盖板式陶瓷热防护系统的传热性能优化

针对高超声速飞行器对盖板式陶瓷热防护系统的迫切需求,建立了热防护系统结构瞬态传热模型;并研究了防隔热层的物性参数,厚度尺寸,相变层的种类、位置等因素对热防护系统结构传热性能的影响。结果表明,隔热层物性参数及厚度尺寸对热防护系统结构传热性能具有决定性影响,而防热层的物性参数及厚度尺寸几乎不产生影响。相变材料的引入能够明显改善热防护系统结构的传热性能。调整和优化相变层位置是改善热防护系统结构传热性能、降低结构厚度的一个有效途径。隔热层厚度的优化结果可为热防护系统结构设计提供一定的参考和依据。     

某舰炮托架多目标拓扑优化设计

为避免单目标拓扑优化无法考虑其他因素的缺点,通过基于密度法中的SIMP法,采用折衷规划法定义了多目标拓扑优化。以某舰炮为例,对其托架进行了多目标拓扑优化,得到了同时满足舰炮射角为0°、49°和方向角为0°时刚度最大以及动态低阶振动频率最大要求的舰炮托架的拓扑结构,并根据此优化对托架进行了结构重新改进和有限元的验证,表明了该优化设计方法的可行性。对于舰炮托架结构改进设计具有工程应用价值,对其他一般机械结构问题也提供了一种设计思路。     

基于序列径向基函数的运载火箭蒙皮桁条结构轻质优化

以我国大型运载火箭薄壁加筋结构轻量化设计为研究背景,针对轴压下大直径大载荷蒙皮桁条结构开展后屈曲轻质优化研究。基于Python语言建立蒙皮桁条结构参数化模型,为确定结构的极限承载能力,开展蒙皮桁条结构后屈曲分析。针对蒙皮桁条结构轻质优化涉及离散的拓扑和连续的尺寸优化问题,提出基于近似模型和组合优化算法的序列近似优化方法,并利用近似最优解加速算法收敛,确定蒙皮桁条结构最优设计方案。工程算例结果表明,所提序列近似优化方法使大直径大载荷运载火箭蒙皮桁条结构减重效果明显,验证了方法的有效性。     

发射装备结构支架的拓扑和尺寸优化

为实现某型发射装备结构支架的轻量化和小型化,在准静态均布载荷作用下对结构支架进行了拓扑优化设计,分析了优化得到的新型结构支架的刚度和重量对各个板件厚度的灵敏度。以板件厚度为设计变量,以结构重量最小为设计目标,对新型结构支架进行了尺寸优化,分析了最优解对设计变量初值的鲁棒性。计算和优化结果表明,在结构刚度不降低的条件下,新型结构支架的重量与原有结构支架相比减小了51%,最大应力降低了49.6%。     

发射装备结构支架的拓扑和尺寸优化北大核心

为实现某型发射装备结构支架的轻量化和小型化,在准静态均布载荷作用下对结构支架进行了拓扑优化设计,分析了优化得到的新型结构支架的刚度和重量对各个板件厚度的灵敏度。以板件厚度为设计变量,以结构重量最小为设计目标,对新型结构支架进行了尺寸优化,分析了最优解对设计变量初值的鲁棒性。计算和优化结果表明,在结构刚度不降低的条件下,新型结构支架的重量与原有结构支架相比减小了51%,最大应力降低了49.6%。     

考虑流-结构耦合的体积约束拓扑优化

为实现流-结构耦合的结构拓扑优化设计,首先分别以水下结构固有频率和结构刚度最大化为目标,建立了渐进结构拓扑优化模型;然后,改进了网格独立滤波方法,提出单元尺寸滤波方法,将优化方法推广至设计域中单元尺寸存在差异较大情况的问题;最后,推导了目标函数以及在约束条件下的单元灵敏度,并采用双向渐进结构优化法对结构进行迭代计算。结果表明:刚度优化结果拓扑结构清晰,同时优化结构中未出现棋盘格现象,迭代过程收敛平稳;频率优化结果中,固有频率较初始设计域提升明显,优化效果显著,证明了单元尺寸独立滤波方法的有效性。     

