Multi-layered plate finite element models with node-dependent kinematics for smart structures with piezoelectric components

This article presents a type of plate Finite Element (FE) models with adaptive mathematical refinement capabilities for modeling laminated smart structures with piezoelectric layers or distributed patches. The p-version shape functions are used in combination with the higher-order Layer-Wise (LW) kinematics adopting hierarchical Legendre polynomials. Node-Dependent Kinematics (NDK) is employed to implement local LW models in the regions with piezoelectric components and simulate the global substrate structure with the Equivalent Single-Layer (ESL) approach. Through the proposed NDK FE models, the electro-mechanical behavior of smart structures can be predicted with high fidelity and numerical efficiency, and various patch configurations can be conveniently modeled through one set of mesh grids. Moreover, the effectiveness and efficiency of the NDK FE approach are assessed through numerical examples and its application is demonstrated.     

对接机构综合试验台温度环境模拟分系统温场优化

为改善某新型对接机构综合试验台温度环境模拟分试验系统的温度和压力均匀性,基于温场特性分析,用三维标准κ-ε模型对系统送风散流装置结构模型进行改进。发现散流装置的送风方式和结构对温度与压力均匀性影响较大。用仿真对散流器进行优化以改善流场,通过增设静压室和布风散流装置,在送风温度不变时可将温场温度均匀度控制在1 K内,压力梯度下降至改进前的0.5%,且改进后的送风结构能较好地满足温场体积变化后的试验要求。     

高精度的机翼静气动弹性数值模拟方法研究

气动结构耦合是研究静气动弹性问题的关键所在。采用三维Euler方程为控制方程,以有限元方法计算结构弹性变形,用细平板样条法(TPS)实现气动结构数据间的转换,进行机翼静气动弹性数值的模拟。算例结果表明,本方法是一种具有很高计算精度和工程实用性的气动弹性模拟方法。     

一种基于高阶剪切变形板模型的有限元算法

为了较好地模拟复合材料层合板的变形并得到较为精确的应力分布,本文基于Reddy提出的高阶剪切变形板模型建立了一种新型有限元。该模型保证横向剪应力沿板厚度方向呈抛物分布,在板的上下表面为零,从而很好地满足力边界条件。有限元算法构造的出发点是修正的虚功泛函,引入Lagrange乘子放松了挠度在单元边界之间的连续性,使得挠度的构造变得简单;由于通过常应力分片检查,所以有限元算法的收敛性得到了保证。此外,本算法的数值结果具有对单元网格形状不敏感、精度好和计算效率高的性质。     

基于DSP和CAN总线的热功率模拟系统

热功率模拟系统用于测试整星热平衡试验时模拟星上各设备热量分布情况,以检测整星的热控系统性能。本系统采用数字信号处理（DSP）组成单元处理系统,采用控制器局部网（CAN）总线组成通信网络,通过计算机对每一路功率按照预先设定好的功率曲线进行调控、巡检、记录。     

航天器真空热试验用加热板的数值仿真

文章针对加热板在航天器热试验中的传热特点,利用Thermal Desktop软件建立了加热板和空间模拟器热沉的热数学模型,分析了电热丝数量、加热板材料和液氮管路布置方式对加热板升、降温时间和温度分布的影响;建立了模拟星、加热板和热沉的热模型,分析了加热板和星表间距对模拟星表面温度的影响。根据分析研究结果,提出了加热板设计及其在航天器热试验中的应用方法建议。     

基于埋管的冷板设计及性能对比分析

介绍了埋管式冷板的设计及3种制造成形工艺:胶接、焊接和铸造,并分析了3种成形工艺的优缺点及对埋管式冷板散热性能的影响。采用有限元软件FloEFD对相同参数条件下同一模型不同成形工艺的埋管式冷板的散热性能进行了仿真对比分析,仿真结果表明:当其它条件相同时,不同成形工艺对埋管式冷板的散热性能具有一定的影响,基板与铜管之间的热阻越小,冷板的散热性能越好。     

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。     

低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应

建立了一个新的非线性气动弹性模型,对低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应特性进行了分析。建模中考虑了结构几何非线性、气动力非线性以及两者之间的强耦合效应。通过实验数据对所建立的气动弹性模型进行了验证。发现在低速流场中柔性悬臂板可能会以周期加倍的方式进入混沌运动。结构几何非线性效应和翼尖涡引起的非定常气动力效应对柔性悬臂板的结构响应有显著影响,而尾涡变形引起的非定常气动力对结构运动的影响较小。还研究了不同耦合算法的差异,给出了小展弦比大柔性结构非线性气动弹性数值仿真时耦合策略的选择依据。     

基于Lamb波与时频分析的复合材料结构损伤监测和识别

采用将Lamb波和时频分析相结合的方法,对碳纤维增强复合材料层板结构进行在线的连续监测。首先研究Lamb波在复合材料层板结构中的传播问题,利用Mindlin板理论建立了低阶反对称Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角变化的频散关系;然后用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析,提取特征信息,测量出Lamb波在结构中实际传播的飞行时间和群速度,并与理论结果相比较;在此基础上结合理论与实际量测信息,考虑各向异性对Lamb波速度的影响,使用遗传算法确定损伤位置,并估算损伤尺寸。实验研究表明了本文方法的可应用性和有效性。