专刊/专栏

FlowStar:国家数值风洞(NNW)工程非结构通用CFD软件

陈坚强, 吴晓军, 张健, 李彬, 贾洪印, 周乃春

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25739

2021, (9): 625739-625739.

摘要

计算流体力学（CFD）仿真软件是流体相关的数学物理知识和工程实践经验的数字化表达，是工业数字化转型的重要助推。然而，大型工业CFD软件研发难度极高，需要同时兼顾功能多样、系统稳定、性能优越、交互友好等特征。依托国家数值风洞（NNW）工程，研发出一款通用流场模拟软件NNW-FlowStar，并在航空、航天等工业部门大力推广使用。软件基于非结构有限体积求解方法和大规模并行计算技术开发，结合现代化软件工程思维设计，具备先进的数值方法、高效的计算效率和友好的用户操作界面，可满足各类复杂外形的高效气动模拟。独特的重叠网格技术配合六自由度运动模块，可帮助实现武器分离、舱门定轴转动等各类气动-运动协同仿真需求。多类标模案例和复杂工程应用表明，FlowStar软件算法鲁棒、精度可靠，是一款高精度、高效率、高可靠性的通用CFD仿真软件。通过对软件的架构设计和功能应用进行介绍，使相关从业人员能更好地了解FlowStar软件，最终促进国产自主CFD软件生态的良性发展。

国家数值风洞(NNW)工程中的CFD基础科学问题研究进展

袁先旭, 陈坚强, 杜雁霞, 郭启龙, 肖光明, 傅亚陆, 梁飞, 涂国华

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25733

2021, (9): 625733-625733.

摘要

计算流体力学（CFD）基础理论方面的持续创新对数值模拟软件的功能拓展及推广应用具有十分重要的意义，国家数值风洞（NNW）工程在CFD相关的若干关键基础科学问题上开展了研究。简要综述了国内各参研团队近3年的研究进展，NNW工程在转捩与湍流模型及计算方法、多相多介质计算模型与方法、多物理场耦合计算模型与方法、高精度数值计算方法等方面形成了一系列阶段性的研究成果，建立了多种原创算法与模型。这些算法与模型中具有较高成熟度的将被集成至NNW工程的相关软件，并面向全国发布。

风沙两相流数值模拟研究进展

王萍, 郑晓静

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25767

2021, (9): 625767-625767.

摘要

大气表面层中的风沙运动是典型的高雷诺数湍流气固两相流动，同时具有可蚀地表上的冲击溅起过程、风-沙-电多场耦合、多尺度与跨尺度等复杂特性，使其定量预测极具挑战性。回顾了近30年风沙运动数值模拟的研究进展以及取得的成果，主要包括基于湍流雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方法的风沙运动多场耦合模拟与风成地貌耦合尺度模型建立，基于湍流大涡模拟（LES）与高雷诺数湍流理论的风沙运动模拟方法。最后明确了风沙运动现有数值模拟方法的不足和值得进一步研究的方向。

构建非结构网格高精度有限体积方法的新途径

任玉新, 王乾, 潘建华, 章雨思, 黄乾旻

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25783

2021, (9): 625783-625783.

摘要

综述了笔者所在研究团队在发展非结构网格紧致模板高精度有限体积方法方面的研究进展。非结构网格二阶精度有限体积方法在各类商用和自研计算流体力学（CFD）软件中得到了广泛应用。当进一步提高精度时，遇到的主要困难是高阶有限体积方法重构模板过大的问题。这已成为发展非结构网格高精度有限体积方法的主要技术瓶颈之一。近年来，为解决此问题开展了系统研究。基于首先提出的操作紧致性概念，先后提出了3种紧致模板高精度重构方法，包括紧致最小二乘重构、变分重构和多步重构。这些重构方法的共同特点是可在只包含面相邻单元的紧致模板上实施，并达到任意高阶精度。综述了这3种方法，对这些方法的构造思路、实施策略和进一步发展做了概要的阐述。其中变分重构方法将作为非结构网格高精度有限体积方法的方案之一，在国家数值风洞（NNW）工程中得到发展及应用。

国家数值风洞(NNW)工程在高超声速中的应用研究进展

陈琦, 陈坚强, 袁先旭, 郭启龙, 万钊, 邱波, 李辰, 张毅锋

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25746

2021, (9): 625746-625746.

摘要

随着CFD技术的快速发展，CFD数值模拟软件在飞行器研制中得到广泛应用，并已渗透航空航天等诸多领域的各个阶段，发挥着越来越重要的作用。国家数值风洞（NNW）工程坚持边建边用的原则，通过集成结构力学、飞行力学、工程热力学、声学、光学、电磁学、多相流体力学等学科软件，在航空航天、交通运输、能源动力、环保减灾等领域发挥了积极作用。总结了NNW软件在高超声速飞行器边界层转捩、湍流、高精度方法等领域的应用成果以及在解决复杂流动干扰、动态稳定性和多学科耦合问题上的最新进展。通过案例展示，使相关从业人员了解NNW软件的功能、特点，促进系列软件在全国的推广和应用。

国家数值风洞(NNW)工程中的黏性自适应笛卡尔网格方法研究进展

陈浩, 袁先旭, 王田天, 周丹, 赵宁, 唐志共, 毕林

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25732

2021, (9): 625732-625732.

