高超声速飞行器飞行动力学特性不确定分析

 高超声速飞行器分析模型存在较大不确定性,其给出的动力学特性与真实值之间存在偏差,因此研究飞行动力学特性分析结果的可信度水平对控制系统设计具有重要意义。针对典型的乘波体构型高超声速飞行器,在建立气动/结构/推进相互耦合的动力学模型基础上,利用非概率区间来描述模型中的不确定参数,并将复特征根不确定范围求解问题转化为频率和阻尼比两个实数的不确定区间分别求解,给出了动力学模态特征根、频率及阻尼比的不确定边界。分别采用直接蒙特卡罗(DMC)模拟方法、基于泰勒展开的区间分析方法(TIAM)和基于多项式逼近的区间分析方法(CIAM)对高超声速飞行器飞行动力学不确定性进行了研究。结果表明:CIAM计算时间适中,且给出的边界更为准确、安全,适合在控制系统设计和验证过程中使用。     

轻质复合材料发射箱盖结构设计与参数优化

 针对国内现阶段复合材料发射箱盖研制领域中所存在的一些缺陷,通过设计一种方形轻质复合材料发射箱盖结构提出解决方案。首先提出了结构中薄弱区与抛出部分的初步设计方案;然后对导弹发射时燃气流冲击箱盖过程进行了瞬态数值模拟,并根据数值模拟结果对箱盖结构参数进行了优化;最后针对优化结构冲破过程进行了数值模拟,结果表明,按优化后方案设计的箱盖结构既能实现结构的轻质化,又能在开盖过程中保证较好的冲破性能。     

FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

 为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。     

基于MFBD的多级多层系统修复性维修过程建模与仿真

由于装备复杂程度的提高以及维修过程的不确定性,对复杂可修系统修复性维修(CM)过程的分析一般基于概念模型进行仿真.通过建立随机的维修功能框图(MFBD),考虑装备测试性设计对维修过程的影响,建立了支持多级多层(MIME)维修活动的仿真模型,同时该模型也支持维修活动间复杂层次及逻辑关系的描述.给出了考虑资源等待时间的复杂可修系统的平均修复时间仿真计算方法,建立了复杂可修系统的修复性维修过程仿真应用案例.通过对测试性设计参数等不同影响因素的调整进行敏感性分析,验证了模型的正确性和适用性.     

大流量火箭蒸汽发生器试验研究

为满足大流量高能引射工质发生装置研制的需要,在地面试验台上,对自行研制的大流量液氧酒精火箭蒸汽发生器进行了试验研究.试验结果表明,蒸汽发生器起动建压时间约2.0秒,主级段各性能参数平稳,蒸汽流量约40kg/s,蒸汽压力约0.86MPa,蒸汽温度约254℃,水蒸汽体积浓度80％.喷注器面板的氧化膜能够有效地阻止高温燃气向喷注面内部的扩散,延长喷注面寿命.大流量火箭蒸汽发生器可作为大型主动引射高空模拟试验台的蒸汽源.     

槽道湍流的法向与展向电磁力壁面减阻

法向与展向电磁力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力.为进一步揭示该方法的减阻机理,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流的法向与展向电磁力控制和减阻问题进行了研究.结果表明,对于确定的流向波长λx+,存在最佳的电磁力强度St,使阻力降最大,最佳St与λx+成反比.法向与展向电磁力对湍流的控制过程实质上是一种由电磁力诱导的调制波对壁湍流的调制过程.在优化参数控制下,当法向与展向电磁力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制.在这种调制波作用下,调制流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达8％.     

压电振子激励流场的数值模拟

为了得到多个压电振子的相干性和涡系之间相互干涉的流场信息,探索间距和相位差等因素对多个压电振子耦合流场的影响效果,本文对单个与多个压电振子的非定常流场特性进行了数值模拟研究.结果表明,压电振子振动时,流场中出现了速度涡区,单个振子的涡系发展最充分,流场中速度峰值达4m/s,三个振子的垂直方向作用范围最大,但速度峰值只有2.8m/s;振子振幅为A,振子间距在1A ～4A,流场掺混效果与振子间距成正比,有1/2相位差时流场掺混效果优于无相位差的情况;多个振子产生的耦合射流效果在适当的间距与相位差下好于单个振子产生的射流.     

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟

利用有限元软件建立了TB6钛合金激光喷丸以及机械喷丸的三维数值分析模型,研究了不同工艺参数对残余应力场的影响;对比了两种喷丸工艺所形成的应力波和各自的衰减规律;研究了两种喷丸工艺的复合强化工艺对残余应力场的影响。结果表明:激光喷丸形成的平面波造成较深的应力影响层,深度可达1.5mm;机械喷丸形成的球面波产生较大的残余应力,最大残余压应力可以达到屈服强度的1.1倍。塑性应变越大残余应力越大,塑性应变层与残余应力影响层深度相近;在两者复合强化工艺中,残余应力影响层深度与激光喷丸的相近,最大残余压应力可达屈服强度的1.2倍。     

航空常用铝合金动态拉伸力学性能探究

利用分离式Hopkinson拉杆设备对五种航空常用铝合金2A12-CZ,2A12-M,2024-T351,7050-T74,7050-T7451进行了室温动态拉伸力学性能探究,并利用电子万能试验机对这五种材料进行了准静态拉伸力学性能测试,得到了五种铝合金在不同应变率下的拉伸真实应力应变曲线。试验结果显示:7050系列铝合金有较高的屈服强度,2A12M抗拉强度则最低。五种航空铝合金都表现出不同程度的正的应变率敏感效应,其中2A12-CZ敏感性最强,7050T7451敏感性最弱。五种铝合金动态拉伸失效应变明显大于准静态拉伸失效应变。2A12M与2024T351有较高的动态拉伸失效应变。在试验结果的基础上,选择Johnson-Cook本构模型,Cowper-Symonds本构模型来拟合这五种材料的动态本构,模型预测与试验结果吻合较好。     

弹性飞行器飞行动力学建模研究

随着飞行器结构模态频率与刚性模态频率愈加接近,弹性效应对弹性飞行器飞行动力学特性的影响变得愈加明显,特别是操稳特性将变得更加的复杂和严峻,已经不能用“刚性飞行器”的分析方法进行研究,因此迫切需要为弹性飞行器建立能够包含多学科耦合的飞行动力学模型.本文对弹性飞行器飞行动力学建模的相关研究进行了总结与发展:首先简要阐述了建立多学科耦合弹性飞行器飞行动力学模型的必要性;然后对传统的弹性飞行器飞行动力学模型进行了研究,分析总结了这些方法的优缺点;最后在此基础上提出了一种新的体轴系(瞬态坐标系),并利用拉格朗日方程和有限元思想推导了该坐标系下的动力学模型,该模型克服了传统模型的缺点,并准确自然地耦合了结构动力学、飞行动力学、空气动力学与控制等学科,较现有的模型而言,该模型能更充分更全面的描述弹性飞行器飞行过程中流场、结构、控制和飞行力学之间的交叉耦合特性.本文的研究成果可为弹性飞行器的动态特性分析提供必要的理论基础.