复合材料大展弦比亚声速机翼气动弹性研究

新一代航空结构广泛采用复合材料,对复合材料机翼的气动弹性工程化建模和分析是飞机设计的重要任务.应用气动弹性分析理论和方法,对复合材料大展弦比机翼进行了结构有限元建模、模型修正、固有振动特性计算、部件颤振工程分析.使用MSC/NASTRAN软件,在复合材料大展弦比机翼的初步静力分析模型基础上,依据结构图纸、相关试验结果反复修改得到合理的机翼结构动力学有限元模型,固有振动计算中采用动力减缩方法消除局部模态并提高计算精度,采用亚声速偶极子格网法求解非定常气动力,并对单独机翼进行了颤振计算分析,为工程设计提供了可靠的参考数据.     

高速飞行器间隙非线性机翼颤振的非线性能量阱抑制

针对间隙非线性机翼颤振系统的亚临界问题,引入了非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)技术来提高系统发生极限环振荡的临界速度。建立了具有NES控制的间隙非线性机翼颤振系统动力学模型,并分析了质量比、频率比、阻尼比、相对位置等NES参数对颤振系统极限环振荡的抑制效果,以及NES参数对颤振系统极限环振荡临界速度的影响规律。结果表明,阻尼比越大,可以在越小的自振频率比情况下使系统进入稳定区,但需要更苛刻的NES位置要求,即越靠近机翼前缘;而阻尼比越小,则使颤振系统极限环振荡响应进入稳定区所需的NES质量越小。在NES位置靠近机翼前缘时,增大自振频率比会使极限环振荡抑制效果有明显的提升,而增大质量比可以显著提高极限环振荡的抑制效果和临界速度。此外,NES的阻尼比越小,其颤振系统的极限环振荡抑制效果越好。     

折叠舵间隙非线性颤振分析研究

针对折叠舵的气动弹性问题,考虑三维翼型的非定常气动力,研究了弯曲和扭转两维间隙非线性颤振分析方法.时域仿真结果表明:间隙非线性环节将导致系统出现极限环振荡;频率散布的下限值决定亚临界颤振速度,频率散布的上限值决定发散速度;模态振型节线的方向同样影响亚临界颤振速度和发散速度.     

有限元法在管道水击计算中的应用探索

管道水击基本方程属于一阶双曲型偏微分方程,虽然目前水击主要采用特征线法进行计算,但有限元法也可以求解双曲型方程,据此尝试采用伽辽金加权余量法对管道水击进行有限元数值计算。根据管道水击的基本微分方程组,选取适当的速度、压力插值函数,建立管道水击的有限元模型,并通过实例分析,和特征线法相比较,证实有限元法在管道水击计算中是有应用前景的,有必要作进一步深入研究。     

一类偶数阶非线性中立型偏微分方程组的振动判据

讨论一类偶数阶非线性中立型偏微分方程组的振动性,利用Green公式和边值条件将这类非线性中立型偏微分方程组的振动问题转化为中立型微分不等式不存在最终正解的问题,并利用最终正解的定义和微分不等式方法,获得了该类方程组在两类不同边值条件下所有解振动的若干充分性条件。所得结果为解决物理学、生物学、工程学等学科领域中的实际问题提供了数学理论基础。     

六要素法（求解二阶网络的快速公式）

本文首先对求解一阶网络的快速公式——三要素法进行了理论分析,然后将这种理论应用到对二阶网络的分析,导出在各种情况下求解零输入响应和零状态响应的快速公式——六要素法。和三要素法一样,它的最大优点是不需列写任何微分方程,不用进行微分、积分运算,只要作简单的代数运算即可获得解答。文中列举一些例题,以便进行对比。     

求解微分对策问题的混合法

微分对策理论在定量研究军事问题中有着重要作用.针对微分对策的求解问题,将最优控制的数值算法和静态优化算法相结合,提出了求解微分对策问题的一类数值算法,称为混合法,并将这种算法用在火力支援分配问题上,得出了与解析解相同的数值解.     

