一种复合材料旋翼桨叶结构大变形分析方法的改进及验证

提出了一种适用于直升机旋翼复合材料桨叶大变形分析的改进方法。将旋翼桨叶变形分析分解为一维非线性分析和二维剖面特性分析,并考虑横向剪切、翘曲对剖面刚度及弹性耦合的影响;为使方法适用于旋翼气动弹性分析,将应变能中的广义应变用参考轴线处的弹性运动表示,保留所有非线性项,推导出计算复合材料桨叶大变形的公式;采用有限元法处理方程,对梁结构进行了分析,并将大变形状态下的位移计算结果与Princeton梁实验值、Minguet复合材料梁实验值以及中等变形梁理论计算结果进行了比较,验证了大变形状态下本文计算方法的正确性;此外与中等变形梁模型计算结果的对比,验证了本文方法在计算精度上的提高。     

近床面水平圆柱局部冲刷二维数值模拟

为研究近床面水平圆柱的局部冲刷问题,基于N-S方程和有限体积法,在FLUENT中通过二次开发建立了局部冲刷二维数值模型。模型采用标准κ-ε紊流模型来计算水平圆柱周围的流场,同时借助FLUENT软件中的自定义函数功能提取床面剪应力参数来计算该时刻的推移质输沙率及床面节点位移变化值,然后运用动网格技术来模拟床面地形的变化,通过物理模型试验来进行模型验证。结果表明,计算结果与试验结果基本一致,从而证实了冲刷模型的准确性。     

一种复合材料桨叶气动弹性优化设计方法

考虑到直升机旋翼流场的复杂性,准确的气动力计算需要采用计算流体力学(CFD)方法,而旋翼桨叶由于展弦比较大,几何非线性效应突出,采用计算流体力学和有限元分析(CFD-FEA)方法实现桨叶的单次双向流固耦合分析就需要大量的时间,对优化设计而言,计算量难以承受。针对CFD/FEA耦合计算气动弹性特性的精度和高效性问题,通过PCA提取耦合系统的特征,基于径向基(RBF)神经网络建立气动力降阶模型,代替CFD求解器用于旋翼桨叶的气动弹性分析。将其计算结果与CFD/FEA耦合计算结果进行了对比。研究结果表明,该降阶模型是可行、高效、精确的,可以快速准确地进行复合材料直升机桨叶气动弹性优化设计研究。     

基于MRF模型的旋翼桨叶气动特性分析与试验

多旋翼飞行器主要由旋翼桨叶为其提供拉力。在旋翼桨叶设计阶段,能准确地预测出桨叶的效率、拉力、功率和扭矩等性能参数是十分必要的。本文采用基于MRF模型的CFD数值分析,对直径为735mm、梢部桨叶角为7°、根部桨距角为22°的木质旋翼桨叶进行气动特性分析。在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段测量了风速为零时该旋翼桨叶的气动性能数据,包括:拉力、扭矩、功率、拉力功率比。试验结果与基于MRF模型的数值模拟方法结果有较好的一致性,证明了本文采用基于MRF模型的CFD数值模拟方法研究桨叶气动特性的正确性和实用性。     

基于ANSYS二次开发进行黏弹性结构动力学分析

弹性-黏弹性复合结构目前在结构减振方面应用很广泛,但是现有的有限元分析软件系统尚不能有效地计算这种复合结构．因此对ANSYS进行二次开发,利用ANSYS进行前处理与建模,再利用外挂程序进行模态计算,最后将结果返回ANSYS进行后处理．将理论计算结果与实验结果进行比较,说明这种方法是可行的,计算精度满足要求．在此基础上,还对一体化有限元模型进行了修正,也取得了令人满意的结果．     

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明：在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.     

钢柱抗爆响应分析单自由度模型适用性评估

为评估单自由度(SDOF)模型在结构抗爆设计中的适用性,分别采用SDOF模型和通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对简支钢柱承受爆炸荷载时的动力响应进行模拟;对比二者计算结果,并以有限元模拟为准,分析SDOF模型的适用范围。研究表明:可按照自由振动阶段SDOF模型位移结果的振幅大小,将其位移响应划分为有限变形阶段、临界阶段、失稳破坏阶段,有限变形阶段SDOF模型与有限元结果基本一致;截面高宽比、翼缘宽厚比对钢柱动力破坏形式有重要影响,高宽比越大、翼缘的宽厚比越小,越容易发生平面外弯扭失稳;在SDOF模型中通过假定塑性铰分布长度计算塑性阶段应变及应变率,采用随时间变化的应变率计算Cowper-Symonds本构关系中的应力放大系数是可行的。     

