三维网格动态细化技术在切削仿真中的应用

为解决切削加工有限元仿真模型求解速度与精度难以平衡的问题，提出了一种适用于三维有限元模型的网格动态细化算法。该算法的主要功能包括网格细化区域判断、网格细化以及新旧网格物理场传递。采用Python语言对Abaqus软件进行二次开发，将该算法应用于Ti2AlNb钛合金车削加工仿真之中，并最终通过实验验证了仿真模型的准确性。与采用局部网格细化的仿真模型计算结果对比，采用网格动态细化技术的仿真模型求解切削力误差增加了7.3%，求解最大应力误差增加0.2%，求解速度提升174.2%。实现了在保证仿真计算精度的基础上，有效提高运算速度。     

基于扫掠法的六面体网格生成算法及实现

提出了一种基于扫掠法的六面体网格生成算法,该算法通过源和目标曲面参数域间的近似最小二乘仿射映射将源曲面的网格投影到目标曲面,并利用背景网格插值的方法计算内结点,从而将2.5维实体生成六面体网格。该算法避免了空间网格投影过程中耗时的“寻根”过程,并且不需要导致效率降低的网格优化,能够处理各种2.5维实体,生成的网格质量较好。     

处理动边界问题的无网格/直角网格混合算法

把无网格/直角网格混合算法发展用于涉及动边界的非定常流动计算问题.采用无网格/直角网格混合算法,计算区域整体采用直角网格,只在物面附近嵌入局部无网格.对于动边界问题,本文让主体直角网格保持固定,用原混合算法中的局部无网格区跟随运动边界,使得动边界物面附近有不变的点云结构,避免了点云重构;无网格区与直角网格交界面随边界运动跟踪确定,由于主体基于直角网格,方便了交界面的跟踪.用发展的混合算法,结合非定常Euler方程双时间推进方法,先对翼型作俯仰振荡的非定常跨声速流动进行了数值模拟,计算结果与现有文献和实验数据进行了比较与验证;结合刚体运动方程,成功模拟了二维外挂物投放过程,算例展示出发展的混合算法适合处理大位移运动边界问题.     

切削加工有限元仿真技术的现状与展望

切削加工有限元仿真是采用数值方法模拟切削加工过程的技术,可以研究切削加工过程中材料去除引发的各种物理机制,在优化切削参数、提高加工质量、降低研究成本等方面具有显著优势。如何使切削加工有限元仿真与实际的切削加工更加吻合是研究的热点,为此国内外开展了众多切削加工有限元仿真技术的研究工作,相关成果已在多种关键部件的切削加工中得到工程应用。本文概述了切削加工有限元仿真的几何仿真和物理仿真各自的基本原理、优势和发展趋势,系统总结了国内外学者为了提高切削加工有限元仿真的精度和效率,在本构模型和网格划分方面所开展工作的发展现状,综述了切削加工全过程动态仿真方法的研究进展,并对切削加工有限元仿真技术的重要问题和未来发展趋势进行了展望。     

圆转方非轴对称喷管无粘流动的多层网格法求解

本文利用多层网格法求解三维无粘亚音和跨音速圆转方非轴对称喷管的流动,基本格式是把Ni[1]的二维有限体积积分格式推广到三维流场。边界条件采用文[2]中的“预测一修正”处理方法。为了进一步提高格式稳定性,在计算流动变量的一阶时间变化量时,采用单元体积平均法而不是文[1]中的算术平均法。引入当地时间步及多层网格方法,以加快格式的收敛速度。文中还对多层网格构造形式及其收敛效果作了讨论。通过对两种喷管模型流动的计算和与试验数据的对比,验证了该算法的精度。     

基于预处理和网格自适应的风力机翼型气动力计算

用预处理后的Navier-Stokes方程数值模拟低马赫数下风力机翼型的静态和动态绕流流动。为了提高计算的精度,运用了网格自适应技术:初始网格的流场计算收敛后,采用流场速度的紊乱度捕捉湍流区域;采用直接分裂初始父单元的H型网格加密方法对湍流区域进行局部加密。基于初始网格与自适应网格的计算结果与实验结果的对比表明,网格自适应方法提高了计算的精度。     

基于改进蝴蝶优化算法的无人机3-D航迹规划方法

针对基本蝴蝶优化算法（Butterfly optimization algorithm,BOA）在进行无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）三维航迹规划时存在的搜索速度慢、搜索精度低以及易陷入局部最优等问题，提出一种改进的蝴蝶优化算法（Improved butterfly optimization algorithm,IBOA）。在全局搜索阶段提出对数自适应惯性权重策略和动态更新调节策略，提高了算法全局搜索能力和搜索精度。同时，在局部搜索阶段，提出一种动态概率余弦选择策略，增加位置更新多样性，避免陷入局部最优。首先，为检验改进算法与基本算法的寻优性能，在部分标准多元函数上进行仿真对比。对比结果表明，改进算法对复杂函数具有较强的寻优能力，能在更短时间内找到全局最优解。然后，在二维路径规划仿真中对比了改进算法与PSO算法性能，从对比结果看，IBOA具有更优的规划效果。接着，利用山峰模拟函数对UAV三维航迹规划进行建模，将改进算法应用到航迹规划中，利用MATLAB仿真对比了不同复杂度环境下的航迹规划效果。仿真实验表明：相同实验条件下，该优化算法较BOA综合适应度值减...     