含万向铰偏斜轴系的过渡过程横扭耦合振动特性

为提供船艇推进、火炮、航空动力及传动装置机械设计的理论分析基础,建立了加速度冲击下含万向铰偏斜轴系横扭耦合振动模型,揭示了轴系的过渡过程横扭耦合振动特性。将从动轴视为弯曲刚性、扭转柔性的轴,用投影平面上动态偏斜角表示轴系横向振动,用拉格朗日方程推导了万向铰轴系过渡过程横扭耦合三自由度振动微分方程,结合振动响应仿真给出了加速度和系统参数对轴系过渡过程横扭耦合振动特性的影响规律。结果表明:负载转矩增大和刚度不对称性减小导致耦合振动系统颤振失稳区增大;在超谐共振区内,加速度增大对过渡过程系统振动起稳定作用,转矩、刚度和偏斜角增大导致过渡过程系统振动失稳区域变大。     

基于凸优化理论的三维微分对策制导规律求解

针对三维微分对策制导律(DGL)求解问题,引入凸优化理论,将DGL求解归结到Hamilton系统的求解,设计了DGL求解算法,通过对代价函数梯度特征的凸分析,推导出对策系统鞍点存在的充要条件和求解方法,解决了以往通过对微分对策模型简化求解导致的模型不能客观反映作战过程的问题.     

各向异性稳态渗流复级数解析分析法

提出一种求解二阶线性椭圆形偏微分方程过值问题的新型复级数展开法,并用于求解二维各向异性稳态渗流问题,首先得到了各向异性稳态渗流矩形域、圆形域一般解析解,而且给出数值算例。     

超音速气流中热塑性复合材料壁板的非线性热颤振特性

热塑性复合材料结构在高速流场中的颤振行为是可重复使用航天器设计中需要考虑的问题.基于Mindlin厚板理论和Von-Karman大变形理论描述热塑性复合壁板结构大变形,超音速气动力采用活塞气动理论.考虑温度引起的壁板面内热应力和热塑性材料力学性能的改变.根据虚功原理和有限元法推导建立了热塑性复合材料壁板的热颤振模型,进...     

Semi-analytical method for calculating aeroelastic effect of profiled rod flying at high velocity

The key technique of a kinetic energy rod(KER) warhead is to control the flight attitude of rods. The rods are usually designed to different shapes. A new conceptual KER named profiled rod which has large L/D ratio is described in this paper. The elastic dynamic equations of this profiled rod flying at high velocity after detonation are set up on the basis of Euler-Bernoulli beam, and the aeroelastic deformation of profiled rod is calculated by semi-analytical method for calculating the vibration characteristics of variable cross-section beam. In addition, the aeroelastic deformation of the undeformed profiled rod and the aeroelastic deformation of deformed profiled rod which is caused by the detonation of explosive are simulated by computational fluid dynamic and finite element method(CFD/FEM), respectively. A satisfactory agreement of these two methods is obtained by the comparison of two methods. The results show that the semi-analytical method for calculating the vibration characteristics of variable cross-section beam is applied to analyze the aeroelastic deformation of profiled rod flying at high velocity.     

超声速二元机翼随机混沌运动分析

以考虑随机扰动的超声速二元机翼为研究对象,采用Kapitaniak方法对超声速二元机翼的随机混沌特性进行研究。采用三阶活塞理论推导超声速二元机翼的非线性气动力和气动力矩,建立考虑随机扰动、具有俯仰立方非线性的机翼2自由度运动微分方程,并将其写成4维状态方程的形式;采用中心流形方法对系统进行降维,将系统状态方程从4维降为2维;再联合利用累积量截断法、非高斯截断法获得系统的二维联合概率密度函数及系统的概率时差图,采用Kapitaniak方法分析系统在不同扰动强度下的随机混沌特性;采用系统响应、庞加莱截面图及最大Lyapunov指数等对系统的随机混沌特性进行验证。本研究对超声速二元机翼在复杂环境下的稳定性、安全性及响应特性等研究具有重要的促进作用。     

弹性高超声速飞行器自适应极点配置控制

本文针对乘波体外形的高超声速飞行器存在的结构/推进/气动强耦合特性,利用鲁棒极点配置方法设计了自适应控制器,实现了对高超声速飞行器的速度和高度指令跟踪控制。控制器采用了Proportional-Integral-Filter(PIF)结构,该结构的控制器不仅能够使系统具备良好的稳态特性而且能够对控制信号进行滤波平滑,从而能够有效地抑制高超声速飞行器的弹性振动对控制系统的影响。基于弹性高超声速飞行器模型CSUAL_GHV,分别采用自适应鲁棒极点配置控制方法和自适应非鲁棒极点配置控制方法进行了数值仿真。结果表明,与非鲁棒极点配置控制方法相比,采用自适应鲁棒极点配置控制方法的控制系统不仅使飞行器能够很快地跟踪上速度和高度指令,跟踪误差小于1%,而且高超声速飞行器的弹性振动也得到了有效地抑制。飞行器在整个飞行过程中的飞行攻角均处于±2°范围内,满足超燃冲压发动机的工作要求。     

