基于超椭圆方程和序列响应面法的回转壳开孔形状优化

含有多种功能开孔的轻质回转壳结构是航空航天结构系统内的常用支撑构件,其开孔形状直接影响结构的静动态性能。以回转壳结构为对象,基于超椭圆方程和坐标映射变换推导了回转壳开孔边界的参数化表达,开展了开孔形状动力学优化研究。为提高结构优化计算的精度、效率和收敛性,提出了准等弧长方法和基于均匀设计的序列响应面近似建模方法(SRSM),以分别实现空间超椭圆曲线的精确逼近、减少结构有限元分析成本和加快迭代收敛。以非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)作为响应面模型求解算法,结合有限元分析构建了回转壳开孔形状优化设计流程,开展了最大化结构一二阶频率带隙的典型回转壳结构开孔形状优化设计。结果表明,基于超椭圆方程和序列响应面法的开孔优化方法获得了有效改进结构动态特性的回转壳开孔形状,对开展计算耗时工程结构形状优化设计具有一定应用价值。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

Loop细分曲面精加工刀具轨迹生成

细分曲面既能表示连续的几何设计模型也能表示离散的加工模型,避免了模型转换的复杂中间过程.细分曲面除了对于构造具有任意拓扑结构的复杂零件具有巨大的优势外,对于数字化制造也极具发展潜力.因此,对基于Loop细分曲面的精加工刀具轨迹生成算法进行了研究.首先利用基于弦长误差的自适应插值Loop细分得到精加工模型;然后利用等斜率跟踪法将精加工模型分割为平坦区域和非平坦区域.对各个区域依次进行处理,不同区域实施不同的刀具轨迹规划.据此,既避免了因细分过程数据量过大而导致的曲面精度不足或表面质量降低的问题,又可顺利计算整张曲面相对均匀残留高度的刀具轨迹.最后,为验证该算法的可行性进行铣削加工实验.      

航天器自主交会对接的高精度目标定位方法

根据航天器自主式交会对接的实际应用背景和技术需求,针对交会对接过程中所要求的高精度、实时性和强抗扰的技术指标,在合作目标特性分析的基础上,将高斯曲面拟合与双线性插值相结合,提出了一种高精度的合作目标定位方法。首先根据目标图像的灰度分布进行双线性插值和高斯曲面拟合,在此过程中可同时利用目标原有像素和插值点的亚像素信息,使拟合曲面各幅值点的坐标精度达到亚像素级,以确定目标的中心位置。仿真图像和实拍图像的试验结果表明,此定位方法具有亚像素级的定位精度,其总体定位误差可达到1/20个像素左右,并能满足实时性要求,可以在航天器交会对接与空间遥操作等方面的应用中发挥重要作用。     

真空出气对星用聚酰亚胺材料电导率的影响

卫星介质材料在真空环境下的出气有可能对材料本身的介电性能产生显著影响,增加长期服役卫星寿命末期的充放电风险。文章以卫星上常用的聚酰亚胺材料为对象,通过地面90Sr-90Y辐照源加速辐照试验研究了在材料真空出气后其表面充电平衡负电位的变化,并据此计算出材料电导率的变化规律。结果显示,在5 pA/cm2电子辐照强度下,聚酰亚胺样品的电导率随着出气量的增加而明显下降,在总质量损失达到0.5%时,电导率减小一半左右。初步分析了出气导致电导率下降的物理机制。研究结果对卫星寿命末期充放电防护设计有指导意义。     

应用计算几何的月面太阳辐照度仿真模型

月面太阳辐照度对月面环境分析、月面巡视器设计具有重要意义。文章提出了一种应用计算几何的月面任意位置太阳辐照度仿真模型。首先,计算太阳、地球等天体相对月面点的位置;然后,将各天体投影至以月面点为球心的天球球面,并通过裁剪运算和二维布尔运算得到太阳未被遮挡的形状;最后,利用太阳可见面积对理想太阳辐照度模型进行修正,得到通用的模型。为验证提出模型的有效性,将仿真结果与STK软件进行比较。结果表明,文章中的模型综合考虑了地球、月面等多种因素对太阳辐射的耦合影响,其与STK软件获得的结果相比,更符合真实的太阳光照状态。     

基于LS-DYNA滚动轴承使役可靠度计算方法

利用软件LS-DYNA对滚动轴承使役过程进行了动态有限元计算,基于响应面法（RSM）建立6408滚动轴承输入参数与输出响应的函数关系方程,设定各类随机误差分布,利用矩阵试验法确定抽样点在输入变量抽样空间的位置,进行一系列确定性拟合试验.每次试验借助LS-DYNA进行精确求解,运用求解数据对方程进行最小二乘法回归分析确定方程的组成项及系数.最后利用函数关系方程计算轴承任意时刻的使役可靠度.结果表明:计算得出该轴承在0.020008s时的使役可靠度为97.062%.      

航天器分离面物理嵌合机理及防护方案

在某航天器研制过程中,发现了分离面镀膜后因非冷焊因素导致不能分离的现象。为探究该现象的产生机理、影响因素和防护方案,将铝合金试片表面分别进行不处理、本色阳极氧化处理、涂覆二硫化钼处理、光亮镀金处理和光亮阳极氧化处理后,两两配合加压,高真空条件下静置一段时间后,在常温常压条件下进行分离试验,如果试片未分离,重新采用新试片在变温常压条件下静置一段时间后,进行分离试验,分析各试片表面形貌变化和元素转移等情况。试验发现未分离试片因对接面上存在大量细小的凹凸纹路彼此机械咬合引起不能分离,试片镀膜硬度和表面粗糙度是产生物理嵌合的直接原因。从而,提出了航天器无相对运动的分离面需选用硬度较大、粗糙程度较低镀层的防护措施,并通过试验进行了验证。     

基于非结构网格的燃面推进算法

根据惠更斯波传播原理,构建了一种在通用CFD软件的非结构网格系统上直接计算燃面推进的数值方法。该方法将燃面对应的计算网格面作为一系列平面波源,利用网格几何关系对边界节点奇异性进行判定,通过所有平面波源影响区域的叠加求解新的燃面位置。数值实现过程中,根据节点奇异性和波源影响区域以三维矢量运算得到节点的推进矢量。结合网格的重分,在通用CFD软件环境中实现了燃面的推进,所用数值算法具有良好的精度。另外,对三维动态内弹道模拟中燃面计算的稳定性和精度等问题进行了研究。