北京航空航天大学学报

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2014年, 第40卷, 第12期

第12期电子期刊

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飞机使用升限对增压活塞发动机的匹配要求

徐斌, 谭龙兴, 杨世春, 姬芬竹

2014, 40(12): 1643-1647. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0746

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摘要:
发动机工况调节范围对无人机的安全运行具有重要影响.通过对增压活塞发动机与飞机的动力学分析,得到了使用升限上最大爬升率对螺旋桨和发动机的动力要求,提出了使用升限上发动机可调范围与剩余功率的要求.对增压器匹配提出了新的要求,即使用升限范围内保证飞机巡航工况能够恢复海平面功率.通过某发动机的仿真分析,确定了其使用升限高度的可调工况范围,理论分析了增压器参数对可调范围的影响,给出了匹配原理与建议.该过程也可用来校验使用升限高度下安全性可调裕度,有助于安全操控.

储能钠硫电池保温层优化设计

张建平, 韩熠, 刘宇, 朱群志

2014, 40(12): 1648-1653. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0758

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摘要:
为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题,利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型,采用有限元分析软件ANSYS进行实体建模与数值模拟,分析不同性能保温材料对实际性能的影响,并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案.结果表明,优化方案满足了保温结构设计的需求;通过应用新型保温材料使保温结构厚度缩减了37.5%,从而减小了整体体积与重量;总结出根据材料属性与热阻安排保温材料布局的思路,保证了各保温材料在工作条件下的安全可靠.这对未来钠硫电池以及其他装置的保温结构设计与优化提供了技术参考.

战术导弹气动隐身快速多目标优化方法

刘莉, 蒋孟龙, 龙腾, 吴迪, 黄波

2014, 40(12): 1654-1659. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0753

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针对战术导弹外形气动隐身多目标优化问题,提出了一种新的快速优化方法.采用物理规划将多目标问题转化为单目标问题间接求解,利用遗传算法(GA,Genetic Algorithm)对问题进行设计空间搜索.为降低计算成本,通过变量筛选来降低设计变量空间维数,通过构建径向基函数(RBF,Radial Basis Function)代理模型来减少高精度分析模型的调用次数.最后以类BGM-109导弹模型的气动隐身多目标优化为例对该方法进行校验.在满足升力系数不小于初始升力系数的约束下,进行导弹几何外形优化使全弹阻力系数和前向雷达散射截面(RCS,Radar Cross Section)最小.与标准GA相比,在两者优化结果基本相同的情况下,该方法节约了83%的计算成本.

双级气体减压器稳定性影响因素数值分析

孙冰, 许琪, 陈阳, 位立军

2014, 40(12): 1660-1665. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0012

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针对应用于飞行器增压系统的双级气体减压器,从单级气体减压器的有限体积瞬变仿真模型出发建立了其数值模型,并搭建了双级减压器特性研究系统的模块化仿真模型.通过大量的时域仿真研究了某两型具有细微设计差异的减压器各结构参数对其工作稳定性的影响规律,并比较了两者间的异同,随后根据工程需要,选取减压器二级阀芯运动速度的样本方差作为稳定性指标,重点研究了某减压器二级阀芯质量、低压腔体积、反馈腔体积及膜片刚度变化对稳定性的影响程度.仿真结果表明,设计人员可以优先减小该减压器的二级阀芯质量或增大膜片刚度从而更快地改善其稳定性,该分析方法可以帮助相关设计人员以最小的代价获得满足工程要求的结果.

基于多点约束的大展弦比机翼静气动弹性计算

黄炜, 陆志良, 唐迪, 郭同庆

2014, 40(12): 1666-1671. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0015

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基于雷诺平均N-S方程和多块结构网格技术计算大展弦比机翼的气动力.机翼采用梁模型结构,利用有限元方法计算结构变形.建立基于多点约束(MPC,Multi-Point Constrain)的气动、结构数据的双向传递方法.采用MPC数据插值方法快捷地实现自主研发的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)程序和NASTRAN计算结构力学(CSD,Computational Structural Dynamics)软件的耦合计算,发展出可以考虑结构非线性的静气动弹性CFD/CSD耦合计算方法,该方法比只考虑单方向变形的柔度法更精确.开展了某大展弦比机翼的静气动弹性数值计算分析,结果显示只考虑机翼纵向变形而忽略展向变形对计算结果会有一定影响,而该算例几何非线性影响较小.