双原子分子气体的定常隐式全流域多尺度算法

巨大的计算资源需求极大地阻碍了统一气体动理学格式的应用。采用宏观预估技术,基于Boltzmann-Rykov模型方程发展全流域适用的保守恒定常隐式算法,协同求解宏观方程和微观方程以加速收敛。在单元界面,通过模型方程特征差分解构造简单高效的多尺度数值通量,并结合非均匀非结构速度空间和速度空间自适应技术进一步降低计算需求、提升计算效率。超声速和高超声速平板绕流和圆球绕流的数值结果验证了算法的准确性与高效性。结果表明,算法能够准确求解二维和三维双原子气体多尺度流动问题,且相比于显式离散统一气体动理学格式可加速一个量级。     

高超声速滑翔再入飞行器的可达区快速预测

防御方对来袭滑翔再入飞行器进行可达区的预测存在先验信息量不足且时效性要求高等难题。为此提出一种基于最优化飞行假设的可达区快速预测方法:仅需已知目标当前位置、速度与最大升阻比(可基于雷达探测数据通过实时弹道估计获得),基于平衡滑翔假设和最大横程的埃格斯解分别获得目标最大纵程和横程终点坐标,在经纬度二维平面内,可达区即可近似为以两个最大横程终点间线段为短轴、最大纵程终点到短轴距离为半长轴的半椭圆区域。仿真结果表明,与传统的数值优化方法和常倾侧角方法相比,提出的方法具有利用先验信息少、精度较高和运算量小的优点,可满足实时性要求。     

矩形腔内相变材料上下加热时接触熔化的研究

本文对矩形腔内相变材料的紧密接触熔化过程进行了分析。矩形容器的上下壁面保持各自的温度对相变材料加热,且相变材料可以有不同的高宽比。应用Nusselt液体边界层理论,本文求得了传热过程的熔化规律与液体边界层厚度,并讨论了熔化温差与高宽比对熔化过程的影响,最后给出结论。     

基于变权灰色关联法的高超声速目标威胁评估

针对传统灰色关联法的权重设置采用常权法没有充分考虑目标状态变化而引起威胁程度变化的情况,提出了基于变权灰色关联分析法的高超声速目标威胁评估模型。根据高超声速目标的威胁特点和威胁能力,并结合敌我双方的对抗能力,提出了高超声速目标的威胁评估指标;利用变权理论、构造均衡函数,动态调整各威胁指标的权值,使其随目标状态变化而变化;并结合灰色关联法,将变权向量与目标的灰色关联系数进行了变权综合,得到各目标的灰色贴近度,通过仿真算例验证了模型的有效性和合理性。     

Parametric study of single confined fragment launch explosive device

In this article, parametric study of single confined fragment launch device was carried out. The configuration proposed was further studied to derive the empirical relationship for effect of fragment size, charge size, confinement thickness on fragment velocity. The simulations were carried out using ANSYS-AUTODYNE explicit solver. Fragment velocities were estimated as a function of different parametric combinations of explosive quantities, charge length to diameter ratio, fragment height to diameter ratio, confinement thickness, fragment material and fragment mass. The data was further converted to charge to metal ratio under fragment and confinement. It was observed that, increase in confinement thickness, charge quantity and decrease in fragment height increases the fragment velocity. It is also noted that, charge to metal mass ratio under fragment significantly affects the fragment velocity. At the end, an empirical relationship for fragment velocity interms of all these parameters was established. Using these relations, two velocities 1831.92 m/s and 2523.9 m/s required for NATO STANAG 4496 IM test were estimated. The design parameters for these velocities are presented. Also, the results estimated using the empirical relationship has been compared with published experimental data. Error in the predicted velocities is within the acceptable range. The empirical relationship proposed will be useful for finalization of design of the fragment launch device.     

临近空间高超声速目标拦截弹弹道规划

利用弹道规划设计了针对临近空间高超声速飞行器的拦截弹道。分析了临近空间高超声速目标拦截问题,将其定性为临近空间的远程高超声速拦截,并提出弹道规划需求;设计了一种两级助推的拦截弹,建立了考虑地球曲率和自转的拦截弹质点平面运动模型;根据弹道规划需求设计弹道约束,以末速最大、与终点距离误差最小和全程热量最小为指标建立拦截弹弹道规划问题;采用粒子群算法求解弹道,结果表明:符合约束的规划弹道是高抛再入形式,与比例导引弹道和准最佳弹道相比,拦截弹大部分时间飞行在大气层外,有效降低了气动热效应影响和对弹体材料的性能需求,且为末制导段提供良好的初始工作环境。