高阶龙格库塔间断有限元方法求解二维谐振腔问题

提出了使用高阶龙格库塔间断有限元方法在时域求解经典的电磁场谐振腔问题,间断有限元方法在空间离散时采用非结构化网格且在时域显式求解方程,这是有限元方法和有限体积方法的最佳结合。该方法通过采用局部高阶多项式插值基函数获得高阶精度。文中使用该方法研究了横磁波在二维谐振腔中的传播情况,以及高阶的拉格朗日基函数。数值实验采用了高阶的二变量拉格朗日多项式基函数,数值计算结果与理论解析解相吻合。文中还讨论了不同阶数多项式插值基函数对计算精度的影响。结果表明,随插值基函数阶数增加,计算精度迅速提高。最后讨论了不同插值基函数阶数对L^2误差的影响,结果显示L^2误差随插值基函数阶数增加呈指数下降。     

基于切割单元直角坐标网格的DSMC方法及优化技术

对传统直角坐标网格进行改进,根据计算机图形学对与物面相交的正方形网格进行切割,使单元与物面贴体,并能根据流场的变化对网格区域进行局部加密。结合直角坐标网格与非结构网格的特点,编写了自适应直角坐标网格的生成程序,并发展了基于切割单元直角坐标网格的直接模拟蒙特卡洛(Direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法。同时通过当地模拟分子数、动态时间步长技术优化DSMC方法,提升计算效率。数值结果表明,本方法在计算过程中使搜索效率得到大大提升,同时也保证了物面网格单元的贴体性,提高了物面附近流场的计算精度,还易于实现网格自适应。     

三角网格模型重建中的误差分析与显示

根据实物模型的坐标测量，数据重建模拟的三角网格曲面表示在实践中有着广泛的应用。在许多对精度有较高要求的应用中，对重建网格模型的误差分析是必不可少的。本文提出并实现了一种对重建三角网格模型进行误差分析的方法，该方法首先对网格模型空间进行划分以提高算法的效率，通过计算测量点与网格模型间的最短距离，得到网格模型的误差分布，最后将计算得到的三角网格模型中每个顶点的误差度量转换为相应的颜色表示，并用彩色云图对分析结果进行直观的显示。     

基于结构网格点的Euler方程无网格自适应求解算法

提出了一种自适应无网格Euler方程求解算法。构造了基于无网格点云结构的布点加密技术,实现了借助压力梯度变化准则的流场局部加密;借助流场结构化剖分技术,给出初始无网格节点分布,并采用四步显式Runge—Kutta时间格式推进计算,求解了绕翼型的典型流动问题。数值算例表明,本文提出的方法能有效地提高流场的分辨率,如捕捉激波等流动特征清晰明了。     

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内,数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响,导致涡量耗散过快,不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题,文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法,获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法,对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场,从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理,比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响,以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明,开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度,但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

改进的CFD/CSD耦合系统设计方法及其计算

论述了界面上的数据交换方法和时间推进格式在流体动力学（CFD）和结构动力学（CSD）耦合求解非线性气动弹性问题中的关键作用;改进了CFD／CSD耦合系统．包括基于边界元方法设计了CFD和CSD耦合界面的数据转换方法,该方法可在同一映射矩阵处理结构响应和非定常气动载荷转换,保证了耦合边界上的能量守恒;改进了一种松耦合方法流程,在保持模块化基础上提高了计算精度和效率。最后将本文方法应用于二维位移外插算例和A—GARD445．6机翼的动响应分析中,结果表明本文方法具有较高精度。     

基于自适应容积粒子滤波的车辆状态估计

针对车辆状态估计中由模型的强非线性、噪声的非高斯分布等相关因素导致估计精度下降甚至发散的问题,本文提出了基于自适应容积粒子滤波(Adaptive cubature particle filter,ACPF)的车辆状态估计器。首先基于非稳态动态轮胎模型,构建高维度非线性八自由度车辆模型。其次利用自适应容积卡尔曼滤波(Adaptive cubature Kalman filter,ACKF)算法更新基本粒子滤波(Particle filter,PF)算法的重要性密度函数,以完成自适应容积粒子滤波算法设计。利用车载传感器信息,运用ACPF算法实现对车辆的侧倾角、质心侧偏角等关键状态变量高精度在线观测。搭建Simulink-Carsim联合仿真平台进行了算法的验证,结果表明该算法状态估计精度高于传统无迹粒子滤波(Unscented particle filter,UPF)算法,且算法运算效率高于UPF算法,而传统PF估计值发散。研究结果为实现车辆动力学精准控制提供了理论支持。     