粗纤维压电复合材料(MFC)对旋翼桨叶模型扭转控制的实验及数值研究

对直升机旋翼桨叶进行主动扭转控制是直升机减振主动控制技术中的有效方法之一.本文采用粗纤维压电复合材料(MFC)对旋翼模型进行了扭转控制的实验研究,并建立该结构的有限元模型,将数值结果与实验结果进行了对比分析.实验中,我们采用预扭的悬臂梁模拟旋翼桨叶,在其上表面贴有MFC压电片进行作动.测量得到了不同作动电压下结构的扭转变形,与数值结果进行对比,两者具有很好的一致性.实验及数值结果表明,随着作动电压的增大,结构的扭转角呈线性增加;MFC材料各向异性系数增大,梁的扭转角亦相应增加,采用MFC材料对旋翼进行扭转控制是行之有效的.     

液压环境下流体对管柱单元XYZ方向作用力分析

通过对液压环境(即静流体作用)下的管柱进行离散分析,说明了现有模型在分析静流体对管柱单元作用力时的不足。采用微元法结合高斯公式对静流体下管柱单元的受力进行了分析,运用先补全,再减去所补面积的等效方法,得到了静流体对管柱单元侧面产生的作用力的理论计算方法。建立了液压环境下,静流体对任意管柱单元(直线单元或曲线单元)X、Y、Z方向作用力和浮力系数的理论计算模型。基于相关理论计算模型,结合ANSYS有限元进行模拟计算,得出了在水深300m~3000m处,30°和90°等曲率圆弧管柱的X、Y、Z方向作用力的理论计算结果与ANSYS模拟分析结果。相关结果对比表明:ANSYS有限元计算结果与理论计算结果间最大的绝对误差不足0.4%,验证了本文建立的理论计算模型的正确性。     

基于砼SHPB试验数值分析的HJC模型参数研究

为了研究混凝土HJC本构模型的参数取值及其参数对混凝土动态性能的影响,本文基于HJC模型原始参数,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对混凝土SHPB试验进行了数值模拟,结果显示数值计算结果与试验结果存在一定的差异。据此根据模型中参数的物理意义确定出可能影响混凝土动态性能的关键参数,通过保持其他参数不变、改变关键参数的方法对混凝土SHPB试验进行数值分析,得到了各关键参数对混凝土动态性能的影响规律,并基于该分析结果对HJC模型的原始参数进行了修正。数值模拟结果表明,采用本文修正参数的计算结果与试验结果吻合良好,能较准确地反映混凝土的动态性能。     

模态修型减振的旋翼桨毂谐波振动载荷计算

基于模态修型的方法推导了直升机旋翼桨叶根部剪力的计算公式,通过合成桨叶根部载荷推导了旋翼桨毂的谐波振动载荷公式。将本文建立的桨毂谐波载荷计算模型与商用软件CAMRAD计算出的结果进行对比,结果表明:本文所建立模型的旋翼计算频率与CAMRAD计算的频率相比,基阶频率计算误差在2%以内,前十阶频率误差都在8%以内;与已有文献试验测试的桨毂谐波振动载荷相比最大误差在25%以内。说明了本文建立的旋翼桨毂谐波振动载荷计算模型具有可行性和有效性。     

一种新型均匀扩散器流场的数值模拟

异性纤维检出设备中扩散器内部流场的情况,直接影响着落棉率和整个清除系统的工作效率.本文用计算流体力学软件FLUENT对新型均匀扩散器的流场进行数值模拟,通过改进扩散器的结构参数,实现流场的均匀和稳定,进而提高整个系统纤维检出设备的清除效率.之后对计算结果进行分析,提出了两种经过结构优化的改进模型,并分析了其内部流场.     

对矩形截面杆弹性自由扭转的探讨

利用柱体扭转问题的经典弹性力学解析解，结合自编电算程序绘制了沿截面控制线 上剪应力的分布图,同时利用ANSYS有限元分析软件模拟了等直矩形截面杆的自由扭 转问题. 将各种材料力学教材中的截面剪应力分布图与准确计算结果进行了比较，并 对截面剪应力分布规律进行了总结.     