我国空间电力线谐波辐射现象分析

吴静, 张翀, 付静静, 马齐爽

2014, 40(12): 1672-1677. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0759

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研究了利用DEMETER卫星电磁场探测数据辨识电力线谐波辐射(PLHR,Power Line Harmonic Radiation)事件的方法,探讨了我国空间中PLHR事件的特点.通过采用时频分析和Welch功率谱估计法分析了2005—2010年6年我国空间中的全部卫星电场强度探测数据,共发现151例PLHR事件,给出了PLHR事件的统计分析和典型实例.结果表明我国空间PLHR事件的频率分布在1 000~4 500 Hz之间,多为50 Hz的奇数倍,间隔为50/100 Hz.PLHR事件与我国电网发展和变化有密切关系,与地磁活动水平无关,呈现出昼夜差异和季节差异.最后给出了影响PLHR事件探测的可能因素.

基于视频数据的机场跑道外来物检测

陈唯实, 李敬

2014, 40(12): 1678-1684. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0762

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提出了一种基于视频数据的机场跑道外来物(FOD,Foreign Object Debris)检测算法,该算法包括几何校正、背景差分、杂波抑制和伪装消除等4个步骤.其中,几何校正排除了摄像头轻微抖动造成的图像差异;背景差分利用每个像素对应的颜色向量信息,建立背景模型并进行定时更新;杂波抑制和伪装消除利用差分图像和原始图像信息,建立马尔科夫随机场和概率统计模型,在降低虚警的同时提高了检测率.将本算法应用于两组不同光照条件下获取的视频图像,检测不同形状和颜色的FOD目标;采用本算法对机场实测数据进行测试,验证了算法的有效性.

基于Simapro的气动与电动执行器生命周期评价

张业明, 蔡茂林

2014, 40(12): 1685-1690. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0767

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在机械性能和工况相近的情况下,对3组气动执行器和电动执行器进行生命周期评价(LCA,Life Cycle Assessment),分析了气动和电动执行器的环境影响评价主要因素,确定了两种执行器的LCA研究范围、系统边界和时间边界,归纳了两种执行器制造过程的主要工艺和零部件的工艺特征,最后在Simapro 7.1中进行了两种执行器的评价框架建立和数据录入,根据Eco-indicator 99进行了两种执行器LCA对比分析.结果表明,执行器对资源的环境影响约占环境影响综合值的50%;机械性能和工况相近的气动和电动执行器,电动执行器的环境影响比气动执行器大.

阻尼网特性数值模拟

丛成华, 廖达雄

2014, 40(12): 1691-1696. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0018

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依靠经验公式和工程估算等传统方法,无法对阻尼网性能进行精确评估.为确定阻尼网压力损失系数和降湍性能,采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对阻尼网进行了模拟.使用数值模拟能够得到不同开孔率阻尼网在不同雷诺数、不同入射方向、不同目数的损失系数,与试验结果更为接近,在30°~45°大角度入射时得到的损失系数更为精确;在入射气流与阻尼网平面呈一定夹角时,阻尼网后的气流压力和速度呈现脉动趋势,传播距离大约为100d;在雷诺数小于40时流动保持层流状态,扰动传播距离为50d,此时降湍效果最好,随雷诺数增加,扰动传播距离增加至400d;在流动未失稳时,开孔率越低,降湍效果越明显,开孔率低于0.5时流动容易失稳;开孔率保持不变,随目数增加阻尼网损失系数增加明显,降湍能力提升.因此可以根据数值模拟结果选择阻尼网的最优参数.

航空高动态网络负载感知路由算法

刘智, 徐桢

2014, 40(12): 1697-1701. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0747

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针对航空高动态网络(HDAN,Highly Dynamic Airborne Networks)节点高速运动、拓扑结构变化频繁、飞行器轨迹时变等特性,及其所带来的数据到达率低、信息拥塞度高、稳定性差等问题,提出一种具有负载感知特性的路由算法.算法提出了新的动态路由因子度量来适应拓扑结构的变化,引入节点相对速度修正高动态环境下单纯地理位置信息所带来的误差,并通过交互邻居节点队列信息表征网络局部负载程度,降低拥塞概率.仿真实验结果表明,本算法有效减少了网络丢包率和通信时延,增强了信息传输的可靠性.

