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高超声速飞行器多尺度耦合热效应预测研究进展

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中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1288-1304页

作者：杜雁霞杨肖峰肖光明刘磊魏东桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

随着未来临近空间高超声速飞行器更高速度、更长航时服役新需求的提出,飞行器多尺度耦合热效应日趋显著,并成为影响飞行热安全的重要因素.针对飞行器高温表面、高温结构、舱内仪器/设备等涉及的热现象,综述了多尺度耦合热效应预测方法... 详细信息

随着未来临近空间高超声速飞行器更高速度、更长航时服役新需求的提出,飞行器多尺度耦合热效应日趋显著,并成为影响飞行热安全的重要因素.针对飞行器高温表面、高温结构、舱内仪器/设备等涉及的热现象,综述了多尺度耦合热效应预测方法的研究进展.结合未来飞行器精细化、低冗余设计需求,进一步提出了后续研究的重点方向.飞行器耦合热效应研究需从关注“宏观量”拓展到关注影响内禀特性的微细观“隐变量”,跨尺度关联应注重“降尺度”与“升尺度”的协同,同时还需进一步发展弱化人工经验、消除人为边界的数理模型与自适应方法.相关研究将为飞行器热行为的精细预测及高效防护提供参考.

关键词：高超声速多尺度耦合热行为综合热效应热安全

考虑纤维波纹度的单向复合材料代表性体积元生成算法

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机械工程学报 2024年第8期60卷 186-195页

作者：谢晨阳黄鲛肖光明张贤杰王俊彪李玉军西北工业大学机电学院西安710072 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所无锡214063 中航西安飞机工业集团股份有限公司西安710089

提出一种单向纤维增强复合材料(Unidirectional fiber reinforced polymer,UD-FRP)周期性高保真代表性体积元(Representative volume element,RVE)的创建算法。首先基于随机游走算法,采用贝塞尔(Bézier)曲线表征纤维形态,使曲线各控制... 详细信息

提出一种单向纤维增强复合材料(Unidirectional fiber reinforced polymer,UD-FRP)周期性高保真代表性体积元(Representative volume element,RVE)的创建算法。首先基于随机游走算法,采用贝塞尔(Bézier)曲线表征纤维形态,使曲线各控制点处的切线方向的统计分布服从多变量冯·米塞斯-费歇尔(Von-MISES FISCHER)函数,创建出初步的软核模型。进而基于力偏置算法,在保证RVE内部纤维不产生过度扭曲的前提下,调整纤维间的重叠,创建出对应的硬核模型。调整过程中,通过引入三维近邻列表算法,大幅提高算法效率。最后对所创建的含有纤维波纹度特征的RVE模型进行了横向剪切渐进损伤分析,用以揭示该方法的研究价值及应用领域。结果表明,该方法能够快速有效地创建不同尺寸及纤维波纹度的RVE几何构型,这种含有波纹度特征的纤维构型会对UD-FRP的横向剪切性能产生一定影响,纤维波纹度越大,UD-FRP的横向剪切强度越大。

关键词：单向纤维增强复合材料纤维波纹度随机游走周期性边界条件近邻列表算法力偏置算法横向剪切

各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响

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空气动力学学报 2024年第1期42卷 55-66,I0002页

作者：张超孔祥壮杜雁霞王娴肖光明西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049 空天飞行空气动力科学技术全国重点实验室绵阳621000

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速... 详细信息

飞行器热管理系统中所用的高孔隙率泡沫材料具有质量轻、比表面积大等优点,孔隙尺度几何参数的优化设计对有效提升综合传热性能、降低结构质量至关重要。以各向异性Kelvin泡沫胞元为研究对象,采用混合热格子Boltzmann方法以及多GPU加速技术,实现了同时考虑泡沫骨架导热和多胞元孔隙尺度强迫对流换热的共轭传热数值模拟。在上述基础上,分别选取了Re=10、100、1000计算条件,开展了不同胞元高径比(H/D=0.5、0.75、1.0、1.5、2.0)对其流动传热特性的影响规律研究。结果表明,在不同Re条件下,随着各向异性Kelvin泡沫H/D的减小,其泡沫内部的流动阻力及努塞尔数均增大,且随着Re的增大,对流换热的作用增强,H/D的影响也更为明显。此外,相比于流动阻力,结构传热性能受H/D的影响变化速率更大,由此造成综合传热因子(j/f^(1/3))与H/D成反比关系,即减小Kelvin胞元H/D可有效提高泡沫结构的综合传热性能。