稀薄流高超声速飞行器气动加热耦合计算

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。在以钝锥外形为例对直接模拟蒙特卡洛数值模拟程序进行验证的基础上,采用该方法对X37B轨道飞行器外形长时加热与结构传热过程进行数值模拟,给出结构温度及热流密度随飞行时间的变化规律。研究结果表明,设计的耦合计算方法能够模拟稀薄流域高超声速飞行器的气动加热及结构传热耦合过程,可为该类飞行器的气动热分析及热防护设计提供技术支持。     

杠杆式抽筒子的动态特性研究及拓扑优化设计

针对杠杆式抽筒子工作时出现的断裂失效问题,以动力学和有限元理论为基础,分别进行抽筒子的动态特性研究和拓扑优化设计。得出其在抽筒过程中的动应力分布和危险区域,定性地确定出介质力学参数和工作参数的影响,获得了抽筒子的最佳材料布局和优化改进结构。优化前后抽筒子结构的对比仿真结果表明,改进结构能够使得应力集中危险区域仅为最大动应力降低10.6%的强撞击位置,其余部分均可转换为安全区域且结构刚度提升49%左右。所用方法有效可靠,为解决杠杆式抽筒子的断裂问题提供理论依据和技术手段。     

基于Kriging模型的环形桁架可展天线结构参数优化方法

针对传统结构动力学优化过程中求解效率较低的问题,以环形桁架可展天线结构参数优化为研究背景,在环形桁架可展天线结构的参数变量空间中,以试验设计方法选取样本点,通过有限元方法得到各个样本点的第一阶固有频率、固定载荷最大变形等响应值,利用样本点和响应值的关系建立Kriging近似模型进行优化算法的寻优,得到满足所有约束条件的最优解。结果表明,所得到的环形桁架可展天线第一阶固有频率、固定载荷最大变形的响应面呈现比较明显的非线性关系,基于Kriging模型的结构优化方法能比较准确地对环形桁架可展天线进行寻优设计。     

夜间通风量对相变轻质房间室内热环境的影响

运用EnergyPlus软件,对含相变材料层轻质房间的室内热环境进行了模拟,分析了墙体结构、通风量等因素对相变材料轻质墙体的蓄、放热性能和室内热环境的影响。模拟结果表明:相变材料应用于轻质房间,能显著增强围护结构的热惰性,提高室内的热舒适性;同时采取夜间通风技术,可以有效地将白天蓄积的热量散至室外。相变材料布置在围护结构内侧时,室内环境的热舒适性比布置在外侧时更好。从自然通风的角度,相变材料布置于围护结构内侧时,选取换气数2.5次/h作为优化结果;相变材料布置于围护结构外侧时,选取换气数4.0次/h作为优化结果。     

高柔悬臂结构的弯曲型集中质量模型研究

基于质量集中和刚度等效的原则,提出了一种将高柔悬臂结构简化为弯曲型集中质量模型的新方法。首先,根据集中质量法确定简化模型节点处的集中质量。然后,基于振动特征方程和悬臂结构柔度矩阵中各元素与抗弯刚度的倒数之间具有线性关系的特点,推导出固有频率与层间等效抗弯刚度之间的非线性关系式;通过有限元软件对结构进行模态分析,提取其固有频率,将提取的固有频率代入关系式即可计算出等效抗弯刚度。最后,用数值算例对比验证了该模型简化方法的有效性和精确性。     

基于iSIGHT的某型多管火箭炮基座的轻量化设计

针对某型多管火箭炮基座的轻量化问题,基于火箭炮基座的设计要求,建立了基座优化的有限元模型,以多管火箭炮基座的形状尺寸为设计变量,并首次引入比刚度结构效能最大为目标,采用组合优化策略进行优化求解,实现了基座的轻量化设计。优化后,基座的质量减小14.4%且比刚度结构效能增大33.2%;经分析,优化后的基座对整炮性能响应的影响基本可以忽略。该研究也给多管火箭炮其他结构的轻量化设计提供了可供借鉴的方法。     

舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究

以 3种舰船单元结构模型水下接触爆炸试验为基础 ,对结构模型所产生的变形、破口尺寸、破口形状进行了观测与分析 ,查找并发现结构中的薄弱环节 .提出了板架结构加强筋相对刚度概念 ,确定了破口长度的估算系数 ,同时为舰船结构在水下爆炸作用下的破口数值计算提供了试验数据 ,如材料断裂极限应变等     

