摘要：针对跨介质飞行器入水过程中受到较大冲击载荷的问题,提出一种基于工程需求的负泊松比抗冲击结构拓扑优化设计方法,通过将弹性模量和泊松比引入拓扑优化设计的目标函数,得到满足抗冲击性能需求的负泊松比星形-四边形蜂窝(Star-quadrangular Honeycomb,SQH)结构。在建立SQH结构理论分析模型的基础上,推导冲击载荷下的平台应力解析公式,并通过数值模拟仿真进行校验。通过与星形-圆环蜂窝(Star-circle Honeycomb,SCH)等多种负泊松比结构的比吸能进行对比,得到SQH结构在低速、中速、高速冲击下的比吸能分别高于SCH结构28.74%、45.2%、7.03%。通过流固耦合仿真分析,对所设计的SQH夹层结构进行入水冲击降载研究,进一步讨论SQH夹层结构主要尺寸参数对入水冲击特性的影响。研究结果表明,在尺寸允许范围内,SQH单元倾角和单元壁厚的增大均使得结构产生的加速度峰值减小,动能转化为结构的变形能也减小,验证了用于工程需求的负泊松比结构拓扑优化设计的有效性。

摘要：将变体设计与翼身融合飞行器结合,是提升其飞行性能、实现跨域飞行的有效途径。如何协调飞行器结构变形、力学承载和轻量化的关系至关重要。首先分析了翼身融合飞行器在典型变形状态下的气动特性,指出兼顾展向和弦向的机翼构型变化可有效扩展飞行包线、调整静稳定度,并给出典型飞行阶段中飞行器变形状态。其次为实现飞行器双向组合变形,提出了分布式异构连杆机构设计方案。再次为解决飞行器变形和承载之间的矛盾,根据各变形状态下气动载荷特点,提出了分布式变拓扑承载梁设计方案,实现兼顾轻量化的飞行器变形/承载一体化设计。最后在仿真分析的基础上,完成变形驱动方案样件加工,并对其变形能力进行试验验证。结果表明,跨域翼身融合变体飞行器可改变其形状以适应多种载荷条件,实现大空域、宽速域的敏捷飞行。

摘要：针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题,提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法,分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计,得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料,并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型,建立了理论模型和有限元模型,对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算,拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求,证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.

摘要：针对充气自生长软体机器人现有主动方向控制方案对功能与精度难以兼顾的问题,通过对软甲亚纲海洋底栖动物腹节结构的模仿,提出非对称褶皱结构主动转向方案。通过在控制腔室内外侧布置非对称的褶皱结构,使控制腔室在充压时内外侧形成非对称的展开效果,从而形成长度差并实现对囊体转向的高精度可逆主动控制。在此基础上,完成对自生长软体机器人样机的制造。建立囊体褶皱宽度、褶皱间距等设计参数与转向半径、角度等性能关系的数学模型,并通过数值仿真与样机试验加以验证。研究结果表明:所提出的转向方案能够在保障囊体运动能力的前提下,有效驱动囊体实现大角度高精度的可逆方向控制,并具有较高的设计自由度;所建立的数学模型能够较为精确地对囊体运动性能进行预测;所设计自生长软体机器人可应用于未来城市作战中狭窄非通视空间的侦查和引导打击。

摘要：跨介质飞行器头部外形是影响跨介质过程中运动学特性的重要因素之一。通过采用常见的双参数立方多项式曲线方程,获取跨介质飞行器头部外形曲线无量纲参数,采用任意拉格朗日-欧拉方法完成不同头部外形跨介质飞行器的流固耦合建模及性能分析,研究不同头部外形入水后末速度与入水过程中所受最大冲击应力。以最大末速度和最小冲击应力为优化目标,在保证有限元仿真精度的同时,通过径向基神经网络提升计算效率,并利用多岛遗传算法对跨介质飞行器头部外形进行多目标优化,以得到最佳的头部外形。研究结果表明,跨介质飞行器最优头部外形相对于基本外形,入水过程速度衰减量与所受冲击应力明显降低,有效地减少入水过程中跨介质飞行器的能量损失,可为跨介质飞行器的头部外形设计提供参考。