摘要

相比传统的结构和非结构网格，笛卡尔网格具有自动化和高质量兼顾的优势，是未来网格技术发展的重要方向。面向笛卡尔网格生成软件开发需求，依托国家数值风洞（NNW）工程，介绍了黏性自适应笛卡尔网格技术相关课题的研究工作进展，重点从网格生成技术、自适应方法、黏性物面边界处理方法等方面展开。网格生成技术方面，基于全线程树数据结构的思想，开展了叉树数据结构的优化；针对物面离散单元信息的快速检索，构建了稳定、平衡、高效的叉树式物面网格数据结构；对于网格单元类型的判断，发展了染色方法和包围盒方法以提高效率；针对大规模网格量，发展了高性能并行计算技术。自适应技术方面，发展了基于几何特征和流场解特征的自适应方法，建立了流场结构捕捉判据，并开展了三维复杂构型的应用；为了降低全局网格规模，发展了各向异性自适应方法，构建了各向异性特征识别的综合判据；发展了边界层法向射线加密技术，以减少边界层内的网格数目。物面边界处理方面，发展了重叠笛卡尔网格方法，构建了重叠网格尺度匹配技术和数据交互方法；开展了壁面函数方法在笛卡尔网格框架下的适应性应用，以放宽壁面网格尺度限制、降低边界层网格规模，并通过典型算例验证了方法的可靠性。

高性能流场并行粒子追踪数据管理系统

杨昌和, 李彦达, 张江, 王昉, 袁晓如

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25748

2021, (9): 625748-625748.

摘要

随着当下计算能力和存储性能的提升，流场数据产出的规模越来越庞大，针对流场数据的可视化应用对于硬件及软件算法的要求也随之提高。基于国家数值风洞（NNW）工程支持，主导设计并开发了高性能流场并行粒子追踪数据管理系统，帮助用户探索和分析大规模流场数据。该系统针对流场数据提供多种高效的数据管理方法，在超算集群上针对并行粒子追踪过程进行了数据预取优化与负载均衡优化。对于粒子追踪过程中产生的流线（或迹线）及进程工作记录数据，该系统支持用户在本地平台上进行性能诊断和分析。使用不同流场数据集开展的两个应用实例验证了该系统的有效性。

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

谢晨月, 王建春, 万敏平, 陈十一

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25723

2021, (9): 625723-625723.

摘要

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下，空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究，其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流，流场中会出现激波结构，给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中，SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995，远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型；传统模型的相对误差大于30%，而SANN模型在这方面有很大的改进，相对误差低于11%。在后验分析中，与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比，SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此，基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识，同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

李鹏, 陈坚强, 丁明松, 何先耀, 赵钟, 董维中

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25718

2021, (9): 625718-625718.

摘要

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下，由风雷开源软件提供基础框架支撑，将建设成为基于结构/非结构混合网格，面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件，具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍，给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法，结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点，其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力，在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面，具有较高的数值计算精准度，初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。

基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法

肖光明, 张超, 桂业伟, 杜雁霞, 刘磊, 魏东

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25710

2021, (9): 625710-625710.

摘要

舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞（NNW）工程支持下，针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题，发展了多区域协同推进的时空耦合模型及流/固界面的自适应分辨率识别算法，建立了基于热格子Boltzmann方法（TLBM）与有限体积法（FVM）相互耦合的舱内复合传热跨尺度预测方法，开展了典型飞行器仪器舱的综合热分析，验证了耦合方法的计算精度及效率。研究表明，相关方法可实现舱内热环境的局部精细化与整体大规模的协同模拟，用于开展整体自然对流与设备局部热量传递的多尺度数值模拟，掌握不同环境参数对舱内热质传递过程的影响规律，从而为飞行器热防护/热管理一体化设计提供重要技术支撑。

C-γ-Reθ高超声速三维边界层转捩预测模型

向星皓, 张毅锋, 袁先旭, 涂国华, 万兵兵, 陈坚强

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25711

2021, (9): 625711-625711.

摘要

针对国家数值风洞（NNW）工程高超声速三维边界层转捩预测需求，开展了高超声速边界层横流转捩判据及模型研究。采用线性稳定性分析eN方法对高超声速转捩数据进行扩展，结合横流强度与表面粗糙度构造当地化的高超声速横流转捩判据，对基于Chant 2.0计算平台的高超声速修正γ-Reθ转捩模型进行了横流模式拓展，建立了适用于高超声速三维边界层横流转捩预测的C-γ-Reθ转捩模型。采用构建的转捩模型对多状态下的高超声速尖锥进行横流转捩预测，取得了与试验结果符合较好的预测效果。

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

童自翔, 李明佳, 李冬

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25729

2021, (9): 625729-625729.

摘要

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义，相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题，利用多尺度渐进分析方法，对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型，获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系，发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法，建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性，结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。

高马赫数层流摩阻数值计算精度

范月华, 段毅, 周乃桢, 杨攀

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25737

2021, (9): 625737-625737.

摘要

飞行器在高空高速飞行时黏性效应显著，摩阻预示精度对飞行器的关键气动性能意义重大。目前，摩阻预示主要依赖数值计算，但高马赫数层流摩擦阻力计算与试验测量结果仍存在差距。以具有高速飞行器典型部件特征的球锥、三角翼为对象，结合风洞试验摩阻测量结果，使用国家数值风洞（NNW）数值计算软件和自研CFD程序研究了数值计算中影响摩阻计算精度的格式数值耗散及壁面温度边界条件等重要因素。研究结果表明：数值耗散越小，表面摩阻的计算精度越高；在速度较低的边界层近壁区内关闭熵修正，将有助于提高表面摩阻的预示精度。此外，在高马赫数流动问题的数值模拟中，壁面温度条件对表面摩阻计算同样具有重要影响。最后，基于分析结果和工程需要提出了对高精度摩阻数值预示的研究需求。

NNW-FSI软件静气动弹性耦合加速策略设计与实现

孙岩, 王昊, 江盟, 岳皓, 孟德虹

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25738

2021, (9): 625738-625738.