关键词：各向异性 Kelvin泡沫流动阻力综合传热因子

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温度与加载速率影响下的煤岩力学行为及强度特性研究

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温度与加载速率影响下的煤岩力学行为及强度特性研究

作者：肖光明中国矿业大学

学位级别：硕士

在地下资源实际开采工程中,煤岩体常常受到高温、次生应力、构造应力、推进速度、采掘扰动等因素的影响,时常发生冲击矿压、底板突出、顶板冒落等动力灾害。通过试验的方式对动载荷下岩石力学行为的研究是目前最常用的措施。本文拟对高... 详细信息

在地下资源实际开采工程中,煤岩体常常受到高温、次生应力、构造应力、推进速度、采掘扰动等因素的影响,时常发生冲击矿压、底板突出、顶板冒落等动力灾害。通过试验的方式对动载荷下岩石力学行为的研究是目前最常用的措施。本文拟对高温、围压、静、动力加载下的岩样进行试验研究,并对其加载全过程所表现出的动态力学行为、分形破坏特征和能量演化规律进行分析研究。在此基础上,基于分形理论、弹性力学、损伤力学理论对不同冲击载荷下岩样的破碎烈度进行分析,拟重新构建考虑温度作用下的岩石动态损伤本构方程。且基于岩石材料变形、破裂全过程中的能量演化规律建立新的强度准则。（1）利用MTS815电液伺服试验机对煤样进行不同围压、不同加载速率下的三轴压缩试验。结果表明,煤的峰值强度随加载速率的增大而增大,随围压增大而增大。在围压一定的情况下,峰值应变随加载速率的增大而增大,且施加的围压越高,峰值应变增长的幅度越快。通过分析煤岩三轴压缩试验的能量密度曲线,发现围压对在峰值强度处耗散能所占比例的影响要远远大于加载速率作用的影响。结合岩石的破坏模式图,发现在围压一定时,加载速率越大,试样破坏程度也越严重。（2）对煤和红砂岩进行了单轴条件下的不同加载应变率的冲击试验,发现煤和红砂岩的峰值强度随着加载应变率的增高呈现平稳上升的趋势,说明煤和红砂岩具有明显的应变率效应,在同一冲击气压下,煤的应变率要高于红砂岩的应变率,煤和红砂岩的分形维数均表现出随着加载应变率的增加而增加的现象,并且红砂岩的分形维数对应变率的敏感度要高于煤的分形维数对于应变率的敏感度。煤的耗散能占比随冲击气压（或者说加载应变率）增加呈现先增加后稳定的趋势,红砂岩的耗散能占比随冲击气压增加一直呈现增加的趋势。在较低加载应变率下,岩石的破坏方式为沿一条直径的劈裂破坏,高应变率下,岩石以剪切破坏为主,破碎成众多的小颗粒。（3）对煤进行了围压条件下的冲击压缩试验,发现随着冲击气压的增大、围压的增加,煤的动态抗压强度越高,其中冲击载荷的影响要高于围压的影响。在三轴冲击压缩试验中,煤样仍旧保持相对完整的样子,以边边角角的小地方破坏以及整体出现浅裂缝为主,极少出现大裂缝的交汇贯穿。综合来看,随着围压的增加破坏程度逐渐减小,随着冲击气压增加,破坏程度逐渐增加。（4）对煤和红砂岩进行了高温下的单轴冲击压缩试验,通过分析试验所得数据发现煤的动态抗压强度和弹性模量随温度升高呈现逐渐降低的趋势,红砂岩的动态抗压强度和弹性模量呈现随温度升高呈现先增加后降低的趋势。煤的破碎程度随温度升高加剧,分形维数随温度升高呈现逐渐增加的趋势,红砂岩的破碎程度在温度从100℃升至300℃时,破碎程度逐渐减弱,在300～700℃时,破碎程度随温度升高而加剧。（5）基于损伤力学理论,考虑温度的影响,对朱-王-唐本构模型进行了简化和修正,并利用此模型将试验数据与计算结果进行了对比,发现其对煤在冲击荷载作用下的适用性较好,而对红砂岩的适用性要稍差一些。（6）基于以上试验结果,对岩样在复杂环境下的冲击加载变形破坏全过程中的弹性变形能、耗散能演化规律进行了研究,研究岩石破坏过程中能量转换以及应变率之间的关系,结合能量理论建立冲击载荷作用下的动态能量强度准则,该准则可以从能量角度判断岩石在冲击载荷作用下是否发生破坏。该论文共有图104幅,表17个,参考文献80篇。