复杂模型四轴线电火花线切割实体仿真

对线切割系统的运动和性能进行分析,计算了电极丝的最大倾角,给出了切割时电极丝、夹具和工作台之间不发生干涉碰撞的判断条件。在线切割仿真中,基于实体布尔操作实现了实体切割模型的生成。通过电极丝每步扫掠体的布尔并运算,生成切割全过程的电极丝扫掠体。再通过该扫掠体与毛坯体的布尔差运算,得到仿真实体切割模型。该方法同样适用于锥度体切割时可能出现的电极丝路径交叉的情况。文中最后给出了实例,验证了该方法的正确性。     

Lattice Boltzmann Flux Solver： An Efficient Approach for Numerical Simulation of Fluid Flows

A lattice Boltzmann flux solver （LBFS） is presented for simulation of fluid flows. Like the conventional computational fluid dynamics （CFD） solvers, the new solver also applies the finite volume method to discretize the governing differential equations, but the numerical flux at the cell interface is not evaluated by the smooth function approximation or Riemann solvers. Instead, it is evaluated from local solution of lattice Boltzmann equation （LBE） at cell interface. Two versions of LBFS are presented in this paper. One is to locally apply one-dimensional compressible lattice Boltzmann （LB） model along the normal direction to the cell interface for simulation of compressible inviscid flows with shock waves. The other is to locally apply multi-dimensional LB model at cell interface for simulation of incompressible viscous and inviscid flows. The present solver removes the drawbacks of conventional lattice Boltzmann method （LBM） such as limitation to uniform mesh, tie-up of mesh spacing and time interval, limitation to viscous flows. Numerical examples show that the present solver can be well applied to simulate fluid flows with non-uniform mesh and curved boundary.     

Numerical Simulation of ATPS Parachute Transient Dynamics Using Fluid-Structure Interaction Method

In order to simulate and analyze the dynamic characteristics of the parachute from advanced tactical parachute system(ATPS),a nonlinear finite element algorithm and a preconditioning finite volume method are employed and developed to construct three dimensional parachute fluid-structure interaction(FSI)model.Parachute fabric material is represented by membrane-cable elements,and geometrical nonlinear algorithm is employed with wrinkling technique embedded to simulate the large deformations of parachute structure by applying the NewtonRaphson iteration method.On the other hand,the time-dependent flow surrounding parachute canopy is simulated using preconditioned lower-upper symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)method.The pseudo solid dynamic mesh algorithm is employed to update the flow-field mesh based on the complex and arbitrary motion of parachute canopy.Due to the large amount of computation during the FSI simulation,massage passing interface(MPI)parallel computation technique is used for all those three modules to improve the performance of the FSI code.The FSI method is tested to simulate one kind of ATPS parachutes to predict the parachute configuration and anticipate the parachute descent speeds.The comparison of results between the proposed method and those in literatures demonstrates the method to be a useful tool for parachute designers.     

基于CFD/CSD/CAA耦合的声气动弹性仿真技术在壁板颤振中的应用

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学/计算气动声学（CFD/CSD/CAA）耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算。采用D’Alembert原理和有限元方法建立了二维简支壁板在超声速流作用下的非线性动力学方程,并在时域内进行求解。其中几何非线性采用Von Karman大变形理论描述。以二维弹性壁板作为研究对象,研究了超音速流场中噪声、气动力、和壁板之间的相互作用所产生的非线性颤振现象。     

直升机旋翼计算流体力学的研究进展

依据直升机旋翼计算流体力学(CFD)的发展，分别介绍了小扰动位势方程、全位势方程、Euler方程和Navier—Stokes方程在旋翼流场计算中的研究现状和发展趋势，着重从方程离散、数值算法、网格生成、计算时间和计算精度等方面分析了不同旋翼CFD方法的特点，指出了旋翼的尾迹在旋翼流场计算中的重要性，并针对位势方程和Euler／N—S方程分别讨论了求解的边界条件。最后，对旋翼CFD的发展提出了几点展望。     

分离涡模拟类方法发展及在叶轮机械内流场的应用

分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法是目前支撑叶轮机械精细化设计的高精度且工程可实现的数值模拟方法之一。本文简要回顾了DES类方法的发展历程、存在问题和解决方法,并以基于一方程的DES类方法为例阐明其构造思路。在准确性验证方面,针对叶轮机械中普遍存在的分离和转捩现象,结合当前DES类方法对经典物理模型的模拟结果,分析了DES类方法对该现象的预测能力。在此基础上,对DES类方法在直叶栅、亚声速和跨声速叶轮机械内流场的预测精度及应用现状进行了简要评述,并着重分析了当前DES类方法在叶轮机械应用中需要兼顾的问题,为下一步DES方法在高性能压气机设计中的应用提供参考。