摘要

在国家数值风洞（NNW）工程的资助下，依托NNW-FSI流固耦合模拟软件平台，从气动载荷作用下飞行器结构静变形大小与收敛过程无关的物理机制出发，基于变形增量叠加的方式，设计和实现了一种静气动弹性耦合加速策略，通过松弛因子对耦合迭代的收敛过程进行调整。结合超大展弦比无人机和CHN-T1模型两种不同外形，开展了不同松弛因子下的静气动弹性耦合数值模拟，对耦合加速策略的参数影响和加速效果进行了测试和评估。从计算误差控制角度对松弛因子加速耦合迭代收敛的作用机制进行了理论分析，弄清3种类型静气动弹性耦合模拟过程中松弛因子发挥的作用，并给出了松弛因子选取范围的建议。静气动弹性耦合模拟和理论分析结果表明，针对不同类型的静气动弹性耦合问题，选取合适的松弛因子，能够达到抑制振荡并加速收敛的效果。

考虑数值离散误差的湍流模型选择引入的不确定度量化

陈江涛, 章超, 吴晓军, 赵炜

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25741

2021, (9): 625741-625741.

摘要

在流体力学数值模拟过程中存在着多种来源的不确定因素，科学、定量地描述这些因素对模拟结果的影响对模型确认、工业产品设计优化和性能评估等过程十分重要。数值离散、模型选择和模型预测偏差是模拟过程中3种重要的不确定性来源，为将这3种不确定性因素对模拟目标量的影响统一考虑，发展了考虑数值离散误差的贝叶斯模型平均方法。首先，通过对数值离散解和网格尺度进行拟合完成数值离散误差估计，得到每个备选模型真实解的置信区间。然后，通过嵌套方法和条件优化算法，结合贝叶斯模型平均方法构建目标量的概率盒，定义目标变量累积分布函数的上、下限，以此分析其置信区间。最后，针对NACA0012低速绕流和CHN-T1跨声速绕流问题，给出了同时考虑上述3种不确定性因素之后升、阻力系数的置信区间分析示例。

NNW-TopViz流场可视分析系统

陈呈, 赵丹, 王岳青, 邓亮, 杨超, 苏铖宇, 王昉

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25747

2021, (9): 625747-625747.

摘要

流场可视化技术采用图形图像直观地表现CFD数值模拟的计算结果，使用户能够方便地对这些数据进行分析、比较和研究。然而，CFD数值模拟的流动复杂，其产生的流场数据规模巨大、数据类型复杂、特征提取困难，传统的串行可视化软件效率低、交互手段单一，难以满足数据分析的需求。国家数值风洞（NNW）工程研制了一套流场数据处理可视化软件系统（NNW-TopViz，简称TopViz），具有对流场数据处理与特征提取、几何图形绘制等可视化与交互功能。根据可视分析效率需求，TopViz实现了线程并行，在多核计算环境下有效提高了可视化计算和交互效率；针对流场特征提取困难、常规方法效率低的问题，TopViz实现了基于卷积神经网络的流场旋涡特征提取方法，提升了特征提取准确率和效率；为提高软件交互效率并提供便捷的交互方式和体验，基于头戴式显示设备和体感控制器构建沉浸式虚拟显示与交互平台，TopViz实现了手势和眼球凝视2种交互方法，提供沉浸式环境下多视图、多角度流场探测方式。

基于两步优化策略的结构网格负载平衡

段焰辉, 周鑫, 高诗婕茜, 林锦星, 张怀宝, 王光学

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25751

2021, (9): 625751-625751.

摘要

国家数值风洞（NNW）工程旨在发展完全自主知识产权的计算流体力学（CFD）软件，结构网格负载平衡问题研究是该工程中的一个重要组成部分。本文发展了两步优化策略以求解结构化网格的负载平衡问题。第1步优化采用传统的贪婪算法，完成对大块网格的剖分和以进程计算时间为指标的网格块分配；第2步采用遗传算法（GA），目标函数兼顾进程计算时间和通信时间，在第1步优化结果的基础上，对网格块在进程上的分配开展二次优化。为准确计算GA的目标函数，构建了一套计算时间和通信时间的建模方法，包括样本生成、模型建立和模型验证，整体方法具有一定的通用性。根据负载平衡问题以及两步优化策略的特点，对GA的编码、交叉、变异和种群初始化进行了研究，详细分析了交叉操作的递归问题及解决方法。算例验证说明建立的进程计算时间和通信时间模型具有较高的计算精度，能够用于GA的目标函数计算；两步优化策略能够在第1步优化的基础上进一步改善优化结果，从而减少CFD问题的整体计算时间，对于计算量巨大的工程问题具有较大的实用价值。

高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟

王德鑫, 褚佑彪, 刘难生, 李祝飞, 杨基明

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25754

2021, (9): 625754-625754.

