含金属簇绒结构CFRP层合板雷击烧蚀防护性能模拟

簇绒技术具有灵活性高、经济性高等优点,研究发现金属簇绒结构能显著改善碳纤维复合材料的机械性能和电气性能。为探究含新型雷击防护金属簇绒结构CFRP(carbon fiber reinforced polymer)层合板在雷击过程中损伤特性,建立不同结构参数下含金属簇绒结构CFRP层合板电-热耦合模型,通过与实验结果对比分析发现,仿真模型的损伤样貌、损伤区域及损伤扩展趋势与实验相吻合,证明了模型的有效性。研究结果表明:含金属簇绒结构CFRP层合板的烧蚀表面积降低至基准件的8.06%;金属丝间距对高电势区域面积和区域形状有影响,金属丝间距对雷击烧蚀面积影响最大。

基于数字控制的多功能流体力学实验平台的设计与研发

当前民航业的发展,迫切需要高质量创新型专业人才的加入,尤其对以“两业融合”的飞机设计与运维人才的需求和培养提出了更高要求,而以“强基固本、分类卓越”为目标的创新型人才培养正是解决这一需求的有效手段。在高校对人才的培养过程中,课堂教学与实验教学均不可或缺[1-2],这就必然要求我们需要不断改进课程体系和实验教学体系,切实深化和体现出专业建设中的“真设计与真制造”,以便更好地适应和服务于行业的发展要求[3-4]。

基于电热耦合分析 SMA-CFRP 复合材料层合板雷击烧蚀损伤

为了研究形状记忆合金(SMA)材料对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板的雷击损伤防护效果,基于常用的雷击电热耦合模型建立含形状记忆合金丝的层合板的雷击损伤有限元分析模型,与参考结果进行对比以验证模型的合理性,并与传统层合板的雷击损伤进行对比来分析SMA丝的雷击防护作用。此外,分析了不同峰值电流、SMA丝不同数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板不同铺层顺序等因素对SMA-CFRP层合板烧蚀损伤结果的影响,并分析影响规律。结果表明:SMA对CFRP层合板的雷击损伤防护有显著的效果,其中峰值25 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积降低至无防护层合板的57.43%。此外,SMA丝数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板的铺层顺序对SMA-CFRP层合板的烧蚀损伤的面积和深度具有较大影响。

微小无人机旋翼动力系统性能测试实验教学平台开发

为了满足高等院校交通运输类专业无人机系统教学需求,设计并开发了微小无人机旋翼动力系统性能测试实验教学平台,主要由主体台架系统、控制和数据采集系统、数据显示和分析系统组成。依托该实验教学平台,进行了悬停和前飞状态的旋翼性能测试实验。实验结果表明:配合风洞系统,利用该实验教学平台能够实时获取旋翼动力系统主要性能参数;气动拉力和扭矩直接测量误差均低于0.5%,电流电压直接测量误差为0.2%,桨力效和系统力效间接测量误差均低于5%。该实验教学平台可应用于小型无人机旋翼动力系统性能分析的实验教学。

复合材料雷击防护电热耦合模型

为了研究复合材料雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,基于雷击过程中的能量守恒关系,建立复合材料层合板雷击防护的电-热耦合数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立铝涂层防护的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板雷击烧蚀损伤有限元模型,并对雷击烧蚀损伤进行分析,和实验结果对比验证仿真的有效性,得出复合材料层合板在不同峰值雷电流、不同组合波形和不同铝涂层厚度雷电流作用下的烧蚀损伤规律。结果表明:铝涂层厚度相同时,峰值电流从50kA 增大到100kA时,复合材料层合板损伤面积约增大 1.5 倍;10/350波形50 kA峰值雷电流作用下,基准件的损伤面积约为0.05 mm厚度铝涂层防护系统下复合材料损伤面积的4倍。