基于背景属性的目标识别

雒建卫, 姜志国

2014, 40(12): 1702-1706. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0750

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属性是图像的语义描述,可以表示图像中某些内容的存在与否,它可以是物体的形状、材质、部件、类别以及功能,也可以是场景的类别以及上下文信息等.由于目标类别与所在背景存在相关关系,提出基于背景属性和目标属性相融合的前景目标识别方法,即对每种背景属性和目标属性分别训练支持向量机(SVM)分类器,并将属性在对应分类器上的得分进行串联组成新的特征,并训练得到最终分类器.对a-Pascal数据库中每幅图像,人工标注了10种背景属性,结合已有的目标属性,进行目标识别实验.与传统方法、基于目标属性的分类方法以及其他前景、背景相结合算法的对比实验结果表明,所提算法比其他算法提高大约2%,背景属性有助于提高目标识别率.

网络瞄准中的异步传感器空间配准算法

雍霄驹, 方洋旺, 张登福, 刁兴华

2014, 40(12): 1707-1712. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0768

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针对现有异步空间配准算法在目标机动时无法准确估计传感器系统误差的问题,研究了一种基于内插外推时间配准的异步传感器空间配准算法.该算法首先采用内插外推时间配准算法实现两传感器的数据同步,随后根据时间配准结果构建伪量测方程.不同于其他文献根据目标状态向量和时间差求解加权系数,从而构造与目标运动状态无关的伪量测方程的方法,该算法的伪量测方程构建过程与目标状态向量无关,且可以证明由时间配准结果构造的伪量测也与目标状态无关.因此该算法可有效解决目标机动条件下的异步传感器空间配准问题.仿真实验验证了该算法在目标作蛇形机动的条件下仍然可准确地对传感器的系统误差进行估计.

基于空间映射的视觉注意力分配预测模型

吴旭, 完颜笑如, 庄达民

2014, 40(12): 1713-1718. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0001

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为预测飞行员视觉注意力分配,在SEEV(Salient Effort Expectancy Value)模型和多因素模型的基础上引入注意控制空间和资源分配空间的概念.前者描述了影响注意力分配因素,而后者则反应了兴趣区域所获得的注意资源.并通过空间映射建立注意力分配的预测模型,应用模糊层次分析的方法对模型进行结算.为验证预测模型效度,采用16名被试在飞行模拟器上开展基于异常信息恢复的工效学实验,通过眼动追踪装置记录注视点分布作为注意力分配指标.被试需要根据实验条件对主飞行显示器仿真界面中的目标信息状态进行监视,并通过驾驶杆的指定操作对异常信息进行响应.实验结果表明,注意力分配预测模型的理论结果与工效实验中注视点分布的实验结果显著相关且吻合较好,验证了预测模型的可用性.

复合材料结构组件抗坠毁试验与渐进失效分析

罗海波, 燕瑛, 孟祥吉, 梁祖典, 侯康, 宫少波

2014, 40(12): 1719-1724. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0008

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对复合材料吸能结构盒段进行了耐撞性(crashworthiness)试验研究,得到吸能所关心的载荷-位移曲线,并获得相应的平均载荷、峰值载荷以及吸收总能量相关吸能参数.考虑复合材料的各向异性本构关系,对有限元软件进行了二次开发.考虑含刚度退化的Hashin失效准则对结构组件进行渐进失效数值分析讨论.基于扩展的失效准则,设置相应的渐进削弱式的薄弱环节,模拟得到了吸能评价参数平均载荷值,数值计算得到的平均载荷值为361.10 kN.并与试验结果进行了比较,其相对误差不超过7%,计算结果与试验结果取得较好一致性,表明这种方法模拟分析结构组件抗坠毁是有效可行的.

