高速自然层流翼型高效气动稳健优化设计方法

先进高速高升力自然层流(NLF)翼型的设计已经成为提高新一代高空长航时(HALE)无人机(UAV)性能的重要手段。然而这类翼型表面极易出现分离泡和激波等，尤其对于马赫数、飞行攻角等状态波动气动特性非常敏感，这导致传统的层流翼型设计方法设计的外形在面向工程应用中出现稳健性差，难以被工程使用。气动稳健设计(RADO)方法虽然是一种有希望的解决途径，但它遭遇了巨大计算花费的难题。为了解决这些问题，通过对影响气动稳健优化设计效率的关键技术进行研究，发展了基于自适应前向-后向选择(AFBS)的稀疏多项式混沌重构方法，极大改善了不确定分析(UQ)和稳健优化效率。同时，也发展了考虑多参数不确定的高效气动稳健优化设计方法，有效解决了传统翼型设计方法难以满足高速高升力自然层流翼型设计要求兼顾高升力设计、自然层流设计以及超临界设计的难题。最后使用发展的方法成功设计了一类具有典型特点的跨空域稳健自然层流翼型。结果表明设计的翼型相对于经典的全球鹰无人机翼型气动性能全面提升，同时低阻范围更大，气动性能更加稳健，从而验证了稳健优化方法的有效性和相对于确定性设计的优势。     

索网结构非线性有限元分析中初始张力状态的快速构造方法

预应力索网结构是以柔性拉索为主要承重构件或辅助承重构件的一种结构体系,用于可展开天线等空间结构。为在有限元数值分析时准确、高效地施加张拉预应力,综合考虑索网的几何非线性、刚度矩阵奇异性、索网与支撑结构存在耦合变形等问题,利用索网式可展开天线的特性,在非线性有限元计算时忽略初位移刚度矩阵,将问题线性化,并详细介绍了以降温法模拟预应力时降温值的计算过程。此方法无需迭代,且得到的降温值在用于索网非线性计算时具有足够的精度;此方法能充分利用通用有限元计算程序,可进一步开展模态和响应等力学计算,便于在工程中实际应用。     

陶瓷基复合材料结构不确定性传播分析

陶瓷基复合材料因其耐高温、高强度比、抗腐蚀等出色的力学性能而被广泛应用于航空航天领域中。然而，制备工艺的复杂性导致陶瓷基复合材料的本构模型中存在大量的不确定性，无法合理估计给定工况下结构的力学行为。为此，本文首先探究了陶瓷基复合材料中的材料参数对其本构模型的影响，并建立了考虑孔隙率的陶瓷基复合材料各向异性本构模型。随后，进一步提出了一种基于稀疏混沌多项式展开的不确定性传播分析方法，定量地分析材料参数及外界环境的不确定性对陶瓷基复合材料性能的影响，进而为结构的优化设计提供有效指导。最后，以陶瓷基复合材料圆柱壳模型为例，验证了本文所提方法的有效性。     

基于折纸的大型空间薄膜遮阳结构设计与分析（英文）

提出了一种轻质、展开顺畅、收纳比高且不需要额外驱动动力的新型自展开薄膜遮阳结构。利用4根等长的带状弹簧驱动叶内环绕折叠的聚酰亚胺薄膜，并计算了收纳比。为了防止薄膜在展开过程中出现钩挂和破损的问题，对薄膜展开的轨迹、薄膜的应力分布以及带状弹簧骨架的模态分布进行了有限元仿真，并制作了测试样机以验证设计的可行性。结果显示，利用带状弹簧驱动薄膜展开，展开过程顺利，带状弹簧展开时的冲击不会造成薄膜损伤，薄膜折痕处的最大应力约为42.3 MPa，低于材料的许用应力，且收纳比达到了69.4。     

多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域，认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象，并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明，在温度梯度的影响下，与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势；在热扩散作用下，界面上的热力学非平衡强度先减小后增大，继而影响热力学非平衡区域的占比，使之呈现相同的变化趋势。最后，分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律，发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下，全局平均热力学非平衡强度先增后减，最后趋于稳定。不仅如此，热力学非平衡区域面积的增大（减小）会增强（减弱）热力学非平衡的强度；同时，物质界面物理量梯度的增大（减小）对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响，二者相互作用、相互竞争。     

悬停共轴刚性旋翼直升机涡尾迹高精度数值模拟

针对共轴刚性旋翼直升机流场涡尾迹的高精度数值模拟需求，结合结构化运动嵌套网格技术、高精度数值格式和非定常RANS方法，建立了共轴刚性旋翼直升机的非定常涡流场高精度数值模拟方法及高效并行化自主软件平台。运用所发展的方法和软件平台，进行了类“X-2”构型共轴刚性旋翼直升机悬停状态涡尾迹结构的高精度数值模拟。结果表明，所发展的数值模拟方法具有较高的计算效率和计算精度，能够捕捉到精细的涡尾迹结构及其非定常生成、发展和演化过程。     

大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性，保障可展天线在轨展开过程稳定性，提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先，基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后，通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模，并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后，基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明，该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值，有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。     

展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

针对星敏感器的杂光抑制需求，设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩，包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环，并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型，分析了构型随着二面角的变化情况，验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度，包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机，并开展了地面展开试验，表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开，为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。     

飞行器飞行姿态不确定性传播分析

飞行器的飞行状态会受到诸多不确定因素的影响。例如飞行时的外部环境参数，制造时的容许公差和加工误差等不确定性变量会使飞行中的姿态控制产生偏差，导致飞行任务失败，甚至引发灾难性的后果。为此，本文提出了一种基于最优混沌多项式展开的不确定性传播分析方法，有效突破了高维不确定性传播分析面临的变量分布任意以及大规模计算等瓶颈问题。本文提出的传播分析方法，统一度量了高维设计变量中的不确定性，量化分析复杂不确定性对马赫数、动压、轴向过载系数及合成攻角等飞行姿态参数的影响，进而为飞行姿控及后续结构优化设计提供有效依据。     

立方星伞状天线展开过程运动误差分析

立方星伞状天线由金属丝网、双折辐射肋、中心轮毂等结构组成，其辐射肋的间隙误差影响展开过程与展开后的位置精度。针对0.5m口径Ka频段立方星伞状天线辐射肋间隙误差对展开过程的影响，基于有效杆长理论，建立了铰链间隙误差对辐射肋运动过程影响的数学模型，分析了双折辐射肋在展开过程中运动性能的数字特征，得到在4种常见的轴孔配合铰链约束情况下，根肋顶点的位置误差小于0.08mm，天线尖肋顶点的位置误差小于0.14mm，可以为天线根肋、尖肋铰链间隙误差的选择提供理论依据。