不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟

为了研究复合材料不同的雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,对雷击损伤过程和烧蚀机理进行分析,建立复合材料层合板雷击防护的能量平衡数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立复合材料基准件、全喷铝和局部喷铝防护系统的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板电-热耦合有限元模型,和实验结果对比验证模型的有效性,对雷击烧蚀损伤特征进行分析,并引入雷击烧蚀损伤指数DI,得出三种不同模型在不同铝涂层厚度、不同峰值雷电流作用下的烧蚀损伤规律,并对两种不同的局部喷铝防护系统下复合材料的损伤特征进行对比分析。结果表明:雷击防护系统下复合材料的烧蚀损伤面积和铝涂层厚度关系进行函数拟合,两者均满足幂函数关系。

碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真及因素影响

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的烧蚀损伤,对CFRP进行了雷电流电-热耦合效应仿真和不同参数影响分析。首先,对试件进行了电-热耦合有限元分析;并在温度叠加法的基础上进行改进,完善了温度引起复合材料的性能变化;利用ABAQUS软件进行了碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真模拟,和实验结果对比验证了仿真的有效性。结果表明:相同波形雷击电流,峰值越高,损伤面积越大,损伤深度越大。之后,利用改进方法分别研究不同因素对雷击作用下CFRP烧蚀损伤的影响,结果表明复合材料的电导率、比热、密度是影响烧蚀损伤的重要因素。

CFRP层合板雷击烧蚀损伤模拟的电流加载方式分析

通过改进加载方式减小数值模拟与试验结果误差对于提高仿真准确性具有重要意义。本文探究复合材料层合板在不同形式雷击电流下的烧蚀损伤特性,改进电弧半径扩展公式,建立适用于雷击过程的电弧扩展半径数值模型;基于ABAQUS建立碳纤维增强塑料(CFRP)层合板有限元模型,分析不同电流加载方式下的烧蚀损伤情况。结果表明:建立的有限元模型能够模拟CFRP层合板雷击烧蚀损伤;扩展移动加载造成的损伤面积、损伤深度和损伤体积与试验结果对比误差均约为7%,仿真结果与试验结果具有良好的一致性,模拟复合材料雷击烧蚀损伤时应同时考虑电流扩展和移动的影响。

民机雷击附着区域的划分仿真研究

雷击直接威胁民航飞机的飞行安全,雷击附着点和雷击附着区域的划分是雷击防护设计的首要步骤。基于此,采用三维电磁仿真软件CST中电磁工作室,利用边界单元法对多个等比例民机雷电附着区域划分进行有限元仿真分析研究。通过MATLAB软件线性拟合民机1A区域边缘结构电场强度与飞机最大电场强度的比值和飞机尺寸的关系,根据拟合公式对国产民机雷击附着区域完成划分,仿真分析结果与标准理论分区进行对比。结果表明,该拟合结果有效,对民机的雷击防护设计有着重要的参考意义。

基于电热耦合模型分析含紧固件复合材料层合板雷击烧蚀损伤

为研究含紧固件复合材料层合板在雷电流作用下的烧蚀损伤规律,基于热电耦合建立含紧固件层合板的雷击有限元分析模型,并对雷击烧蚀损伤结果进行分析,与实验结果对比验证模型的有效性。并分析得到含紧固件层合板在不同倍率电导率、比热、热导率条件下的烧蚀损伤情况,总结不同因素影响下烧蚀损伤面积的变化规律。结果表明:含紧固件层合板相比于不含紧固件层合板的雷击烧蚀损伤对民用飞机运行安全更具有威胁性。此外,层合板的电导率、比热对含紧固件复合材料层合板的烧蚀面积具有较大影响,当这两个因素降低时,烧蚀损伤面积均会产生一定程度的增加,而层合板的热导率及紧固件属性对烧蚀损伤面积影响较小。