XY-SAS模型中不同网格尺度限制器的影响分析

郑玮琳, 阎超

2014, 40(12): 1725-1729. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0742

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XY-SAS(Xu & Yan Scale Adaptive Simulation)模型通过在SA(Spalart-Allmaras)模型耗散项的湍流尺度中引入基于平均涡量的冯卡门长度尺度,在不稳定流动区域具有类似LES(Large Eddy Simulation)的计算性能,且不存在DES(Detached Eddy Simulation)方法中RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)与LES的交界面问题.由于SAS类模型预测的湍流能谱存在高波数衰减不足的缺陷,需要进一步在湍流尺度中引入网格尺度作为限制器.采用不同形式的网格尺度限制器构造了3种XY-SAS模型,对Re=3 900的圆柱绕流进行数值模拟,并与DES及实验数据进行比较.结果表明网格尺度限制器对XY-SAS模型的计算性能有较大影响,以最小网格间距作为高波数衰减限制器是较为合理的选择,此时模型对于大分离流动能够达到DES的模拟能力.

基于IPMC仿生机器鱼推进效率实验研究

沈奇, 韩晨皓, 王田苗, 梁健宏

2014, 40(12): 1730-1735. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0748

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对由离子聚合物金属复合材料(IPMC,Ionic Polymer-Metal Composite)智能材料驱动的仿生机器鱼的推进效率开展了实验研究.为了测量机器鱼的推进性能,使用了一种新型的实验设备完成流体动力学实验.在伺服拖拽系统下,IPMC机器鱼在一个外力为零的环境下自推进前进.通过实验测得在IPMC驱动频率为1 Hz时有最佳的推进效率2.3×10^-3,在1.2 Hz时有最大的推进力0.025 3 N,在1.5 Hz时有最大速度0.021 m/s,同时在2.6 Hz时有最大输出功率0.36 W.实验结果表明,在使机器鱼获得最佳推进效率的最优驱动频率下,机器鱼也能获得较高的推进速度.该推进效率测量方法同样可以应用在研究其他基于智能材料的水下机器人运动实验研究中.

阀控电液位置伺服系统非线性鲁棒控制方法

汪成文, 尚耀星, 焦宗夏, 韩松杉

2014, 40(12): 1736-1740. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0752

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为了解决电液伺服跟踪控制中存在流量非线性以及参数不确定问题,以阀控液压马达为对象设计了一种非线性鲁棒控制器.该算法基于Back-Stepping的设计思想,将阀控电液系统的位置跟踪问题转化为系统负载流量规划问题,仅需一步反步递推,即可完成控制器设计,具有较强的工程实用性.该算法综合考虑了制约电液位置系统跟踪精度的流量非线性以及系统参数不确定性问题.理论证明了该算法的稳定性.通过和传统PID(Proportional-Integral-Derivative)控制器的对比试验表明,基于该控制器,系统跟踪性能得到了显著提升.

环境温度对电动汽车热泵空调系统性能的影响

彭发展, 魏名山, 黄海圣, 张虹

2014, 40(12): 1741-1746. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0754

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摘要:
针对电动汽车冬天取暖能耗较高,设计了基于蒸气压缩循环的热泵空调试验系统,研究了制热模式下不同的环境温度和压缩机转速对车室内平均温度、高压管路内部工质的温度和压力、系统能效比(COP, Coefficient of Performance)等参数的影响.试验结果表明,当环境温度和压缩机的转速较高时,压缩机出口、车室内换热器出口处工质的温度和压力值较大,车室内平均温度的上升速度越快,达到舒适温度所需的时间越短.在压缩机转速相同时,环境温度越高,系统的COP值越大.

成本约束的表决冗余系统可靠度优化与分配

刘志君, 高亚奎, 章卫国

2014, 40(12): 1747-1753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0765

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在成本限制下,为使系统的可靠度最大,系统采用表决冗余结构,并对具有表决冗余结构的系统可靠度和冗余度同时进行优化和分配,优化方法采用增广拉格朗日乘子法和鱼群算法相结合的混合算法;不仅分析了成本与可靠度的关系,同时讨论了表决器失效率对系统可靠度的影响;最后,以某型飞机的纵向俯仰运动飞行控制系统为例,仿真说明了在成本约束下,为使系统可靠度尽可能高,系统采用四余度配置更合理,且在只有单个表决条件下,应选取可靠度尽可能高的表决器.为避免单个表决器失效对系统可靠度的影响,实际系统中常选择多表决器冗余结构.

