基于内聚力模型的飞机风挡与无人机碰撞仿真及试验验证

为有效支持无人机撞击飞机仿真分析,降低试验研究成本,开展无人机与某型运输类飞机风挡碰撞试验及有限元仿真方法研究。研究建立符合实际尺寸和曲面构型的风挡和无人机的建模方法;考虑到碰撞后风挡玻璃的裂纹萌生和扩展的不可预测性和复杂性,通过Python二次开发在风挡模型中玻璃单元间及玻璃层与胶层间嵌入零厚度内聚力单元,研究给出基于固有内聚力的风挡玻璃有限元模型。研究发现,对应工况的仿真结果与试验结果基本一致,证明内聚力模型应用在该仿真中的有效性。同时相对于常规的单元删除法,基于内聚力模型的仿真结果更加接近试验结果,证明所建立方法的精度更高。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题,搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型,分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型,采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题,利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开,通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪,提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中,仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开;绳索始终处于张紧状态,最大拉力为62.5N;薄膜展开过程复杂,重复出现张紧、回弹的现象,最终趋于稳定。     

超高速碰撞可见光谱辐射强度测量技术

针对航天器防护技术及超高速碰撞物理现象研究需要，为超高速碰撞靶研制了超高速碰撞光谱辐射强度测量系统。笔者对该系统的设计和应用该系统对半无限靶碰撞可见光谱辐射强度测量结果进行了介绍。结果表面：所研制的可见光谱辐射强度测量系统满足超高速碰撞可见光谱辐射强度测量要求，并具有成本低、使用方便和易于扩展功能等特点。     

侧向喷流与飞行器三维绕流干扰流场特性的DSMC/EPSM数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,研究了带有侧向喷流的复杂外形高超声速飞行器稀薄区和连续区三维混合流场的干扰特性。采用一种飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中。引入碰撞数做为混合参数,对流动区域进行划分,并通过网格中碰撞数的统计和处理,有效地将DSMC和EPSM方法结合在一起。仿真计算了三维复杂外形飞行器带喷流流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,对喷流与高超声速空气绕流相互作用以及它们与物面之间的相互扰动进行了分析,证明了采用的方案和技术的有效性。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

螺旋锥齿轮振动研齿系统的拍击响应

建立了位移激励下的螺旋锥齿轮振动研齿系统的扭转振动模型,推导出考虑摩擦的轮齿斜碰撞前后状态间的局部映射关系式,得到了螺旋锥齿轮振动研齿系统的Lyapunov指数计算方法.通过算例,运用相图、Poincaré映射图、Lyapunov指数和系统分叉图,分析了研齿系统随激励参数变化的动态响应,结果表明,随激励幅值的增大,研齿系统由单边碰撞状态经倍周期分叉进入混沌,并在混沌状态中有周期窗口的出现.继续增大激励幅值,系统进入了双边碰撞状态.      

基于蜂群算法的飞机滑行路径优化

研究了飞机场面滑行路径动态规划问题,将三种滑行冲突作为约束条件,建立了场面运行模块化模型。基于蜂群算法给出了问题的优化算法,并进行了计算机仿真实验,结果表明可以大大减少滑行时间。算法既可以用于滑行路径的动态规划,也可以为繁忙机场的安全运行提供决策支持。     

空中加油对接过程的动力学建模与仿真

空中加油的成功与否主要依赖于加油锥套与受油插头的顺利对接,对对接过程中产生的动力学行为的研究是实现顺利对接的前提。利用多刚体系统动力学建立对接过程的动力学模型,求解出加油锥套与受油装置间的广义速度;并依据建立的接触动力学模型,得到局部接触点间的相对速度。基于非线性连续碰撞理论,提出对接过程中碰撞力的计算方法,并在机械系统动力学仿真软件ADAMS的环境下,构建加油锥套和受油装置的对接虚拟样机。通过对虚拟样机的动力学仿真,得到了对接过程中的碰撞力及速度响应曲线,同时,得出能够实现成功对接时各参数的具体范围。结果表明,制约对接成功的主要参数是初始相对速度、加油锥套的俯仰角和相对偏距。该研究对空中加油的对接和受油机的导航控制具有重要的意义。     

基于二维紧凑型四阶格子模型的激波管流动模拟

为了提高格子的稳定性,使用Hermite展开方法,构建了新的二维四阶紧凑型格子模型,即D2Q37A。比较了D2Q37A和与Philippi给出的紧凑型格子模型(D2Q37B)的稳定性。在相同的碰撞频率下,与D2Q37B相比,D2Q37A可以模拟初始密度比更高的一维激波管流动。这表明D2Q37A与现有格子模型相比,具有更好的稳定性。详细给出了适用于高阶格子模型的边界条件实现方式。此边界条件实现方式保留了体现LBM（lattice Boltmann method）粒子特性的迁移 碰撞机制。用以上给出的格子模型和边界条件处理方式模拟激波管流动,得到的模拟结果和解析解吻合得很好。这表明所给出的边界处理方式是可行的。此边界格式同样可以用于其他类型的流动和边界。