关键词：加载速率应变率耗散能损伤本构模型强度准则

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加工参数对T800复合材料铣削质量的影响

兵工学报 2022年

作者：高航兰宝华许启灏陈亮子肖光明中航西安飞机工业集团股份有限公司大连理工大学机械工程学院

增大层厚和增加牺牲层加工工序，是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段，然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因...

增大层厚和增加牺牲层加工工序，是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段，然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大，在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此本研究以某大型航空构件使用的T800碳纤维复合材料侧面铣削为例，开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究，通过分别对4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究，分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明：加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势，随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势；较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移，导致加工表面粗糙度增大；采用锋利的刃形和多微刃铣削方式，在确保内部碳纤维复合材料加工质量的前提下，能够显著改善加工表面的毛边现象，使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。

关键词：

对流-辐射换热下功能三明治夹层结构热力耦合FVM研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2022年第12期52卷 106-115页

作者：刘琦刘磊杜雁霞杨肖峰肖光明桂业伟中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

本文发展了一种适用于二维对流-辐射换热环境下功能型芯子夹层结构热力耦合问题的控制体有限元方法(CV-FVM).基于4点四边形单元,对控制方程及换热边界的离散过程进行了详细的推导.基于交错网格技术,将待解变量存储在单元节点,将材料参... 详细信息

本文发展了一种适用于二维对流-辐射换热环境下功能型芯子夹层结构热力耦合问题的控制体有限元方法(CV-FVM).基于4点四边形单元,对控制方程及换热边界的离散过程进行了详细的推导.基于交错网格技术,将待解变量存储在单元节点,将材料参数存储在单元中心,为保证温度迭代求解收敛将辐射换热边界条件进行线性化处理.针对指数型芯子夹层结构的纯导热问题将本文计算结果与解析解进行对比,二者吻合良好.分别研究了几何参数和物理参数,如毕渥数、辐射-导热系数、环境温度比、面板厚度和功能型芯子梯度因子对结构内热弹性能的影响.结果表明:加热面毕渥数对结构内的热弹性影响很小,而冷却面毕渥数对热弹性影响较大;相比加热面,冷却面对环境温度的变化更加敏感;针对指数型芯子夹层结构,增加上面板厚度可降低上面板与芯子连接处的大梯度应力问题;相比指数型芯子,采用线性分布(p=1)功能型芯子结构应力分布更光滑,可更有效缓解结构内大幅度的应力变化.

关键词：热弹性耦合热防护系统有限体积方法对流-辐射换热

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假设化归生奇效

中学生数学 2023年第6期 30-31页

作者：肖光明武汉市第一初级中学湖北武汉430022

先看一个古老而著名的“摆硬币”问题.两人相继往同一张圆桌上平放一枚同样大小的硬币(两人拥有同样多的硬币,且两人的硬币合起来足够摆满桌子),谁放下最后一枚而使对方没有位置再放,谁就获胜.试问是先放者获胜,还是后放者获胜?怎样才... 详细信息

先看一个古老而著名的“摆硬币”问题.两人相继往同一张圆桌上平放一枚同样大小的硬币(两人拥有同样多的硬币,且两人的硬币合起来足够摆满桌子),谁放下最后一枚而使对方没有位置再放,谁就获胜.试问是先放者获胜,还是后放者获胜?怎样才能稳操胜券?