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

赵成功, 王聪, 魏英杰, 马庆鹏

2014, 40(12): 1754-1760. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0014

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基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.

SDUV方法中组织振动信号提取算法比较

蔡夕然, 樊璠, 李晓斐, 牛海军

2014, 40(12): 1761-1766. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0741

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组织振动信号的提取是剪切波频散超声振动成像技术(SDUV)方法中的重要步骤.目前,SDUV方法中有两种常用的组织振动信号提取算法,正交解调法(QDM)和互功率谱法(CSM),但是未见比较这两种算法提取质量差异的相关研究.因此,构造了不同信噪比(SNR_U)的参数化仿真超声回波信号模型,分别使用QDM和CSM从超声回波信号中提取组织振动信号,比较了两种方法的提取效果与计算效率.实验结果表明,当SNR_U≥35 dB,两种算法在相同信噪比下提取出的信号所分离出的振动相位结果相近,标准差均小于1°,对于剪切波波速的计算结果没有太大影响.CSM的计算效率低于QDM的计算效率.因此,当SNR_U<35 dB,为了减小振动信号初始相位的提取误差,应该使用CSM提取组织的振动信号.当SNR_U≥35 dB,应该选择QDM提取组织的振动信号,以减少信号处理时间.本研究的发现有助于提高SDUV方法的检测效率.

一种高动态条件下惯性星光组合定姿方法

韩礼, 张力军, 蔡洪, 张士峰

2014, 40(12): 1767-1772. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0756

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针对高动态条件下星图拖尾导致惯性星光组合定姿精度下降甚至无法定姿的问题,提出了一种基于乘性扩展卡尔曼滤波的惯性星光深度组合姿态确定方法.利用星敏感器观测信息修正姿态误差,补偿陀螺漂移,并建立了陀螺输出的角度变化量与星图像移的关系,利用陀螺输出信息估计星图拖尾的模糊参数,采用维纳滤波复原方法对产生拖尾的星图进行复原以提高星图信噪比和观测精度.仿真结果表明该方法可以有效提高星像质心提取精度和星图识别率,对初始姿态误差修正更快,且不存在星图误匹配的情况,保证了惯性星光组合定姿方法在高动态条件下仍能保持较高的精度.

模糊变分原理在求解结构固有频率中的应用

张旭东, 邱志平, 李琦

2014, 40(12): 1773-1779. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0749

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在处理含模糊参数的结构固有频率问题时,现有的方法局限于先将模糊参数转化为区间数求解,再由区间解构造出相应的模糊解.由于现有方法计算量较大,所以提出了基于模糊变分原理的模糊里兹法和模糊有限元法.通过在瑞利商变分中直接引入模糊参数,得到了结构固有频率问题的模糊变分原理.作为模糊变分原理的应用,推导了模糊里兹法和模糊有限元法.这两种方法都可以直接得到问题的模糊解,与传统的区间解法相比,提高了计算效率.算例表明,这两种方法不但具有较高的计算精度,而且可以很大程度上减少计算量.

海天背景多光谱成像特性仿真

何晓雨, 许小剑

2014, 40(12): 1780-1785. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0009

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采用红外传感器观测海面,若观测天顶角较大,则视场中会同时出现海面与天空背景.通过计算传感器每一像素单元接收的辐射强度,可以得到海天背景多谱段光学图像.为了计算假定海况条件下海面随观测方向变化的反射辐射,基于几何光学原理修正了传统海面辐射特性模型.由于路径长度随传感器垂直视场变化,此时大气对辐射传输的影响十分显著.天光及水平路径辐射采用改进的大气辐射传输模型计算.该模型具有更高的光谱分辨率,适用于多谱段成像仿真.基于给出的海面辐射特性模型和大气辐射传输模型,分别仿真了不同时刻不同观测角下可见光、中波红外和长波红外的海天背景辐射图像.仿真结果符合物理原理,与实测图像的对比验证了新模型的可靠性.

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

梁祖典, 燕瑛, 张涛涛, 李剑峰, 孟祥吉, 廖宝华

2014, 40(12): 1786-1792. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0010

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针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.