拱脚结构的模型实验与有限元分析

本文应用环氧树脂材料浇铸成某大跨度桥梁预应力拱脚模型,采用精密铸造成型方法做出模型中的四条索道孔。用自行研制的传感器施加四条模拟钢索的索力,通过专门设计的加载装置,使用精确的滑轮导向,在5个截面上分别施加剪力Q、弯矩M和轴力N,并考虑自重载荷,进行了电测模型实验。应用ANSYS软件对拱脚实际结构进行了有限元分析,根据模型实验时索与索道孔壁的接触情况建立了力的边界条件,使有限元计算与真实情况接近,计算误差大为减小。同时将实验与有限元分析结果进行了比较,变化规律一致,数值较为接近。对拱脚的优化设计提供了重要的参考依据。     

基于运动嵌套网格的前飞旋翼桨叶气动干扰数值模拟

采用运动嵌套网格和求解Navier-Stokes方程的方法,数值模拟了前飞状态的旋翼流场,结果同试验数据吻合得很好;在此基础上,分别对单双桨叶旋翼在两种桨距情况下的前飞流场,进行了对比计算,模拟了各种因素对旋翼桨叶间气动干扰作用的影响,并对其机理进行了探讨,得到一些与工程实际吻合的现象和结论.     

涡轮叶片蠕变全过程的修正Graham模型的参数识别

针对定向凝固镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片,从涡轮叶片典型部位取材并设计制造模拟试件,在980℃下不同应力水平下进行单轴蠕变试验。对试验数据进行了唯象学的数学描述,并对ANSYS有限元分析软件中Graham蠕变模型进行了修正,使修正后的模型能够比较精确地描述单轴蠕变的全过程。并应用修正Graham模型对试验过程进行数值模拟,研究表明ANSYS有限元模拟蠕变的结果和试验数据吻合较好。这说明了修正Graham模型模拟单轴蠕变过程的合理性,该模型在一定程度上为ANSYS在金属材料蠕变分析方面的二次开发提供了理论基础。     

组合杂交法与ANSYS软件计算精度比较研究

为探索8节点六面体组合杂交元方法(CHH(0-1))的计算效率和精度, 并正确认识ANSYS 软件计算结果的可靠性, 本文以板弯曲模型为例, 分别用CHH(0-1)元、ANSYS软件中的8节 点brick元、20节点brick元对该模型进行求解．经过对位移及应力计算结果的比较分析, 得知ANSYS软件中的8节点brick元实际是Wilson brick元, 当网格规则时位移计算结果可靠, 但应力计算结果精度差, 20节点brick元计算 非常耗时, 应力计算精度也不高, 而CHH(0-1)元用较少的计算量便可得到高精度的位移、应 力计算结果．     

湍流模型对空泡形态影响的数值研究

为研究湍流模型对空泡尾部气体泄漏方式和空泡外形的影响,基于 FLUENT6.2的 VOF 多相流模型,对考虑重力作用下的三维通气空泡流进行了数值计算,比较了大涡模拟 LES 和 RNG k-ε两种湍流模型下的空泡形态和模型表面压力系数分布。结果显示,RNG k-ε模型计算的空泡内压力较大,空泡长度更长,而 LES 的瞬态计算结果更符合通气空泡的特性,相对而言更适用于通气空泡流的模拟。     

弹性波在螺栓搭接结构中传播行为的数值模拟

为了建立有效的基于弹性波的螺栓连接损伤检测方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为至关重要。本文针对典型单螺栓搭接薄梁,采用非线性多物理场耦合有限元仿真方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为。采用ANSYS中压电耦合单元建模MFC压电传感器,非线性接触单元建模螺栓连接结构,将接触面之间考虑为考虑摩擦接触的非线性关系。依次对螺栓施加预紧载荷,对结构施加模拟电压激励,进行非线性瞬态波传播分析。同时,本文对仿真结果进行了实验验证。结果表明,本文建立的有限元模型和分析方法能够有效地模拟弹性波在连接结构中的传播过程,数值预测的响应电压和实验结果吻合较好。针对非线性模型计算耗费大的问题,本文对非线性模型进行了线性化改进。具体为采用准静态接触有限元分析确定对接面有效接触面积的大小,然后将接触面积上对应节点绑定,进行线性瞬态波传播分析。结果表明:本文的线性方法能够有效模拟波传播过程,并能有效降低计算耗费;弹性波在连接梁中传播时,经过连接界面和螺栓位置时,传播路径、波形、幅值都发生了较大的变化。     

自然通风冷却塔的实验及有限元分析

本文以宁海电厂二期冷却塔为例简要介绍了冷却塔进行刚性模型及气弹模型试验的情况,用通用有限元软件ANSYS及专用冷却塔抗震分析软件LBSD进行冷却塔内力分析、稳定性分析、抗震分析,用刚性模型试验结果计算风振系数,并将计算结果与气弹模型试验的结果进行比较,所得结果对相关冷却塔设计与安全评估有重要工程意义.