关键词：同样大小硬币获胜

大型航空复合材料构件高效铣削加工缺陷试验研究

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航空制造技术 2022年第22期65卷 14-22页

作者：肖光明兰宝华李睿祺陈亮子高航中航西安飞机工业集团股份有限公司西安710089 大连理工大学大连116024

针对航空用大型T800碳纤维复合材料构件(含织物层)表面高效铣削加工过程中表面极易产生毛边及撕裂等缺陷的问题,开展了不同结构形式刀具的铣削对比试验。研究了纤维切削角、刀具结构形式、铣削参数以及刀具磨损对T800复合材料铣削表面... 详细信息

针对航空用大型T800碳纤维复合材料构件(含织物层)表面高效铣削加工过程中表面极易产生毛边及撕裂等缺陷的问题,开展了不同结构形式刀具的铣削对比试验。研究了纤维切削角、刀具结构形式、铣削参数以及刀具磨损对T800复合材料铣削表面质量的影响。试验结果表明,不同纤维方向的T800单向板极易在90°~180°的纤维切削角范围内产生毛刺,而在锐角区域毛刺情况较少;基于多刃微元铣削原理,采用具有左右旋微刃的玉米铣刀和金刚石涂层微刃铣刀可以有效抑制表面含织物层的T800复合材料铣削毛边产生;在主轴转速8000~10000 r/min、进给速度200~300 mm/min的条件下,当轴向切深达到2.0~2.5 mm时,依然可以获得良好的加工质量。金刚石涂层微刃铣刀能够有效延长刀具使用寿命,降低表面毛边缺陷。

关键词： T800复合材料毛边多刃微元铣削刀具结构刀具磨损

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双马来酰亚胺/碳纤维蜂窝夹层结构孔隙优化

工程塑料应用 2023年第11期51卷 78-83页

作者：庞新强成艳娜陈舸肖光明王越挺中航西安飞机工业集团股份有限公司西安710089

双马来酰亚胺(BMI)树脂/碳纤维(CF)预浸料作为蒙皮结构与芳纶纸蜂窝芯共固化工艺既要控制蒙皮的成型质量,又要控制蜂窝与蒙皮的黏接质量,同时蜂窝芯零件的耐压较小,因此针对共固化工艺过程中经常出现的孔隙问题进行研究。通过对孔隙数... 详细信息

双马来酰亚胺(BMI)树脂/碳纤维(CF)预浸料作为蒙皮结构与芳纶纸蜂窝芯共固化工艺既要控制蒙皮的成型质量,又要控制蜂窝与蒙皮的黏接质量,同时蜂窝芯零件的耐压较小,因此针对共固化工艺过程中经常出现的孔隙问题进行研究。通过对孔隙数学模型进行分析,基于BMI树脂预浸料高挥发分和高流动的特性,对成型过程中预浸料铺层数、袋内真空压力、预浸料树脂含量调节不断优化。以无损检测和金相分析为手段,分析了成型工艺过程中的影响因素。研究发现,BMI/CF预浸料在蜂窝夹层结构中的孔隙率与铺层层数、袋内真空压力和BMI树脂含量有关。孔隙的产生主要是由于挥发分在预浸料和胶膜界面处的浓度差异引起的,当预浸料铺层层数≤10层时,蜂窝夹层件孔隙10层时,蜂窝夹层件孔隙>1.5%。通过吸胶工艺及调节袋内真空压力能够有效地降低蜂窝夹层结构中的孔隙含量。

关键词：双马来酰亚胺碳纤维孔隙预浸料铺层工艺过程树脂含量挥发分