基于Simulink和FlightGear软件的机载惯性测量单元仿真

包含动力学和运动学特性的机载IMU数据对于飞行对准等惯性系统算法研究具有重要意义。基于人在回路仿真的思想,设计了一种可包含完整飞机模型,不需要设计特定的自动驾驶仪,来实现任意机动下机载惯性测量单元仿真的方案。给出了惯性测量单元仿真模型,设计了基于Simulink、AeroSim模块集及FlightGear模拟飞行软件的新方案,实现了一个机载惯性测量单元的仿真模型,该模型采用飞行摇杆,由人实现对飞机的控制和机动飞行。仿真结果表明,采用该仿真方案,避免了复杂的自动驾驶仪设计,可以得到机动飞行条件下的机载惯性测量单元仿真数据和导航参数基准数据,方案切实可行。     

水陆两栖飞机尾翼抗鸟撞设计与验证方法研究

为确保水陆两栖飞机尾翼结构的抗鸟撞性能,针对其不同结构部位提出不同的抗鸟撞设计思路。耦合SPH方法建立了尾翼结构的鸟撞数值模型,采用实验方法获得了结构铝合金材料的准静态和中低应变率拉伸实验数据以及不同冲击速度下带母材铆钉的极限拉伸载荷和极限剪切载荷数据。进一步开展了尾翼结构抗鸟撞分析,并通过鸟撞实验对数值分析结果进行验证。结果表明,针对水陆两栖飞机尾翼前缘结构提出的两种抗鸟撞设计思路合理,且具有较好的抗鸟撞性能;结构采用的3种铝合金存在较为明显的应变硬化效应,但应变率敏感性较弱;随着加载速度的增大,结构采用的4种铆钉拉伸载荷呈下降趋势,但总体幅度并不大,而剪切载荷变动较小;建立的尾翼结构鸟撞数值分析模型准确,较好预测了结构的破坏模式和鸟体冲击分散过程。     

变后掠飞机在变后掠过程中的亚音速动态响应

本文提出了一套完整的变后掠飞机在变后掠过程中从气动力直至航迹计算的动态响应的数值求解方法。在气动力计算中,使用有限基本解方法分别计算了飞机在变后掠过程中的准定常气动力和非定常气动力;在推导飞行力学方程时,使用变组或结构的质点系动力学建立了一组完整的体轴系方程。本文的最大特点是采用“时间历程法”紧密地进行气动力和飞机响应量的交义求解,从而得到飞机在整个变后掠过程中的所有气动力和飞行力学参数。使用本文提出的方法,可圆满地分析和研究飞机作变后掠飞行的全过程和变后掠各因数对飞机响应量的影响。本文最后给出了算例和响应分析,这些结果,对研究变后掠飞机的飞行稳定性、机动性和低空变后掠的安全性是十分有用的。     

基于飞行仿真的捷联惯导算法测试平台

针对捷联惯导算法测试中真实飞行轨迹数据难以获得的问题,建立了一种基于飞行仿真的捷联惯导算法测试平台.首先构建了测试平台的系统结构,在建立六自由度非线性飞机数学模型基础上,采用Stateflow实现了预定航迹多模态的飞行仿真,并通过坐标变换将飞行参数转换为测试基准轨迹数据;然后根据捷联惯导系统原理,由测试基准轨迹参数推导出陀螺仪和加速度计的理想输出,并对其误差进行建模,由此获得惯性组件的模拟输出数据;最后通过两种不同的姿态更新算法进行惯导解算并比较.仿真实验结果表明:产生的测试基准数据符合飞行力学的特点,很好地反映了飞机的动态特性,可以有效地评估不同捷联惯导算法的性能.     

复合材料垂尾受热应变激增问题分析

为了解决复合材料垂尾在无机动时应变电桥出现应变激增的问题,本文建立了一种采用应变法测量复合材料翼面结构飞行载荷的物理模型,井进行定性验证试验.理论分析和试验结果表明,垂尾单侧翼面受热时,2个弯矩电桥应变急剧变大(应变值分别为175.24和254.15),而2个剪力电桥的变化很小(应变值分别为13.52和3.83),其根...     

环境激励下结构振动效应预测方法研究

环境激励下结构振动效应的预测对于工程的安全防护至关重要.提出了一个预测潜在环境激励下结构振动效应的理论模型与现场实测相结合的综合预测方法.沿着地震波的传播路径,可将预测方法分为两个阶段,从震源至结构地基,结构地基至结构内部.首先采用修正的Anderson模型预测结构地基振动效应;然后,预测结构对地基振动的响应.根据所需预测的结果分别采用三种方法:传递函数法、振型分解反应谱法与时程分析法.开发了预测模型的Fortran程序.通过现场实验对预测方法进行验证,结果表明:预测结果与实测结果吻合较好.     

