直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅰ)——灵敏度分析技术研究

基于旋翼气弹动力学模型以及摄动法的灵敏度分析和直接解析的链式规则灵敏度分析相结合技术,推导了直升机旋翼气弹动力学的气弹稳定性、模态频率、自转惯量、桨叶质量、桨叶动应力等参数的灵敏度计算过程。通过算例计算结果表明:使用灵敏度分析方法与直接优化相比,实现动应力减少1.2%,质量减少0.84%,优化时间缩短2.73倍;该灵敏度分析技术对于直升机旋翼气弹动力学优化设计收敛的速度和优化结果效果明显。     

无轴承旋翼气弹动力学多目标减振优化

提出了无轴承旋翼柔性梁及扭管处的等效匹配处理方法,建立了无轴承旋翼的优化设计模型,采用混合法的灵敏度分析技术、Kriging的代理模型及改进遗传模拟退火算法的优化策略对某型无轴承旋翼进行了减振的气弹动力学多目标优化。结果表明:其桨毂谐波振动载荷与优化前相比,径向力、横向力、垂直力分别降低了24.2%、19.5%、15.8%;滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩分别降低了21.4%、20.8%、20.9%;3/转变距拉杆拉力、4/转变距拉杆拉力、5/转变距拉杆拉力分别降低了11.6%、18.4%、8.1%。表明本文方法减振效果明显。     

直升机旋翼／机身耦合系统的气弹响应分析：（一）旋翼系统的建模

本文对旋翼考虑不同的耦合层次，及诸因素的各项贡献，建立其耦合模型。应用Ｈａｍｉｌｔｏｎ变分原理建立旋翼系统的运动方程。     

直升机旋翼／机身耦合系统的气弹响应分析（二）方程的求解

在文（一）得到的直升机旋翼系统运动方程的基础上,运用动态子结构的方法对旋翼系统和机身作为相对独立的部分进行分析,通过界布的力平衡和几何协调将子系统耦合系统整体系统,用分割－迭代法求解直至旋翼系统和机身的响应同时收敛到精度要求,并研制相应的计算程序,给出了工程算例。     

直升机不平衡旋翼动力学建模与轴心运动轨迹分析方法研究

研究了Johnson提出的倾转旋翼不平衡载荷前飞动力学模型,将其桨叶分析方法应用于直升机旋翼系统模态分析。在刚性条件假设下推导了直升机旋翼弹性阻尼和惯性力综合作用时桨叶的挥舞和摆振运动方程,给出了固定和旋转坐标系下对应的运动方程。通过引入均匀入流和线性扭转假设,获得了运动方程的理论解析解。利用叠加原理,得到了桨毂轴心运动方程;采用Newmark法进行振动微分方程求解,最终得到了直升机旋翼的轴心运动轨迹。以某型直升机旋翼系统为例,验证了本研究所提出旋翼桨叶模态分析方法的准确性,给出了兼顾计算精度和效率的最佳求解步长选取方法;预测了典型飞行状态下的桨毂轴心运动轨迹,为直升机旋翼系统设计提供了基础方法和技术参考。     

基于多目标优化NSGA2改进算法的结构动力学模型确认

传统结构动力学模型确认方法通常采用单目标优化,存在精度不足和稳定性差等缺点,难以满足实际工程需求。基于此,提出一种采用神经网络作为代理模型,建立以马氏距离和鲁棒性为不确定性量化指标的多目标优化模型,并将NSGA2多目标进化算法用于求解。针对NSGA2存在无法有效识别伪非支配解、计算效率低和解集质量较差等设计缺陷,提出一种基于支配强度的NSGA2改进算法INSGA2-DS。INSGA2-DS将支配强度引入非支配排序,采用新型拥挤距离公式和自适应精英保留策略,以提高收敛效率和解集质量。GARTEUR飞机算例的仿真结果表明,INSGA2-DS求解复杂工程问题时具有更好的收敛性和分布性,而考虑鲁棒性的结构动力学模型确认方法可以获得同时满足多种目标要求的Pareto解集,提高了模型确认的精度和稳定性。     

