应用有限元技术进行气动与结构联动设计的方法研究——基于ANSYS的某导弹弹翼柔度系数矩阵计算

采用有限元技术,应用ANSYS仿真软件分析复合材料结构弹翼在单位载荷矩阵作用下的结构响应,通过建立计算模型,施加边界条件及多步载荷并进行求解,得到复材弹翼结构的位移情况,提取计算模型的节点位移值形成弹翼的柔度系数矩阵,该种计算方法能够充分考虑到复合材料结构特性为气动吹风试验设计与气动外形研究提供可靠的结构数据。实现了气动与结构的联动设计同步更新。     

钻石背弹翼抗风动力可靠性及其灵敏度分析

基于首次超越破坏准则,建立了钻石背弹翼在随机风载荷下的动力可靠性模型,并对其动力可靠性的参数灵敏度进行了研究。通过对结构在随机振动载荷下动力响应超越安全界限次数的研究,得到了钻石背弹翼的动力可靠性模型,并利用综合分析技术分析了输入参数对钻石背弹翼抗风动力可靠性的灵敏度。研究结果表明:在只考虑随机风载荷的情况下,增大翼厚或后翼条弦长、减少前翼条弦长或前缘后掠角有助于提高钻石背弹翼的抗风动力可靠性,但在设计中需要综合考虑弹翼的气动外形及其载荷。     

基于关联矩阵与设计结构矩阵的计算模型求解顺序规划

结合关联矩阵与设计结构矩阵,提出计算模型的求解顺序规划算法。关联矩阵可以描述计算模型与设计参数之间的关系,设计结构矩阵用来表示计算模型之间的依赖关系。基于少数已知设计参数,通过关联矩阵进行输入输出传播,可确定部分计算模型与相关设计参数的关系,并识别出耦合模型集。对耦合模型集进行解耦,使耦合集内计算模型之间的反馈量最小,通过遗传算法确定耦合集内计算模型的最优求解顺序。将耦合集内的计算模型当作一个宏计算模型,与其他的计算模型形成整体设计结构矩阵;通过对整体设计结构矩阵的下三角化,可得到所有计算模型的求解顺序。通过一个飞机重量计算例子,验证了以上提出的算法。     

基于气动性能与刚度特性的风力机翼型优化设计

结合翼型泛函集成理论与叶片截面刚度矩阵数学计算模型,提出了风力机中等厚度翼型气动性能与结构刚度特性的一体化设计方法,实现了翼型气动性能与叶片截面刚度特性的同时提高。对考虑叶片截面铺层参数变化设计的WQ-B300翼型与DU97-W-300翼型进行了气动性能与结构刚度特性对比分析,结果表明:相比于DU97-W-300翼型,WQ-B300翼型的气动性能与叶片截面刚度性能均有显著提高,其挥舞刚度和摆振刚度分别提高了6.2%和8.4%,验证了该设计方法的可行性,给风力机中等厚度及大厚度翼型设计提供了一种思路。     

基于公理化设计矩阵与设计结构矩阵集成的研究

分析公理化设计与设计结构矩阵的优缺点,利用二者的优势互补性,提出了公理化设计矩阵与设计结构矩阵集成思想,详细研究了公理化设计与设计结构矩阵集成的方法与步骤,并提出了基于公理化设计矩阵与设计结构矩阵集成的框架模型,促成产品功能与结构的同步演化;开发了计算机辅助概念设计系统以支持公理化设计与设计结构矩阵的集成;最后以自动化物料运输系统为实例,详细阐明了公理化设计矩阵与设计结构矩阵集成的过程.     

航天科工六院41所复合材料弹翼交付任务过半

日前,由中国航天科工六院41所自主研制的复合材料弹翼28套产品通过客户方验收。至此,41所145套复合材料弹翼产品生产交付任务已完成82套。据悉,复合材料弹翼是41所发展军民融合产业的重要产品,自2008年5月开始进行该产品的研制生产以来,41所刻苦攻关,在产品结构优化设计、成型工艺稳定性等方面下功夫,在不到一年的时间内突破了     

基于设计结构矩阵的复杂产品开发项目规划模型

提出了基于设计结构矩阵的复杂产品开发项目规划模型,包括采用返工概率设计结构矩阵模型来描述产品开发子项目内部任务的串行迭代关系,以及计算由于迭代造成任务工期的增加量对子项目实施周期的影响;在子项目设计结构矩阵模型的基础上建立项目整体(包含多个子项目)的设计结构矩阵模型,并结合分区操作计算项目的总周期.通过仿真可以识别和量化子项目内部任务的串行迭代对项目周期的影响,预见项目周期,找出影响项目周期的关键子项目和关键任务.     