摘要

采用大涡模拟研究了出口堵塞比为50.8%的轴对称进气道流动，重点考察了内外流耦合作用下流动的非定常特性。采用国家数值风洞（NNW）工程仿真软件进行数值模拟，得到的壁面平均压力、瞬时压力分布与试验数据符合良好。分析表明：为匹配出口背压，进气道在喉道区域形成激波串结构，使内流道流场分为上游超声速区、中部激波串区以及下游亚声速区；在激波串区，剧烈的逆压梯度产生了分离激波、激波串、分离区及分离剪切层等复杂结构；伴随着激波串运动和边界层大尺度分离，进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的时空分布表明：内流道脉动压力以扰动波的形式传播，为此建立的声反馈模型能较好地预测亚声速区的主导频率。相关性分析表明：激波串运动受上下游流动耦合作用，其中，频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响，频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。

新型铝锂合金AA2198高频疲劳红外热耗散演化规律

许罗鹏, 胡石, 刘青松, 王清远

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24482

2021, (9): 224482-224482.

摘要

利用红外成像技术开展新型铝锂合金AA2198高频疲劳（100 Hz）热耗散演化规律研究，发现不同应力条件下疲劳热耗散呈现上下波动特征，试件平均温度随着加载应力的提升有增加的趋势，但升温现象并不明显，不同应力条件下温度变化幅值小于1℃。疲劳试验初期和疲劳断裂时伴随着急剧升温过程，提出的能量转化理论模型合理解释了疲劳热耗散演化过程。研究还发现，喷丸强化在试件表面形成的残余压应力有助于激发疲劳裂纹的闭合效应，对试件的升温过程具有抑制作用。

航空拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力仿真

杜一江

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24495

2021, (9): 224495-224495.

摘要

为解决航空拖曳诱饵系统研制过程中拖曳缆绳强度设计问题，对拖曳诱饵系统机动过程缆绳张力进行了仿真研究。仿真中建立了缆绳的质量弹簧阻尼模型和诱饵弹的六自由度动力学模型，研究了直线加速和机动转弯2个典型飞行动作中缆绳受力情况，分析了载机加速度、飞行高度、缆绳弹性模量、缆绳直径等因素对缆绳张力的影响。结果表明：缆绳中张力大小不仅与诱饵弹、缆绳的气动阻力、重力有关，还与它们的惯性力有关；由于张力在缆绳中传递存在时滞性，机动过程中缆绳张力存在波动现象，波动的剧烈程度与载机加速度、缆绳弹性模量、缆绳直径有关；机动转弯过程中，缆绳会承受一个较大的峰值应力，该应力随着转弯角速度的增大而增大。

软式空中加油对接约束力不确定性分析

张国斌, 张青斌, 丰志伟, 陈青全, 杨涛

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24517

2021, (9): 224517-224517.

摘要

软式空中加油过程中锥套和受油管连接处的最大约束力，可造成锥套和受油管的脱离以及受油管的断裂，甚至引发安全事故。为了研究输油过程中软管锥套组合体的动力学特性，利用ALE-ANCF输油管道模型和多体建模方法，建立了加油系统刚-柔-液耦合的多体动力学模型；为了获取参数不确定条件下对接约束力的期望范围，采用融合多项式混沌方法和动力学模型的不确定性快速分析方法，得到了不同高度下飞行速度、输油软管长度和两机相对运动速度存在不确定性时的对接约束力期望范围。数值仿真结果表明，当受油机和加油机存在相对运动时，受油管在特定截面处的最大压力、剪力和弯矩的期望值将会分别大幅提高50%、272%和772%。

复杂时变激励下失谐叶盘瞬态强迫响应分析

敬彤, 臧朝平, 张涛, Yevgen Pavlovich PETROV

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24529

2021, (9): 224529-224529.

摘要

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法，不同于传统的数值积分方法，该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式，能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先，对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模，在精确地描述叶盘结构的动力学特性的前提下，极大的减少了模型的自由度数目。其次，模拟加速旋转的涡轮叶盘经过复杂流场时叶片表面上的气动载荷，并建立叶盘固有频率和振型随转速变化的数学函数；通过共振分析确定叶盘共振的转速区间并分析引起共振的激励阶次成分。最后，计算了不同旋转加速度和阻尼下叶盘的瞬态强迫响应，并对叶盘的失谐幅值放大因子进行研究。应用本办法对某86个叶片的涡轮叶盘进行了数值分析，结果表明，相同阻尼水平下，叶盘的瞬态强迫响应幅值随旋转加速度增加而降低，失谐幅值放大因子在瞬态条件下大于稳态条件下，最高可达30%。

基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统

王敏, 吴军卫, 蒲华燕, 孙翊, 彭艳, 谢少荣, 罗均, 丁基恒

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24532

2021, (9): 224532-224532.

摘要

随着遥感卫星光学成像设备等精度的不断提升，其对振动环境的要求也在不断提高，简单的线性被动Stewart平台已经无法满足苛刻使用要求。提出了一种新型基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振平台，其单自由度元件主要由多边形膜片弹簧、压电致动器、力传感器以及柔性铰链组成。相较于传统线性隔振器存在的高静刚度和低动刚度之间的固有结构矛盾，所提出的多边形膜片弹簧作为隔振器的关键原件，兼具高静-低动（HSLD）特性，能够使隔振系统同时具备较高的静态刚度进行静态承载以及较低的动刚度进行动态减振。为了降低被动隔振系统中存在的共振峰幅值，本文在被动膜片弹簧元件的基础上串联一个压电致动器与力传感器组成的主动控制元件进行主动振动控制。仿真结果表明，采用比例积分力（PIF）反馈控制算法的主动控制系统，在频域上不仅可以通过积分力环节搭建出天棚阻尼的效果来降低共振峰峰值（11.19 dB），而且其比例-力环节可等效为增大了质量矩阵项，能够有效降低减振系统的固有频率（20.9 Hz），拓宽其减振带宽，并同时能维持高频段的高衰减性，在时域上也能够将系统的加速度振动幅值从±0.6g降低至±0.07g，振动衰减达88%。

3D打印夹芯复合材料模拟冰型设计与分析

彭锦峰, 吴东润, 崔为运, 蔡登安, 周光明

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24536

2021, (9): 224536-224536.