摘要：参考气动弹性剪裁思想,通过将充气翼内部气梁沿展向偏转一定角度设计一种新型斜掠气梁充气翼。针对充气翼结构动力学特性研究需要对考虑周围空气影响的湿模态进行分析,在考虑空气附加质量影响和流场对于系统刚度贡献的前提下,发展了一种针对柔性充气结构湿模态快速建模分析的附加质量-刚度法。在柔性充气管算例验证了所提方法有效性的基础上,完成了对传统直梁充气翼和斜掠气梁充气翼湿模态的仿真研究,并与地面振动试验(GVT)结果进行对比分析。结果表明,3种充气翼湿模态仿真结果与试验结果均吻合较好,充气翼结构固有频率随充气内压上升而增加,同时相比于传统直梁充气翼,斜掠气梁充气翼第1阶与第2阶模态具有更低的固有频率之比,且弦向模态能够显著消除,对改善充气翼飞行器的气弹性能具有重要意义。

摘要：为通过机翼弯度变化实现对无舵面飞机的控制、改善其气动性能,需要协调结构变形、力学承载和轻质设计三者之间的关系。针对传统机械驱动机构造价高、重量大和智能材料驱动机构承载能力弱的缺陷,通过承载/变形一体化设计方法,充分考虑机翼气动载荷的特点,协调配置机械驱动机构与智能材料驱动机构,结合拓扑优化设计,提出一种无舵面飞机变弯度机翼承载/变形一体化设计方案。结果表明,无舵面飞机可在不同飞行环境下改变机翼弯度以承受多种载荷条件,对提高飞机的飞行性能、飞行效率和适应飞行环境的能力具有积极意义。

摘要：升力体式混合飞艇是全球远距离大载重运输的重要选择,随着全球贸易的发展,逐渐成为国内外的研究热点。作为航空宇航技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器,混合飞艇设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化。为了将多学科设计优化(MDO)方法引入到混合飞艇的总体设计中,将其分解为能源子系统、气动和推进子系统以及结构和重量子系统。在子系统模型构建的基础上,提出具有自适应能力的基于响应面的并行子空间优化(CSSO-RS)算法,将重量平衡和能量平衡作为实现远距离载重运输的约束条件,并提出爬升、日间巡航、滑翔和夜间巡航的多阶段任务剖面,以充分利用太阳能电池、燃料电池和锂电池的优势,实现混合飞艇的最优化设计。优化结果表明:具有自适应能力的优化算法在精确度和计算效率上均有明显的优势,同时重量分配的结果也为混合飞艇结构轻量化设计和能源系统设计提出了更高的要求。

摘要：近水面滑跳是一种包含触水离水过程的掠水飞行方式,将其应用于新型跨介质飞行器的设计,可有效提升飞行器反舰攻击突防能力和自身生存能力。由于运动体近水面滑跳涉及速度和姿态角等多种运动参数,运动机理复杂,对于全尺寸复杂外形的跨介质飞行器,利用有限元仿真和飞行试验分析获取不同初始运动参数对近水面滑跳的影响规律,需要研究的工况众多,工作量较大。为了能够将简单缩比尺寸平板运动体应用于近水面滑跳仿真分析和试验设计中,对流体相似原理在近水面滑跳运动特性上的可预测性进行了验证。分别基于任意拉格朗日-欧拉描述的流固耦合方法和简单二元平板滑行理论,研究了复杂跨介质飞行器和简单平板运动体近水面滑跳运动特性,分析确定了2种运动体包含多个影响参数的可滑跳区域,并进一步基于相似原理探究了两者的关系。结果表明:所提出的跨介质飞行器的可滑跳区域分布与初始速度倾角几乎无关,可滑跳区域随初始速度增大而扩大,并最终趋于稳定;简单平板模型可用于模型试验和仿真分析,通过相似原理对复杂跨介质飞行器的可滑跳区域进行反推估计,能够为跨介质飞行器初步设计阶段的工程求解提供新思路。

摘要：为了兼顾飞艇的气动性能和浮升特性,充分发挥二者的优势,并增强可控性,提出了一种基于NACA高升力翼型的组合嚢体式混合飞艇气动布局.采用计算流体力学(CFD)方法建立混合飞艇FLUENT计算模型,数值模拟了它在不同速度和迎角下的升阻特性、纵向静稳定性及浮升特性,并进行了总体性能评估,最后将其与常规飞艇进行了对比.结果表明:该组合嚢体飞艇布局具有较好的气动性能和效率,相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍;当飞行速度大于26 m/s时,混合飞艇总升力效率开始大于常规飞艇,能够提供更好的浮升特性.此外,相同设计载荷下混合飞艇的外形尺寸更小,有利于增加有效载荷,可为低空大型混合飞艇的研发提供参考.