超磁致伸缩驱动偏转放大机构

偏转弹通过控制弹头相对于弹体偏转一定角度改变弹箭的气动特性和弹道特性,实现对弹箭落点的控制。基于该背景设计了一种柔性铰链放大机构,放大超磁致伸缩驱动器(GMA)的输出位移。首先对放大机构可输出的最大位移进行推导和计算。然后在给定位移下,计算得出输入作用力和输出位移存在线性关系,通过有限元软件仿真验证了线性关系的存在,并与计算结果对比,得出结构内部反力的存在造成额外位移损失。最后结合GMA输出力可控原理,推导出放大机构输出位移和GMA输出力、总磁化强度间的关系。     

舵控火箭靶弹的气动分析

在无控火箭靶弹的基础上,加装控制舵片改装为有控火箭靶弹。建立简化的舵控火箭靶弹三维模型,并利用数值计算的方法采用Fluent软件对火箭靶弹的气动特性进行了仿真分析。通过仿真得到弹加尾翼(无控)和全弹(弹+翼+舵,有控)的气动参数在舵偏角为0°时随攻角、马赫数的变化规律,以及不同舵偏角下的压力云图。     

回传射线矩阵法在周期结构振动分析中的应用

回传射线矩阵法(MRRM)是Pao和Howard等人在分析二维框架的动态响应时提出的。对于一维周期结构结构,其周期性结构排列的思想与回传射线矩阵法的单元划分思想较为吻合;采用回传射线矩阵法计算一维周期结构结构的传输特性曲线,经过单元的划分与节点的定义,建立对偶坐标系,在单元范围内求解对应的相位关系矩阵;节点处,结合外力源向量,根据力平衡关系以及位移协调关系得出单元关系矩阵;通过引入转换矩阵以及对总体关系矩阵的组装,建立总体结构的回传波矩阵。在此基础上求解线性方程组,可以得出结构的位移和内力。计算一维等截面周期结构对于轴向波的传输特性,并且与有限元分析法进行对比,验证该算法计算的正确性。     

水下可移动多弹气动发射系统设计与仿真分析

针对水下可移动多弹气动发射的研究需求,对水下可移动多弹气动发射系统进行了整体设计,重点研究了弹丸的气动发射技术,建立了水下可移动多弹气动发射结构模型。通过对发射单元的有限元分析,发现发射筒与分割气室上下接触面的应变和变形量最大,但最大应变和变形量数值较小,3个发射筒往中心微偏,对发射过程没有影响。最后进行了试验研究,通过分析图片中弹丸的移动距离,绘制了水下弹丸发射的位移-时间曲线和速度-时间曲线,验证了多弹发射系统设计的可行性及可靠性,对水下发射过程中的空化现象、多弹干扰技术、水下弹道控制以及流场显示等方面的研究有重要的意义。     

结合柔度矩阵的内燃机滑动轴承弹流计算分析

介绍了结合柔度矩阵的轴承弹流分析流程,并针对某直列四缸柴油机连杆大头轴承,应用轴承设计软件OR-B IT结合有限元软件生成的柔度矩阵进行了弹流润滑计算分析。结果表明,结合柔度矩阵的轴承弹流润滑设计方法是解决复杂轴承结构设计的有效方法。     

基于子模型的大型复合材料飞机结构屈曲稳定性数值分析及优化技术研究

随着计算机科学和有限元技术的发展,屈曲稳定性问题有限元数值求解技术已经比较成熟,但是在大型复杂结构工程应用中还是由于计算量大、收敛困难而受到限制,特别是在需要反复迭代计算的优化过程中,更是受到该问题的困扰.针对某大型复合材料机翼结构的考虑稳定性约束条件的优化问题,提取其典型盒段进行分析技术验证,研究计算效率和精度对于单元尺寸的要求.取误差限为1%,位移计算模型单元尺寸要求为150mm,而屈曲临界载荷系数计算模型单元尺寸要求为10mm.采用150mm的单元尺寸建立全结构模型进行位移求解,将位移计算结果应用于采用单元尺寸10mm建立的危险部位子模型进行稳定性求解,完成某复合材料机翼结构打样阶段优化设计,结构总质量较初始设计减轻24%,在满足精度要求的同时,计算效率显著提高.     