含紧固件层合板雷击烧蚀损伤分析

为了研究含紧固件复合材料层合板在雷击电流作用下的烧蚀损伤规律,基于热电耦合建立含紧固件层合板的雷击有限元分析模型,并对雷击烧蚀损伤结果进行分析,与参考结果对比验证模型的合理性,并分析得到含紧固件层合板在不同峰值电流、紧固件尺寸、层合板宽度比条件下的烧蚀损伤结果,总结不同因素影响下烧蚀损伤面积的变化规律。结果表明:雷击峰值电流、紧固件的尺寸、层合板的宽度对含紧固件层合板烧蚀损伤面积具有极大的影响,相同的雷击电流波形,峰值150 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积是峰值50 kA的15.39倍;紧固件越小,烧蚀损伤面积越大,分层损伤面积越大,其中,当紧固件直径减小至1/2时,烧蚀损伤面积最大可增加4.97倍,分层损伤面积最大可增加1.91倍;层合板损伤面积随宽度的增加先增大后减小,最后趋于平稳,其中最大损伤面积与最小损伤面积的比值可达1.81倍,且比值随着紧固件直径的增加而增大。

基于热力耦合层合板雷击损伤特性分析

为研究复合材料层合板在雷电流作用下的烧蚀损伤力学特性,建立复合材料雷击热力耦合有限元分析模型,与文献实验结果对比验证模型的有效性。根据Hashin三维失效准则编写用户材料子程序,分别得出层合板雷击烧蚀区域周围出现的力学损伤、各层力学损伤分布以及首层在不同方向上的应力分布,分析得出层合板的烧蚀损伤随雷电流持续时间的变化规律。结果表明:由于存在较高的温度梯度,导致层合板出现较大的热膨胀应力,进而导致层合板内部产生各种力学损伤,即基体开裂、分层及纤维断裂;雷击电流施加时间、峰值电流与温度场均对层合板烧蚀面积产生较大的影响。

风速对小型旋翼无人机螺旋桨的影响分析

为研究风速对小型旋翼无人机的气动特性的影响,在中国民航大学风洞试验室模拟不同来流下无人机的飞行状态,通过动力测试系统测量螺旋桨的拉力、扭矩、系统效率、桨力效等参数,并分析了风速对螺旋桨性能参数的影响。并进行了计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟,计算了T-MOTOR直径558 mm的碳纤维螺旋桨,并与试验结果进行对比验证模型的有效性。通过试验与数值模拟分析风速影响下小型旋翼螺旋桨不同风速与不同转速的参数变化。结果表明,数值模拟与风洞试验具有一致性,其中扭矩误差在5%以内,拉力误差在13%以内,且风速对小型旋翼无人机动力系统参数具有极大的影响,对无人机飞行的安全性具有严重的威胁。通过研究可为小型旋翼无人机的优化与风速对适航安全提供参考。

弯曲复合材料层合板雷击损伤影响分析

复合材料已在民航客机上得到广泛的应用,但由于导电性、导热性较低等原因,致使在雷击附着后出现较大范围的烧蚀损伤,威胁民航客机的运行安全。为了能够更安全地让复合材料应用于民航客机上,研究民机常用弯曲复合材料雷击防护特性,建立弯曲复合材料雷击损伤电热耦合有限元模型,并研究不同因素对弯曲层合板雷击损伤性能影响。结果表明,弯曲层合板相比于未弯曲的层合板,由于热导率的影响,致使其在50 kA峰值雷击电流作用下,烧蚀面积增加了1.5倍,深度扩大至第六层,最小层的损伤面积增加了10.67倍;此外,雷击电流峰值、弯曲角度对雷击损伤结果影响较大,而长宽比、纤维铺层方向、厚度由于弯曲层合板电势、热导率的影响致使其影响程度较小,此与未弯曲层合板的雷击影响因素影响特点具有较大的差异性。