摘要

适航取证是所有民用飞机走向市场投入使用的必经环节。根据适航条例，测试机完成模拟冰型试飞是必须进行的Ⅰ类风险试飞课目，以考察飞机综合的气动以及操作稳定性能。由于真实结冰飞行测试难度大风险高，因此开展模拟冰型的研究设计格外重要。以某民用飞机机翼自然结冰过程为研究对象，首先，确定研究飞机的临界冰型，设计模拟冰型结构以及采用3D打印夹芯材料制作复合材料模拟冰型；其次，通过CFD仿真得到带冰模型在极端工况下所承受的气动载荷，利用有限元分析得到模拟冰型的破坏强度以及破坏形式；最后，通过静力试验验证仿真结果的有效性，继而验证3D打印夹芯复合材料模拟冰型设计方案的可行性。

带有安装边螺栓连接结构的机匣包容能力研究

曹振忠, 张帆, 章定国, 余毅

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24563

2021, (9): 224563-224563.

摘要

为了研究带有安装边螺栓连接结构的机匣对断裂叶片的包容能力，截取环形机匣中的安装边螺栓连接结构，开展有限元仿真和冲击试验。首先，使用LS-DYNA软件建立有限元模型，研究撞击角度、撞击位置、定距套和止口对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击能力的影响。仿真结果表明：撞击位置、撞击角度、定距套和止口都对结构的抗冲击能力有显著的影响，当叶片撞击在单侧机匣的安装边位置时结构的抗冲击能力最弱，定距套和合理的止口设计都能够有效提高结构的抗冲击能力。然后，通过机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击试验，验证了数值仿真方法的准确性和可靠性，为数值仿真结论的有效性提供了依据。最后，通过数值仿真分析了螺栓断裂过程，并结合试验分析揭示了螺栓发生剪切断裂和拉伸断裂的原因。

Stratobus平流层飞艇项目研究进展与仿真分析

杨希祥, 朱炳杰, 邓小龙, 麻震宇

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24579

2021, (9): 224579-224579.

摘要

平流层飞艇是当前的前沿热点研究方向，创新性强、技术挑战大。针对国外公开在研的大型超长航时平流层飞艇项目Stratobus，首先对基本方案进行总结分析，梳理总体研究进展，然后归纳剖析囊体材料、太阳电池、可再生氢氧燃料电池、吊舱移动系统等核心关键技术方案和研究进展，在此基础上，通过数值仿真，对决定平流层飞艇总体方案可行性的浮重平衡、推阻平衡、能源平衡进行综合分析，提出了Stratobus项目发展的启示，为平流层飞艇总体设计和研究发展提供参考借鉴。

概率盒全局灵敏度和活跃子空间跨层降维

胡政文, 张保强, 邓振鸿

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24582

2021, (9): 224582-224582.

摘要

航空航天仿真系统中的不确定性通常是多源的、混合的，并且系统参数的维数众多。针对高维混合不确定性量化问题，提出一种结合概率盒全局灵敏度和活跃子空间的跨层降维方法。在随机和认知不确定的概率盒表征基础上，使用不确定性缩减法分析参数的全局灵敏度继而进行参数筛选；基于输出梯度协方差矩阵的特征分解，使用活跃子空间法对参数进行降维；构造出一种概率盒表征下的参数筛选和跨层降维方法。最后以NASA多学科不确定性量化挑战问题为例，通过概率盒全局灵敏度分析进行第1层次的参数筛选，原有的21维输入参数减为13维；随后采用活跃子空间进行第2层次的参数降维，维数进一步降至一维。研究结果表明，所提出的方法能够对混合不确定性参数进行灵敏度排序，还能够有效降低模型输入参数的维度，为高维系统混合不确定性量化和进一步的优化工作奠定了基础。

面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法

李增聪, 陈燕, 李红庆, 田阔, 王刚, 高峰, 王博

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24616

2021, (9): 224616-224616.

摘要

为了提高航天器回转曲面加筋型连接结构的集中力扩散效率，需要开展回转曲面加筋集中力扩散结构设计。传统放射肋设计方法普遍依赖设计经验、难以满足集中力高效扩散需求。因此，提出一种面向集中力扩散的回转曲面加筋拓扑优化方法。第1步，建立了一种基于各向异性过滤技术的集中力扩散拓扑优化方法，保证拓扑优化结果满足回转曲面加筋制造工艺要求；第2步，提出了一种基于网格变形技术的拓扑优化结果智能重构方法，可高效准确地对回转曲面加筋拓扑优化结果进行模型自动重构。基于所提出方法，以卫星平台对接环这种典型的回转曲面加筋壳为对象开展算例研究，并将优化结果与传统放射肋设计结果进行对比。结果表明，所提出的优化方法可得到加筋构型清晰、满足回转曲面加筋制造工艺要求的优化结果，且具有集中力扩散效率高、网格质量依赖性低、拓扑特征重构高效等优点。

扑翼飞行器动力系统建模方法

年鹏, 宋笔锋, 宣建林, 王思琦

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24646

2021, (9): 224646-224646.