基于循环神经网络的海冰弯曲强度预测分析

海冰弯曲强度是确定锥体海洋平台、船舶和港口码头等斜面工程结构冰载荷的重要参数，是海冰力学性质的主要研究内容。本文首先对2009—2010年的渤海海冰三点弯曲试验数据进行总结，分析了温度、盐度、密度及孔隙率对海冰弯曲强度的影响。基于现场试验数据建立了海冰弯曲强度的循环神经网络（recurrent neural network,RNN）预测模型，并采用随机梯度下降法和Adam优化算法对RNN预测模型进行了优化。本预测模型将海冰温度、盐度、加载速率和密度等参数作为输入，将海冰弯曲强度作为输出。在建模过程中，数据被随机排序和归一化处理，并采用评价指标评估其模型的准确性，对RNN预测模型进行优化。将RNN模型对海冰弯曲强度的预测结果与试验经验公式结果进行了对比。预测结果表明，RNN模型对海冰弯曲强度的预测精度显著优于试验经验公式分析结果。该预测模型能有效解决海冰弯曲强度与其影响因素间的复杂的非线性关系，可为海洋工程结构的抗冰设计提供参考依据。     

大迎角气动力建模与失速/尾旋模态仿真

我国国军标规定教练机设计定型试飞必须完成大迎角失速/尾旋等科目。尾旋是飞机最复杂的飞行状态之一,在开展尾旋特性试飞之前通过数值模拟的方法获知飞机的尾旋模态特性,对于降低飞行试验风险有着重要的意义。本文根据风洞试验数据建立了某型教练机的大迎角气动力数学模型,通过人在环仿真试验,得到了典型尾旋模态的重要参数,并对设计部门推荐的尾旋改出方法进行了演示验证。仿真计算结果与模型自由飞试验数据取得了良好的一致性,为飞行试验的开展提供了可靠的参考依据。     

基于深基坑监测数据的土体小应变刚度参数优化分析

考虑土体小应变特性的HSS模型在深基坑的数值分析中得到较多的应用,但受试验条件的限制,其刚度参数往往不易获得。为对HSS模型的初始剪切模量G_0~(ref)、小应变参数r_(0.7)、三轴实验割线模量E_(50)~(ref)等三个刚度参数进行优化分析,以厦门市某一地铁深基坑工程为依托,基于施工过程的实测数据,提出一套简便易行的刚度参数优化方法。基于地表沉降和围护墙水平变形的实测数据,以修正后的极差和标准差为收敛指标,对深基坑的浅部开挖工况进行弹塑性位移反分析;然后对深部开挖工况继续进行优化分析,通过不同工况、不同断面的实测数据进行若干次参数优化,可将收敛误差控制到较小范围内;最后得出厦门地区代表性土层淤泥质土、粉质粘土、残积砂质粘性土的刚度优化参数,积累了土工参数的地区经验值。该方法不仅可用于刚度优化分析,也可用来预测深基坑开挖引起的周边环境风险。     

神经网络预测裂纹尖端约束效应

裂纹尖端约束效应的评估在结构完整性分析中十分重要.基于J-A2双参数弹塑性理论,用有限元对裂纹尖端应力、应变场进行数值模拟.研究用BP神经网络预测裂纹尖端的约束效应,采用单边缺口弯曲(SENB)试件韧带上三个点的应变值作为网络的输入数据,J-积分和约束参数A2作为输出,建立神经网络.实例数值结果表明,神经网络可以很好地模拟韧带上应变值和J-积分及约束参数A2之间的非线性关系,它可用于预测带裂纹构件裂纹尖端的约束效应.     

高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一, 但由于风洞实验模拟能力的限制, 风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别, 导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计. 以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强, 没有考虑到气动热的具体影响参数, 存在一定局限性, 难以外推应用于其他外形的飞行器. 为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题, 基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数, 并通过推导化简边界层近似解热流公式, 针对层流流态建立了气动热关联换算方法, 可以考虑当地边界层外缘参数的影响, 具有一定通用性. 在此基础上, 利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况, 并与飞行测量结果进行了比较, 外推预测结果与飞行测量结果符合较好, 表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.      

含广布腐蚀坑结构寿命评估方法

为了定量评估含广布腐蚀损伤老龄化飞机结构的剩余强度, 采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂 直于外界最大主应力方向进行投影处理, 使其转化为具有相同寿命的等效初始表面裂纹, 然 后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量, 建立并应用应力强度因子变化历程, 采用循环接循环的损伤累积方法对含广布等效表面裂纹 在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测. 预测结果为复杂环境中含广布腐蚀坑的飞机结构寿命 预测提供了参考.     