基于遗传算法思想的现行Cernet拓扑结构优化

把Cemet骨干网拓扑结构作为研究对象,并以实现具有QoS保证的IP隧道机制为目的,对该拓扑结构通过引用遗传算法进行了分析,找出了网状型骨干网拓扑结构和星型拓扑结构各自不能建立起IP隧道传输机制的主要原因.通过分析比较,汲取了两种拓扑结构各自的优点,提出了一种以星型为主、网状型为辅,两种拓扑结构相结合的拓扑结构,该拓扑结构较好解决了广域骨干网建立IP隧道传输机制的需要.在此基础上,由遗传算法优化出了一种基于QoS保证的新广域骨干网拓扑结构.最后,对该拓扑结构进行了仿真实验.仿真实验证明,该拓扑是一种优化的结构.     

激光——等离子弧复合焊铝锂合金熔化过程的分析

为了研究激光-等离子弧复合焊熔化过程中的传热和流动特性，建立了针对1420铝锂合金的数值分析模型。在同时考虑表面张力、电磁力和热浮力作用的情况下，利用有限控制容积法求解该模型，得到熔池流场和温度场的数值解，从而直观地反映熔池形状的变化过程，并采用无量纲分析法对不同作用力对熔池传热和流动过程的影响进行定量化研究。分析结果表明：熔深的增长快于熔宽，因为熔深增加的主要机理是小孔效应，而熔宽增加的机理为对流传热作用；表面张力对熔池流动的影响最大，比电磁力的作用大1个数量级，比热浮力的作用大3个数量级；在熔化过程中，对流传热的作用大于热传导作用，心数最大值达7．6。     

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。     

某型机枪遥控武器站静动态特性仿真分析

为提高机枪遥控武器站机动性,研究机枪射击过程中架体的受力情况,针对武器站的模态特性及瞬态特性进行仿真分析,开展轻量化设计。在ANSYS软件中对武器站进行有限元建模,对结构进行模态分析、瞬态动力学分析,提取了机枪武器站的固有频率和固有振型,施加时变射击冲击载荷,得到了武器站结构的等值线云图等架体受力特性。根据振型数据特征进行结构优化。分析结果表明,模态特性分布有利,架体结构刚度在动态工况下仍有较大富裕。优化后的结构减轻质量,仍能满足载荷冲击的需求。     

一类飞行器载荷设计的三分段方法研究与应用

为有效解决传统载荷设计方法中存在的诸多不足，提出一种适用于一类飞行器载荷设计的三分段法，即分段刚度、分段质量和分段气动。该方法能够很好地逼近飞行器的真实质量分布和气动载荷分布。针对简化飞行器，分别利用三分段法、理论计算法和质量分站法计算其模态参数和截面载荷。结果表明，三分段法和理论计算法在模型参数、计算原理上是一致的，基本可以认为是一种方法，因而它们的模态参数和截面载荷完全吻合；质量分站法所得左、右截面载荷不一致，且相差很大，还不符合真实载荷情况。总之，采用三分段法能够得到较为真实、合理的飞行器截面载荷分布，且工程应用简便,方法合理、可信，同时还可以在很大程度上降低飞行器载荷设计和结构设计的难度。     

层流冷却过程中基于自由能理论的相变本构方程的组织预报与分析

基于自由能理论的统一的相变本构方程可用来预测连续冷却过程中钢材的微观结构和转变体积分数。将该方程镶嵌在商业有限元软件MARC中,对DIN SAE 5140钢在层流冷却过程中的相变过程进行了分析。分析结果与试验数据相吻合。这表明该统一的相变本构方程为预测连续冷却过程中的材料的相变过程提供了一种新的有效方法。     

火箭弹卷弧尾翼的轻量化研究

针对火箭弹卷弧尾翼在特定气动载荷下的轻量化问题,基于结构动力学理论,依托ABAQUS非线性有限元软件,建立了火箭弹卷弧尾翼的有限元模型。通过对比碳纤维复合材料(CFRP)和合金钢材料的卷弧尾翼的有限元分析,得出了碳纤维复合材料在满足强度和刚度的要求下,使卷弧尾翼减重达80%。该方法为火箭弹卷弧尾翼的轻量化设计提供了一种参考和借鉴。