摘要

为快速评估扑翼飞行器的航时，便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化，逐步减少实物验证与试飞，加快扑翼飞行器的研制，基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型，其中电机模型相对误差小于10%，锂电池动态模型相对误差小于6%；提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法，解决了气动载荷测量较为困难的问题，模型确定系数大于0.89；集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型，确保仿真在动态配平状态下进行，可进行全任务剖面航时仿真，航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想，各模型参数独立可调，能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。

SMA鼓包迟滞建模与控制策略

陈旭亮, 张琛, 季宏丽, 裘进浩

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24652

2021, (9): 224652-224652.

摘要

激波控制鼓包SCB是一种减小激波阻力的流动控制技术。为了解决固定挠度鼓包工作范围较窄的问题，提出了一种具有双向记忆效应的形状记忆合金SMA鼓包，通过控制SMA鼓包的温度来改变其挠度。SMA鼓包最大可回复位移为6.1 mm，为鼓包变形区域的2.65%。针对迟滞现象对鼓包挠度控制的影响，基于（Krasnosel'skii-Pokrovskii，KP）模型对SMA鼓包的温度/挠度迟滞特性进行了建模研究。采用粒子群算法来辨识模型参数，辨识得到的迟滞模型最大误差为0.107 mm。设计了2种基于KP模型的PID控制方案，一种为无迟滞补偿的单目标PID控制，一种为迟滞逆模型前馈补偿的双目标PID控制。仿真与实验结果表明，迟滞逆模型前馈补偿的双目标PID控制时域性能优于无迟滞补偿的单目标PID控制。

威布尔型通用件配置方案评估及优化

徐立, 阮旻智, 李华, 周亮

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24655

2021, (9): 224655-224655.

摘要

针对威布尔型通用备件配置方案评估及优化问题，采用部件寿命等效原理，将威布尔型部件消耗过程等效为伽玛冲击过程，建立了威布尔型通用备件的满足率评估模型。结合备件满足率指标约束，给出了威布尔型通用备件的优化配置方法。开展了仿真算法设计，结合算例进行仿真对比分析，结果表明：本文建立的威布尔型通用备件的满足率评估模型具有较高的评估精度，能够对不同寿命分布的威布尔通用备件配置方案进行评估，备件配置优化方法能够在备件满足率指标约束下准确给出威布尔通用件配置方案。提出的模型和优化方法能够为装备保障部门开展威布尔型通用备件配置方案评估与优化提供理论支撑和决策支持。

分布式涵道风扇喷流对后置机翼的气动性能影响

张阳, 周洲, 郭佳豪

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24977

2021, (9): 224977-224977.

摘要

以分布式电推进（DEP）垂直起降（VTOL）无人机（UAVs）为研究背景，采用基于混合网格技术及k-ωSST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）/动量源方法（MSM），对分布式涵道风扇-机翼构型的喷流气动特性进行了高精度准定常的数值模拟。通过对涵道单元/涵道-机翼的实验验证了零来流条件下数值计算方法的可靠性和高效性，进而对分布式涵道风扇-机翼构型的气动优势进行了分析讨论，最后对分布式涵道风扇的转速、间距、涵道风扇旋转方向等因素进行了数值模拟。研究表明：相比于单个涵道风扇，分布式涵道风扇通过喷流的耦合作用大大提升了机翼的气动特性；分布式涵道风扇不同转速的喷流对截面翼型的压力分布和周围流场的速度分布影响具有一定的相似性，但具体数值随转速变化；分布式涵道风扇间距的增大会改善涵道风扇单元的拉力特性，机翼的气动特性会随之降低；涵道风扇合理的旋转方向不仅会使得下翼面喷流区域的高压过渡更加平缓，静压数值更加连续，而且内侧涵道风扇也会被外侧喷流所激励，对机翼的升力特性产生更好的诱导效果。

DIMA架构下飞机全电刹车系统故障传播行为分析与评估

阎芳, 向晨阳, 董磊, 王鹏

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24674

2021, (9): 324674-324674.

摘要

在DIMA平台开放性体系架构的背景下，飞机航电与机电等系统功能逐渐渗透融合，面向DIMA架构的全电刹车系统是未来飞机刹车系统的主流设计趋势，但目前尚未形成针对DIMA架构下全电刹车系统的故障传播行为分析与评估方法。针对上述问题，首先结合DIMA架构特征和全电刹车相关标准，分析面向DIMA架构下的全电刹车系统分层架构，在此基础上构建全电刹车系统任务-功能-资源层次模型。其次，考虑到DIMA平台资源共享的特点，结合系统层次模型开展系统耦合关联分析，引入Floyd算法计算间接耦合矩阵以及路由矩阵，通过构造失效严重程度矩阵量化系统关联耦合度，建立系统故障传播结构模型，综合考虑故障路径传播概率和系统边缘介数，构建DIMA架构下全电刹车系统故障传播强度模型，以识别系统故障传播关键路径，完成故障传播行为分析与评估。最后通过实例分析，以验证所提方法的正确性与合理性。

基于鲁棒模型的航空交流感应电机预测转矩控制

颜黎明, 赵冬冬, 焦宁飞

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24700

2021, (9): 324700-324700.

