基于流固耦合的重载飞艇副气囊形态分析与试验研究

为了研究非饱和副气囊在重载飞艇升降和巡航过程的形态变化,建立了缩尺比例氦气囊模型。基于向量式有限元(vector form of intrinsic finite element,VFIFE)对副气囊膜结构进行结构动力学分析,并考虑几何大变形和边界非线性;基于有限元法对氦气域和空气域进行流体动力学分析,分别采用自编MATLAB程序和ANSYS软件流体模块独立求解控制方程之后,通过映射网格在CSD(computational structural dynamics)/CFD(computational fluid dynamics)之间进行数据传递并迭代,以实现双向流固耦合。开展了氦气囊的缩尺比例模型试验,对囊体在泄气过程中得到的位移测量值与数值模拟结果进行对比。结果表明,氦气囊在不同充盈度下的形态变化与双向流固耦合数值分析结果一致,证明了该研究提出的数值模拟方法可有效用于副气囊随氦气充盈度变化导致的非稳定形态变化规律的研究。

一致质量矩阵在向量式有限元中的应用

为研究一致质量矩阵在向量式有限元分析中的应用,采用第二类拉格朗日方程建立向量式有限元的质点运动方程,从能量原理推导了一致质量矩阵、集中质量矩阵和力矩阵,并引入节点位移约束,对两种质量矩阵在杆系结构中的向量化方程及含义作了对比.进一步通过受冲击荷载的无约束杆算例和受突加荷载的平面桁架算例,对比了采用两种质量矩阵的向量式有限元、刚体动力学及ANSYS分析软件得到的动力响应.结果表明:在瞬态动力分析中,采用一致质量矩阵比集中质量矩阵得到的结果更精确.当计算刚体平动时,两种质量矩阵的计算结果接近;而当计算刚体转动时,采用一致质量矩阵的向量式有限元方法具有较好的计算精度和效率,从而验证了一致质量矩阵在向量式有限元中的适用性和精准性.

基于流固耦合的氦气囊非稳定形态机理分析

为了揭示飞艇内置氦气囊在非稳定状态下的形态变化机理,建立了单个氦气囊模型,基于ANSYS的瞬态动力分析和CFX的多场耦合分析,考虑空气与氦气密度差导致的浮力效应,进行空气和氦气流体及柔性囊体的多场耦合分析.首先基于囊体无应力态进行充气模拟得到初始充气平衡形态,校验数值模拟方法的正确性.然后通过控制氦气排气量模拟氦气囊在0°、10°、20°、30°仰角以及充盈度分别为100%、90%、80%、70%、60%时的形态,并进行变形、应力特征分析.数值结果表明:在仰角为0°时,随充盈度减小,囊体底部约1/3区域发生形态失稳,呈环向均匀小凹陷模态,且向顶部扩展,环向贯通为大凹陷;当有仰角时,凹陷先发生于下腹部,环向非对称,且随仰角增大,下腹部凹陷向顶部扩大.

新型马鞍形索杆张力结构研究

提出一种基于马鞍面的新型索杆张力结构拓扑,结构整体形态更加稳定.进一步对形态分析中的迭代找力方法进行优化改进,在保证计算精度的前提下提高计算效率.应用改进的迭代找力方法对提出的新型马鞍形索杆张力结构进行了预应力设计.对跨度为36 m的马鞍形索杆张力结构进行静动力性能分析,计算结果显示结构在0.8 kg/m^(2)面荷载作用下,最大节点位移小于跨度的1/250,最大索应力小于索抗拉强度的50%.研究结果表明:所提出的马鞍形索杆张力结构在拓扑构型上具有独特的优势,以及较好的力学性能,能应用在实际工程中.

双半椭球体氦气囊非饱和形态试验

为研究飞艇氦气囊在不同充盈度下的非饱和形态,揭示氦气囊在充气与泄气过程中的形态变化规律,设计与制作了双半椭球体氦气囊及其试验装置,采用控制充盈度的方法开展了双半椭球体氦气囊充气试验与泄气试验.结果表明:充气过程中,上下半椭球膜面先向上升起,随后上半椭球膜面沿环向膨胀至饱满形态,最后下半椭球膜面下沉并沿环向膨胀至饱满形态;泄气过程中,下半椭球膜面先沿环向收缩并向上升起,随后上半椭球膜面开始沿环向收缩,最后上下半椭球膜面同时向下塌陷至真空状态.