSNLF0213的优化设计,利用相关性的分析结果,建立具有物理意义的优化模型,开展了基于单点优化设计且同时满足多点设计要求的设计方法的应用研究,对这种设计方法及思路进行了初步的探索。设计结果证明了该方法的可行性。     

基于功能检测的备用系统维修优化研究

为了减小或消除主系统故障的后果,机械中经常采用备用系统在主系统故障时代替其完成功能。根据某些机械设备的备用系统故障具有延迟性的特点,提出了不等间隔的功能检测策略;建立了该策略下备用系统的可用度模型和费用率模型;以系统可用度为约束,维修费用率为目标,建立了不等间隔功能检测维修策略下的维修优化模型;最后给出了优化模型的求解算法,得到了维修间隔的确定方法并进行了实例验证分析,结果表明：当首次检测间隔是重复检测间隔的3倍时采用不等间隔的功能检测优化模型比采用等间隔的功能检测优化模型节约9.55%。     

考虑外圈局部缺陷的滚动轴承非线性动力特性

 建立了考虑滚动轴承外圈局部缺陷、非线性轴承力和径向游隙等非线性因素的滚动轴承系统动力学微分方程,并用Runge-Kutta-Felhberg算法对其求解。利用分岔图、Poincaré映射图、频谱图以及均方值、峰值因子、峭度等时域参数,分析了滚动轴承的响应、分岔和混沌等非线性动力特性。结果表明：考虑外圈局部缺陷的滚动轴承系统存在多种周期、拟周期和混沌响应;滚动轴承系统进入混沌的主要途径是倍周期分叉;峰值因子比率在中、低速,峭度比率在低速时可以很好地识别外圈局部缺陷。均方值比率除了在与轴承动力特性有关的个别转速外,可以在较大的转速范围识别外圈局部缺陷。     

风洞试验绳牵引冗余并联机器人的刚度增强与运动控制

 以一种应用于低速风洞试验的6自由度绳牵引冗余并联机器人为研究对象,解决飞行器模型在风荷作用下动态定位误差大、力学测量精度不高的问题。运用微分变换推导了该机器人的刚度解析表达式;分别建立了末端执行器和驱动系统的动力学模型;针对系统冗余驱动、强耦合和非线性的特点,设计了基于刚度增强准则的关节空间比例微分（PD）修正前馈控制器,实现了以提高飞行器升力方向、顺风向和俯仰转动方向刚度为目标的绳系张力优化分配。数值仿真算例表明,与基于张力极小准则的控制器相比,前者有效地提高了飞行器的动态定位精度。     

基于试验气动力的弹性飞机舵面效率分析

基于非线性试验气动力和线性理论气动力对某飞机进行了气动导数和飞行载荷计算,分析了舵面操纵效率受气动力类型、飞行动压和迎角的影响,重点研究了舵面操纵效率、舵面操纵反效与翼面弹性载荷、弹性压差分布以及弹性气动压心之间的关系。研究表明：使用非线性试验气动力和线性理论气动力所分析得到的舵面效率具有较大的差别;受到结构弹性变形的影响,随着飞行动压的增加,舵面的操纵效率不断下降,副翼甚至会出现操纵反效现象;在使用非线性试验气动力进行分析时,飞行迎角对于舵面操纵效率具有较大的影响,这是在使用线性理论气动力进行分析时所不能考虑的。     

基于响应面的系统性能可靠性优化设计方法

提出了建立基于Logistic变换的性能可靠度与关键设计参数(DDP)之间函数关系的响应面方法以及性能可靠性优化设计模型。通过试验设计、一体化仿真、Logistic变换、多项式拟合、方差分析和模型检验等步骤,来构建系统性能可靠性响应面模型。并以性能可靠度为目标,性能设计参数可行域为约束进行设计优化。针对舵机案例,以性能模型和干扰模型为基础,通过仿真及回归分析,建立了性能可靠度与关键设计参数（Ce,Kp,J）的响应面模型。建立了舵机性能可靠性设计优化模型,对关键设计参数进行了优化。     

长沙黄花机场跑道加铺沥青混凝土配合比优化研究

长沙黄花国际机场（简称长沙机场）位于长沙县黄花镇木马村和蛟塘村,在长沙市以东,距市中心24．2km。黄花机场始建于1986年6月,是湖南规模最大、设施最齐全的航空港,也是湖南省对外开放的主要门户。     

基于统计能量分析进行声学优化设计的技术研究

阐述了用统计能量分析方法进行声、振环境预计的研究机理,为利用统计能量分析方法进行飞机舱内声学优化设计提供了探索的思路;论述了统计能量分析方法在民机舱内噪声分析上的应用优势和局限性。以某型号飞机客舱段为实例,建立了统计能量声学模型及加载,通过选择不同的飞机客舱壁板材料,进行客舱环境的声压级预计并分析预计结果,从而确定舱内声学设计优化方案。     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。