侧风作用下无人机旋翼悬停状态气动响应分析

为保证有侧风情况下旋翼无人机(UAV)的悬停精准控制和安全性,采用风洞试验和数值模拟仿真的方法,研究不同侧风风速下的无人机旋翼时均和非定常气动响应。首先,开展风洞试验,测量侧风风速对旋翼时均拉力和扭矩的影响,进而拟合不同风速下的旋翼动力学模型系数;然后,采用数值模拟方法,仿真分析旋翼在一个旋转周期内的气动非定常效应;最后,分析侧风风速对旋翼涡量场和速度场的影响。研究结果表明:侧风可显著提高旋翼的拉力和扭矩,但大风速会导致悬停效率降低;较大风速时,旋翼的气动非定常效应不容忽视,在控制悬停状态时有必要考虑侧风作用和非定常气动响应;侧风还有助于增强旋翼下洗涡流的涡强度和诱导速度。

铜网防护层构型对复合材料层合板雷击烧蚀损伤的影响分析

为探究不同构型铜网防护层对于复合材料的雷击防护效果,基于热电耦合方法建立了含铜网防护层的复合材料层合板模型。首先研究了菱形铜网层合板的抗雷击烧蚀效果,并与试验结果进行对比;随后分别对含菱形、圆形及正六边形3种构型铜网防护层的复合材料层合板进行了雷击仿真模拟,分别施加D、A和A+D 3种雷电流波形,评估了不同雷击分区下的铜网防护效果。研究结果表明:不同几何构型铜网的防护能力有所差异,在2B区域正六边形铜网的防护效果较好,在1A和1B区域菱形铜网的防护效果较好;综合3种电流波形下的平均防护效果,相比未防护层合板,含菱形、圆形及正六边形铜网层合板的雷击损伤分别减少89.1%、81.9%和85.6%。

太阳能无人机优化设计

根据当前太阳能无人机的发展现状,总结太阳能无人机的发展难点,提出优化方案,建立优化模型。通过试飞验证,验证其是否可在阳光充足的情况下,能够只依靠太阳能电池组吸收的太阳能为动力,完成滑跑、起飞、滑翔,降落的任务。

太阳能连翼机布局验证机制作

连翼机是一种将前翼和后翼联接在一起的飞行器创新布局形式,针对高空长航时无人机的设计要求和连翼布局在气动、结构和操控稳定性等方面的特点,将太阳能技术与之结合,满足其长航时要求和绿色环保的目的。本文通过介绍连翼机布局验证机(航模)的设计制作过程,旨在通过实践进一步改善连翼机的结构和气动性能,同时为其他航模爱好者提供素材和经验。

基于灰色多层次模糊理论的L/HIRF维修间隔确定

随着先进复合材料在民机上大量使用及飞机电磁环境日趋复杂,雷击高能辐射场(Lighting and High Intensity Radiation Field——L/HIRF)防护部件维修间隔的合理确定,已成为制定民机维修大纲的关键内容之一。以国产民机L/HIRF防护部件维修间隔为研究背景,综合考虑偶然损伤、环境损伤、可见性3种主要影响因素,将灰色模型、模糊逻辑与多层次分析理论相结合,建立L/HIRF防护部件维修间隔确定的分析模型,并通过选取相似机型的典型结构进行实例验证。分析结果表明,模型计算结果与维修大纲给出的参考间隔趋于一致,符合工程实际。在一定程度上,解决国产民机L/HIRF防护部件维修间隔制定过程中,由于缺少工程经验而导致维修间隔的确定偏主观的问题。

扫描鹰无人机研究

对扫描鹰无人机的总体设计及气动设计进行研究,并在此基础上建立了总体设计及气动设计模型,结合ANSYS-Fluent软件对模型进行验证。结果表明:建立的扫描鹰模型其在3 000 m的巡航高度中,以35 m/s的速度飞行,在小范围迎角下,其具有合理的升力系数,机翼承受的压力值较低,具有较好的气动特性。其有助于中国侦查无人机工业的发展。