工程迭代设计中产品族开发过程的研究与建模

为了在工程迭代设计中减少新产品开发的提前期,提出了一种基于设计结构矩阵的产品族开发过程模型.在该模型中,基于设计参数间的依赖关系建立设计结构矩阵,并运用路径搜索算法将其整理为包含耦合子矩阵的解耦矩阵.对于其中的耦合子矩阵,运用基于马尔可夫链的串行迭代模型计算设计总时间,并运用基因算法优化排序.运用迭代设计的并行模型识别出对耦合关系贡献大的设计模态和设计参数,根据设计模态模块化设计参数,而对耦合关系贡献小的设计参数进行标准化.最后,将设计参数层的标准化和模块化映射到零件层,建立相应的产品族结构,以汽车离合器的设计为例阐述了该过程模型的有效性和应用前景.     

基于功能—元件矩阵和设计结构矩阵的设计方案生成方法

针对概念设计阶段缺乏程式化的辅助计算工具,提出一种设计方案生成方法。分析了能量流在元功能间的传递过程,建立了功能模型。用功能基描述功能,定义了功能关联矩阵、功能—元件矩阵和设计结构矩阵。通过将功能—元件矩阵中行向量相乘得到元件—元件矩阵,并将其插入功能关联矩阵,得到设计方案矩阵。用设计结构矩阵与设计方案矩阵相＂与＂,过滤冗余设计方案,求得既满足功能要求又满足物理结构的设计方案。通过某载物平台传动机构实例,验证了该方法的有效性。     

微扑翼机的翼面形状对其气动特性的影响及样机制作

以仿生微扑翼飞行器为研究背景,研究低雷诺数流动中翼的翼面形状对其气动特性的影响并进行了微扑翼飞行器样机的制作。基于CFD数值计算分析了矩形翼、半椭圆翼、齐默曼翼、反齐默曼翼这四种翼面形状对其气动特性的影响。应用人工压缩性方法求解不可压Navier-Stokes方程,湍流模型采用湍流转捩模型,且给出了数值算法与实验数据的对比验证。研究结果表明:在飞行器扑翼运动过程中,半椭圆翼具有相对较好的气动特性,矩形翼的气动特性相对较差,齐默曼翼和反齐默曼翼的气动特性介于二者之间。根据数值计算的结果,采用半椭圆翼作为翼的翼面形状进行了样机的制作,并进行了试飞试验,试验表明样机飞行状况良好。     

3-(2SPS)并联机构静刚度分析

结合并联机构的位移方程,给出了机构的三阶逆雅可比矩阵以及考虑微小运动时的六阶逆雅可比矩阵.从动平台所受作用力和发生位移的关系角度,建立了刚度模型,并给出了机构静刚度的度量指标.通过相关计算分析了机构的主要结构参数对刚度的影响,以及机构在工作空间的刚度情况.通过对绘制的相关曲线图进行分析,评定了机构参数的影响范围,优化了部分参数,并为机构的精度分析提供了理论基础.     

基于设计结构矩阵变更的设计过程动态规划

在分析传统设计结构矩阵的基础上,将设计结构矩阵扩展为动态设计结构矩阵和静态设计结构矩阵,动态设计结构矩阵连接了设计过程,静态设计结构矩阵用于设计过程的规划,通过映射来实现两者的连接.设计活动改变时,变更动态设计结构矩阵并映射到静态设计结构矩阵,对静态设计结构矩阵进行重构得到设计活动优化的执行序列并实现其动态规划.以某天文望远镜的关键部件设计过程为例,说明了该方法的可行性和实用性.     

用转置矩阵求解静不定桁架的内力

证明了内力转换矩阵与位移转换矩阵是互为转置矩阵,并利用转置矩阵研究了静不定杆系的内力求解问题.由于杆系内力矩阵与位移矩阵是互为转置矩阵,可以方便地得到静不定杆系的变形协调条件.当静不定杆系内、外力平衡关系较容易确定,而其变形协调条件难以确定时,采用转置矩阵可以很方便地求得静不定杆系的内力,其计算过程简洁、清晰、明了.     

柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。