摘要

航空领域对驱动电机的动态、稳态及鲁棒性能提出了更为苛刻的要求。近年来，有限集模型预测控制（FCS-MPC）以其动态响应快、稳态性能好（同开关频率下）等诸多优点成为电机驱动领域的国际研究前沿。然而，预测模型依赖于电机参数，鲁棒性差。特别地，在感应电机的FCS-MPC中，模型失配引起电磁转矩预测误差，进而降低系统性能甚至导致系统失稳。针对此问题，提出了一种基于鲁棒模型的感应电机预测转矩控制。在定子电流预测方面，在传统开环模式的基础上，建立了闭环模式的定子电流预测方程，研究了其稳定性及参数设计方法。在定子磁链矢量预测方面，在传统电压模型预测法的基础上，建立了融合电压模型及电流模型的离散混合预测模型，基于比例积分调节器调节电压模型到电流模型的平滑切换。感应电机的电磁转矩则由闭环模式预测的定子电流和定子磁链计算得到。在一台2.2 kW感应电机实验平台上对本文提出的算法进行验证，实验结果证明了该方法的有效性。

模糊线性/非线性自抗扰切换控制及其应用

吴正平, 邓聪, 文海

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24710

2021, (9): 324710-324710.

摘要

针对干扰弹在作战过程中所遇到的强非线性的干扰、模型不确定性的影响等特性，提出了一种模糊线性/非线性自抗扰切换控制器。首先，以干扰弹滚转运动模拟装置为研究对象，分别建立了以飞轮角速度为被控量、滚转角为被控量的数学模型；提出了用模糊规则改进线性/非线性自抗扰切换控制条件，进而实现更为平稳的模糊软切换；然后选择采用飞轮角速度线性自抗扰控制内环和滚转角模糊线性/非线性自抗扰切换控制外环的双闭环控制策略；最后，搭建了系统的仿真模型与实验平台。仿真与实验结果都表明该控制器兼具了线性自抗扰与非线性自抗扰的优势，具有较高的实际应用价值。

管制-飞行状态相依网络演化过程

李昂, 聂党民, 温祥西, 韩宝华, 曾裕景

doi:10.7527/S1000-6893.2021.24726

2021, (9): 324726-324726.

摘要

动态、准确的管制系统运行态势预测是航空运输系统各相关单位开展协同决策的关键基础。基于航空器间的冲突情况、管制员对航空器的管控情况以及管制移交情况构建管制-飞行状态相依网络，探究、分析其演化规律，采用相关性分析和主成分分析证明了所选5项指标的合理性。设置自由飞行和固定航线飞行两种仿真场景，通过计算平均节点度、平均点强等拓扑指标的最大李雅普诺夫指数证明各时间序列均具有混沌特性，选择长短期记忆（LSTM）人工神经网络方法对各时间序列的演化规律进行预测，并与其他预测算法进行对比。仿真结果表明LSTM算法能对管制系统的演化过程进行有效的预测，且预测精度高于贝叶斯算法和支持向量机算法；在自由飞行条件下，5项指标的预测误差绝大部分在20%以内，固定航线飞行的预测效果优于自由飞行。

发动机控制系统限时派遣运行的成本优化方法

韩冰, 陆中, 张子文, 易阳, 李超

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24794

2021, (9): 324794-324794.

摘要

限时派遣TLD可以提高飞机的签派可靠度，降低由于航班延误或取消导致的运行损失。面向TLD分析建立了典型发动机控制系统马尔可夫模型，利用连续时间马尔可夫链CTMC推导了状态稳态频率公式，构建了系统单位时间运行成本模型。以平均完整性要求及签派可靠度要求为约束条件，以带故障派遣时间为决策变量，以系统单位时间运行成本以及签派可靠度为优化目标，分别构建了TLD分析的单目标和多目标优化模型。结合简化的发动机控制系统和实际全权限数字式发动机电子控制FADEC系统给出了工程应用实例，验证了模型的有效性。实例表明本文方法能够保证飞机在满足安全性要求和签派可靠度要求的条件下降低运行成本。

基于导向强化Q学习的无人机路径规划

周彬, 郭艳, 李宁, 钟锡健

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25109

2021, (9): 325109-325109.

摘要

随着无人机的广泛应用，其飞行能耗和计算能力面临着瓶颈问题，因此无人机路径规划研究越来越重要。很多情况下，无人机并不能提前获得目标点的确切位置和环境信息，往往无法规划出一条有效的飞行路径。针对这一问题，提出了基于导向强化Q学习的无人机路径规划方法，该方法利用接收信号强度定义回报值，并通过Q学习算法不断优化路径；提出"导向强化"的原则，加快了学习算法的收敛速度。仿真结果表明，该方法能够实现无人机的自主导航和快速路径规划，与传统算法相比，大大减少了迭代次数，能够获得更短的规划路径。

嵌入式处理器P2020机器码程序到C语言源程序的溯源方法

谢文光, 李琪, 马春燕, 汪克念, 尹伟, 张涛

doi:10.7527/S1000-6893.2021.25177

2021, (9): 325177-325177.

摘要

处理器PowerPC P2020在航空航天等嵌入式领域被广泛应用，以RTCA/DO-178C中A级软件的适航要求作为研究的出发点，提出了从文件、函数声明、函数体代码3层次实现P2020机器码程序到C源程序的溯源方法。在获取C语言源程序与PowerPC P2020机器码程序文件名列表的基础上，实现PowerPC P2020机器码文件主名的溯源；通过遍历C源程序抽象语法树和PowerPC P2020机器码获取函数名列表，实现PowerPC P2020机器码函数声明的溯源；通过定义C语言程序抽象语法树节点生成期望汇编指令序列的规则，实现PowerPC P2020机器码函数体的溯源。通过设计245个C源程序文件与345个PowerPC P2020机器码程序文件，1 111个C语言函数声明与1 273个PowerPC P2020机器码函数声明，以及覆盖C语言程序23类语法结构的460个测试用例，验证了PowerPC P2020机器码程序到C源程序的自动化溯源方法的有效性。结果表明：文件溯源和函数声明溯源的追溯匹配率达100%，程序函数体代码的平均溯源匹配率达97.22%。溯源匹配结果可以检查PowerPC P2020机器码程序是否在编译过程插入例外异常代码，以防止其带来的安全隐患，保证航空航天嵌入式安全关键软件机器码的安全性和可靠性。

基于模块服役状态的盒式连接可重构型架稳定性评估方法

张宏博, 郑联语, 王艺玮

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24180

2021, (9): 424180-424180.