加权函数组合预测边坡变形模型的研究

边坡变形监测是边坡监测的主要内容之一,其变形预测问题是边坡工程中主要技术难题之一。考虑边坡位移变形预测模型的局限性,如神经网络预测方法需要大量的实测数据作为学习样本,灰色系统模型要求原始数据序列必须满足指数规律,且数据序列变化速度不能太快等。建立了边坡变形反向传播神经网络预测模型,同时给出了灰色GM(1,1)边坡预测模型。提出边坡的神经网络与灰色系统加权函数组合预测模型,采用动态规划解法,将原模型转化为多阶段决策问题,使组合预测误差的平方和最小,得到组合权重,这样得到的变形预测结果的精度将大大提高,弥补了单一方法的局限性,满足工程预测的需要。通过边坡实例加以验证,加权函数组合预测模型的预测结果精度有一定提高,能够与实际监测数据相吻合,达到准确预测的目的。     

软土地区工程性地面沉降预测的非等时距GM(1,1)模型

大规模城市建设诱发的工程性地面沉降已成为上海软土地区地面沉降新的制约因素。本文针对上海地区工程性地面沉降特点,运用灰色理论建立了非等时距GM(1,1)预测模型,并用工程实测数据进行检验,得到令人满意的预测结果。研究结果对预测和控制软土地区由建筑物群引起的地面沉降具有重要意义。     

基于PSO–GPR含缺陷管道失效应力预测

传统对含缺陷管道失效应力的预测方法存在误差偏大的问题。针对该问题，利用MATLAB软件建立基于PSO–GPR(particle swarm optimization–Gaussian process regression)含缺陷管道失效应力预测模型。通过对60组含缺陷管道的试验数据进行测试，发现预测结果与实测结果均在95%置信区间内，表明可以将均值作为预测结果。对预测结果进行分析表明：高斯过程回归的预测结果与实测结果的最小相对误差为0.003%，最大相对误差为1.205%，平均相对误差为0.319%，基于预测结果和实测结果的散点均落在曲线y=x的±1.3%误差带中，验证了高斯过程回归预测模型的准确性，为管道的工程实际应用与维修提供较为精准的判断依据。     

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

考虑静强度要求的飞机金属结构腐蚀/疲劳交替寿命预测方法

腐蚀环境下飞机金属结构疲劳关键件的寿命评定是飞机结构寿命监控的重要工作。为此,模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,构建了考虑静强度要求的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。首先分析了结构静强度要求对腐蚀损伤的限制,然后基于腐蚀影响系数法提出了将腐蚀损伤当量成疲劳寿命的衰减;进一步分析了结构静强度对疲劳累积损伤的影响;最后,建立了基于静强度和累积损伤准则的腐蚀/疲劳交替寿命预测模型。计算结果表明:由于结构静强度的要求,不同使用强度下飞机结构疲劳寿命和日历寿命的消耗基本服从分段的线性关系;在使用强度为4.517万次/天和3.591万次/天时,疲劳寿命和日历寿命的消耗存在"平衡点",可以通过调整使用强度,达到二者同时到寿的目标。该模型可以为飞行计划的调整提供参考。     

高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一,但由于风洞实验模拟能力的限制,风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别,导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计.以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强,没有考虑到气动热的具体影响参数,存在一定局限性,难以外推应用于其他外形的飞行器.为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题,基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数,并通过推导化简边界层近似解热流公式,针对层流流态建立了气动热关联换算方法,可以考虑当地边界层外缘参数的影响,具有一定通用性.在此基础上,利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况,并与飞行测量结果进行了比较,外推预测结果与飞行测量结果符合较好,表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.     

考虑参数随机性的压实黄土蠕变变形不确定性分析

现有蠕变模型的计算值为确定值,未能考虑岩土材料和参数评估过程中的随机性。为反映岩土材料的变形随机特性,基于多次重复的一维固结蠕变试验,本文研究了分级和分别加载条件下压实黄土的蠕变特性,建立了考虑参数随机性的改进Merchant模型,提出了一种蠕变变形的不确定性预测方法,并通过延安高填方工程进行了验证。结果表明,压实黄土具有明显的衰减蠕变特性,引入非线性元件的Merchant模型能更好描述土体的应变时间关系,考虑参数随机性的模型计算值近似服从正态分布;通过不确定性预测方法可以获得蠕变变形值的概率云图,且工程实测蠕变变形值落在预测范围的95%的置信区间内,说明了考虑参数随机性的蠕变变形不确定性预测方法的有效性。     

基于最优加权组合模型及高斯－牛顿法的滑坡变形预测研究

在对最优加权组合理论和高斯－牛顿法优化非线性模型参数的方法研究的基础上,依托于洒勒山滑坡的实际变形监测资料,建立了该滑坡变形预测的3个非线性预测模型：指数模型、Verhulst模型和灰色GM（1,1）模型;利用最优加权组合理论建立了洒勒山滑坡的最优加权组合预测模型,并运用高斯－牛顿法对各单一模型和组合模型的参数进行了优化。通过对比分析得出：组合模型的预测精度高于任何单一模型的预测精度;参数优化后各单一模型的预测精度都有不同程度的提高;参数优化后的组合模型预测精度是最高的。因此,综合运用最优组合理论和高斯－牛顿法处理滑坡预测预报模型,是提高滑坡预测预报精度的行之有效的方法。