运载火箭六自由度仿真平台搭建与应用

研究运载火箭六自由度仿真系统设计问题,在传统火箭六自由度仿真平台设计中常以特定任务为导向,造成仿真系统碎片化严重,扩展重用性不足.同时,数值仿真与视景仿真的交互中存在实时驱动的问题.针对上述问题,采用面向对象的模块化设计方法,建立了运载火箭六自由度仿真模型,给出了三层结构的通用仿真框架.设计了仿真消息管理器,较好地解决了数值仿真与视景仿真的集成并保证了系统的实时性.仿真结果验证了模型建立的准确性以及仿真平台的可靠性和稳定性.仿真结果对于运载火箭设计和性能评估系统的建立有着良好的借鉴意义.     

热环境下复合材料壁板的非线性颤振特性分析

复合材料因其优异的性能已被广泛应用于飞行器的结构中。在高超声速飞行时,由于非定常气动载荷和热效应的共同作用,飞行器复合材料壁板会出现屈曲及非线性颤振现象。本文基于均匀温度场建立了考虑热效应的复合材料薄壁结构的非线性有限元模型,结合气动-结构二阶松耦合算法,针对复合材料壁板在Ma_∞=5时的非线性气动弹性响应进行分析,探讨了复合材料铺层方向、温度载荷等对壁板颤振特性的影响。结果表明,壁板响应受到温度载荷、铺层方向及来流动压等多方面的影响。斜交壁板的颤振动压高于正交壁板颤振动压(增量大于55%);随着温度载荷的增大,壁板颤振动压会下降,最大降幅约为动压的80%。当出现热屈曲时,颤振动压又会缓慢增大;当温度超过结构的临界屈曲温度时,壁板在亚临界条件下会出现多个屈曲位置,随着动压的变化而发生转变。     

导弹异形卷弧翼安装选型

为在空中发射武器外形设计中引入异形卷弧翼,将其作为导弹主升力面,研究其相对于弹身的安装选型问题．模型设计采用1对异形卷弧翼,并将其沿弹体纵向平面对称布置．定义异形卷弧翼相对于弹身的安装位置角和安装偏角参数,选取2组计算模型,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）仿真计算评估这2个角度的变化对异形卷弧翼-弹身组合体纵向超音速气动参数的影响,得到组合体升力因数、阻力因数以及升阻比随2个角度参数变化而变化的规律．结果表明,在设计任务中,当安装位置角等于120°,安装偏角等于-10°时,组合体的升力因数和升阻比达到最大值．该方法可以改善导弹的升力特性,提高导弹的升阻比,使导弹获得更好的飞行性能．     

基于CFD/CSD耦合算法的机翼颤振分析

用计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合算法对标准气动弹性模型AGARD445.6机翼作了颤振分析,主要研究机翼的跨音速颤振求解问题.采用常体积转换法(CVT)进行流体与结构之间的数据交换并运用松耦合方法对气动弹性方程进行时域推进仿真.计算机翼在Ma=0.499～1.072的颤振边界,并将计算结果同偶极子格网法(DLM)的计算结果与试验结果比较,结果显示CFD/CSD耦合计算结果较DLM计算结果更接近于试验值,尤其是在非线性强的跨音速区域.可见,CFD/CSD耦合计算比DLM具有很大的优越性.     

基于径向基函数的高效网格变形算法研究

在流固耦合时域仿真与气动外形优化中,网格变形技术得到了普遍应用。基于径向基函数的网格变形技术以其诸多优良的特性,在近年来得到了广泛的关注。其基本原理是采用物面网格节点的位移构造一个径向基函数序列,再利用此序列将物面的位移光滑的插值到空间网格上。其计算耗时与物面插值节点数与空间等插值节点数的乘积成正比,为了减少其计算量,目前多数文献集中于使用数据精简算法减少物面插值节点数。本文通过引入子空间逐级逼近思想,构造了一种精简空间待插值节点数的方案,该方案主要思想是采用多次插值,每一次插值的对象为上一次插值在物面产生的误差,并且通过限制每一次插值的插值区域来实现减缩空间节点的目的。计算结果表明此方案可以支持大变形运动,同时显著的减少了计算时间。     

基于CR理论的近似能量守恒算法在壳元中的应用

研究了壳单元几何非线性下的结构动态响应高精度计算方法。基于CR理论,针对薄壁结构的几何非线性问题,将空间旋转矢量参数化,推导和简化了三维壳单元的切线刚度矩阵和单元内力的求解格式。针对结构非线性的动态响应分析,引入中间时间步的预估-校正的流程,发展了一种基于CR理论的近似能量守恒算法。通过一柱段静力分析验证了所推导公式的计算精度,通过非线性动态响应的算例仿真,与传统非线性Newmark方法相比在处理强非线性问题时稳定性和计算精度有了明显提高。     

跨音速流中壁板流固耦合效应的形态演化分析

高速飞行器部件多采用轻质薄壁加筋结构,当飞行器长时间跨音速或低超音速飞行时,这种薄壁结构在非定常气动载荷的作用下会表现出强非线性的流固耦合特征,其中激波运动、边界层效应、流动分离等流场非线性与几何大变形等结构非线性相互耦合作用会使壁板产生失稳行为,引起结构疲劳或损毁。该文基于CFD/CSD耦合数值模拟技术,预测和判别壁板在跨音速气流中随马赫数变化过程中响应形态,发现在跨音速区内会出现明显的单模态颤振形式。随马赫数的增大,其形态演化次序为稳态收敛、第一模态极限环振荡、屈曲、稳态收敛、跨音速颤振、非共振型极限环振荡、共振型极限环振荡、高频周期振荡、高频非周期振荡、第一模态极限环振荡到稳态收敛的过程。当壁板厚度增加、来流密度减小,演化形态会发生变化。同时,当考虑非定常加速效应和粘性效应后,会出现一定的延迟和阻尼效应,对高频非周期振荡起到抑制作用,这对于降低结构的疲劳损伤有积极效果。