摘要

盒式连接可重构型架的稳定性对飞机部件的装配质量有着重要影响。为了解决当前稳定性评估方法在实施成本及有效性上的不足，从型架模块化特征出发提出基于模块服役状态的盒式连接可重构型架稳定性评估方法。首先，分析了盒式连接可重构型架服役过程，指出该过程是由作业期与空置期交替组合而成，并给出了服役稳定性及服役稳定度定义；然后，构建了基于型架关键测量特性的服役状态评价模型，实现了盒式连接可重构型架服役状态退化过程的描述及利用实测数据的空置期服役状态评估；同时，针对作业期内难以甚至无法获取测量数据的问题，提出基于多源稳定性影响因素分析并利用稳定性熵来表征服役状态退化程度的策略；最终融合空置期与作业期的评估结果构建了型架稳定性综合评价模型，相比传统的定检方法能够更简捷、有效地完成某一时间段内型架服役稳定性评估。最后，以某型垂尾盒式连接可重构装配型架后梁定位器模块为实验对象，验证了所提出方法的有效性。

GEO卫星多层隔热组件充放电特性仿真

冯娜, 季启政, 张絮洁, 唐小金, 张宇, 杨勇, 唐旭

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24469

2021, (9): 424469-424469.

摘要

多层隔热组件包覆于卫星外表面，占据了整星表面的60%以上，既是必要的热控组件，也是抑制空间强电磁环境源的重要载体。相较于卫星内部组件，星表直接面临高能粒子的冲击与作用，导致其在轨面临的静电威胁极为严峻。其本质原因是高能电子穿透多层隔热组件的面膜，沉积于多层组件内部间隔层，进而在介质材料层形成了内建电场，造成静电放电效应。针对多层隔热组件的复合结构特点，建立了合理优化的内带电物理模型及其计算模型，模拟了GEO环境电子在典型多层隔热组件电子输运过程，进而计算明晰了间隔层涤纶网的电场分布特性。结果表明，在GEO恶劣电子辐射环境下，多层涤纶网充电电场强度可高达9.7×108V/m，存在放电风险；涤纶网接地边、角处的电场强度最高且电场畸变幅度巨大；多层充放电风险主要来自涤纶网与反射屏之间的非紧密接触而伴随的不良接地情况，建议通过加密棉线缝合间距以提升涤纶网与反射屏的接触效果，从而降低多层的充放电风险。

不同编织结构Cf/Al复合材料高温压缩性能与失效机理

兰泽宇, 余欢, 徐志锋, 帅亮, 胡银生

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24488

2021, (9): 424488-424488.

摘要

对基于真空气压浸渗法制备的三维五向、三维正交、叠层穿刺和2.5D浅交直联4种不同编织结构Cf/Al复合材料，分别在350℃和400℃下进行压缩试验，分析其高温压缩性能以及温度对复合材料压缩性能的影响，并进一步利用SEM观察叠层穿刺结构的断口形貌，探讨其压缩失效机理。结果表明，不同编织结构的复合材料在高温环境下压缩性能差异较大，三维正交结构的压缩强度最高，在350℃和400℃下分别为351.4 MPa和288.6 MPa；2.5D浅交直联结构的压缩强度最低，分别为87.3 MPa和52.2 MPa。同时不同编织结构的Cf/Al复合材料高温稳定性也存在较大差异，当温度由350℃升高到400℃时，2.5D浅交直联结构的压缩强度下降幅度较大，约为40.2%，其高温压缩稳定性较差；叠层穿刺结构的压缩强度下降幅度较小，约为4.0%，其高温压缩稳定性较好。叠层穿刺结构复合材料的高温压缩失效过程根据切线模量特征可分为两个阶段：第一阶段基体合金承受主要载荷，第二阶段基体与增强纤维共同承受载荷。

剧烈塑性变形对钛合金热氧化的影响

杨换平, 庄唯, 王耀勉, 剡文斌

doi:10.7527/S1000-6893.2020.24656

2021, (9): 424656-424656.

摘要

钛合金热氧化通过在表面形成氧化层和氧扩散层改善其综合性能。热氧化前对钛合金进行剧烈塑性变形可以引入高密度晶界、位错、孪晶界等晶体缺陷及高畸变能，能够促进氧原子吸附、降低氧化物形核温度、加速氧化膜生长并促进氧原子向基体内的扩散，形成更厚、更致密的氧化层和更深的氧扩散区，获得更好的性能。本文对剧烈塑性变形钛合金的热氧化进行综述。首先，介绍了几种常见的剧烈塑性变形方法，总结了钛合金剧烈塑性变形和热氧化复合处理的工艺情况和处理效果。然后，根据氧化物形成的一般过程阐述了剧烈塑性变形引起的微观结构变化对氧原子吸附、氧化物形核、氧化膜形成、氧化膜增厚和氧扩散区形成的影响机理。最后，总结了剧烈塑性变形对氧化膜厚度、氧扩散区范围和氧化物形貌等热氧化微观结构及硬度、摩擦磨损等力学性能的影响，指出了当前研究中存在的问题，并展望了未来的研究方向。