传热结构的多目标拓扑优化设计研究

深入分析了传热结构多目标拓扑优化设计中的几个关键问题。提出了基于结构柔度最小化和结构散热弱度最小化的多目标拓扑优化设计方法,建立了传热结构的多目标拓扑优化设计模型,推导了传热结构多目标拓扑优化中用于迭代分析求解的优化准则算法和敏度分析方程。通过数值计算验证了理论和算法的有效性。     

基于多目标优化策略的结构可靠性稳健设计

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将结构可靠性稳健优化设计转化为多目标优化问题。运用灰色理论中的关联分析法,选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出了灰色粒子群算法求解可靠性稳健优化设计问题。与传统方法相比,该方法简便易行并能迅速准确地得到结构可靠性稳健优化设计信息。     

基于改进粒子群算法的翼型多目标优化研究

在多目标优化研究中,为改善多目标粒子群算法的局部搜索能力,以标准粒子群算法为基础,引入单点模拟退火算法,局部进化最优个体,采用基于目标向量的共享函数法评价适应值.标准测试函数优化实例表明:本文算法比标准粒子群算法具有更好的收敛稳定性和收敛速度,收敛速度提高了近50%;针对某翼型的气动优化设计结果表明:改进算法有效缩短了优化时间,迭代代数由61减为49,调用CFD由4880减为4250次;阻力系数、升力系数、低头力矩系数分别改进了9.23%、0.42%、16.4%,取得了较好的优化效果.     

基于区间的不确定多目标优化方法研究

基于非线性区间优化,提出了一种不确定多目标优化方法.基于区间序关系和区间可能度,把不确定多目标的目标函数和约束转化为确定性的目标函数和确定性的约束.对于复杂的工程优化问题,为了提高效率,采用拉丁方试验设计方法,构建响应面近似模型,并基于近似模型进行不确定多目标优化,从而形成了非线性区间优化方法与近似模型相结合的高效不确定多目标优化方法.数值算例表明了该方法的有效性和工程实用性.     

珩磨缸套表面粗糙度预测及多目标优化研究

为了对粗珩阶段缸套内孔表面粗糙度Rk粗糙度集中的Rk、Rpk和Rvk进行预测,进而对粗珩加工参数进行优化,以珩磨压力(P)、珩磨头旋转速度(VR)和往复速度(VRe)为决定因素,Rk粗糙度集为目标响应,进行多目标优化.建立基于广义回归神经网络(Generalized regression neural network, GRNN)与响应曲面法(Response surface methodology,RSM)的粗糙度预测模型,并采用三因素三水平的全因子珩磨试验进行验证,结果表明所建立模型的预测结果与试验结果具有很好的一致性. GRNN预测模型决定系数R²的均值为0.959,RSM多元回归预测模型决定系数R²的均值为0.963,与RSM所建立的多元回归预测模型相比,GRNN预测模型在预测Rk和Rpk时,预测精度更高,预测误差更小,R²分别提高了0.025和0.020,在预测Rvk时RSM多元回归模型更优,R²提高了0.057.进一步结合响应曲面法分析了3个决定因素对粗糙度的影响显著性并进行了排序,对于...     

演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

多毛细管稳定喷洒电雾化特征研究(一)——实验设备设计及粒径测量方法

主要对多毛细管电雾化装置开展了数值模拟和实验研究.根据线性排列单排管道电雾化现象及相应静电场的数值分析结果,初步分析了多管道条件下电场强度分布对稳定雾化的影响.进一步根据以上结果,对单排管道进行优化设计,并推广到双排电雾化毛细管.通过采用这些设计,获得了稳定的多管道电雾化射流,且雾化模式稳定可靠,可重复性较高.在此基础...