动力学中的流体力学建模与仿真技术研究进展

２０１１年１Ｏ月　第３９卷第ｌ９期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｏｃｔ．２０１１　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１９　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１１．１９．０３５　

铣削加工过程动力学建模仿真技术研究进展　

吴春桥，张胜文，仝永海，方喜峰　

（江苏科技大学现代制造技术研究所，江苏镇江２１２００３）　

摘要：从数控铣削加工过程铣削力建模仿真、颤振离线预测出发，分析了铣削力建模方法、颤振产生的机理。论述了　

铣削力仿真、预测控制颤振的重要性和必要性以及国内外的研究现状，并指出了该领域今后主要的研究方向。　

关键词：铣削加工；动力学建模；铣削力；颤振　中图分类号：ＴＧＳ０１．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１１）１９—１２１—５　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｉｌｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　

ＷＵ　Ｃｈｕｎｑｉａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇｗｅｎ，ＴＯＮＧ　Ｙｏｎｇｈａｉ，ＦＡＮＧ　Ｘｉ￣ｎｇ　

（Ｍｏｄｅｍ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　

Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１２００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｆｏｒｃｅｓ，ｃｈａｔｔｅｒ　ｏｆｆ－ｌｉｎｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ＣＮＣ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｏｏｄ—　ｃｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｃｈａｔｔｅｒ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ｏｆ　ｍｉｌｌｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｔｔｅｒ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　ｆｕｔｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　

收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真

收口十字形降落伞是一种广泛应用于高空物品或人员运输的降落伞，具有快速展开、稳定性好、控制精度高等优点。本论文将介绍收口十字形降落伞充气过程的动力学建模与仿真。

1.动力学建模

收口十字形降落伞的充气过程可以分成两个阶段，第一阶段是自由膨胀阶段，第二阶段是继续充气阶段。在第一阶段中，气动力是主要的力学作用，对伞体进行自由膨胀；第二阶段中，弹性力成为主要的力学作用，伞体继续充气并逐渐达到稳定状态。

针对这两个阶段，我们可以采用欧拉-伯努利方程和泊松方程来建立数学模型。对于自由膨胀阶段，我们需要考虑以下几个因素：气压、气流速度、伞体面积以及流体密度。自由膨胀阶段的方程如下：

$$\rho\frac{D\textbf{v}}{Dt}=-\nabla p+\rho\textbf{g}$$

$$\frac{\partial p}{\partial t}+\textbf{v}\cdot\nabla p=-\gamma

p\nabla\cdot\textbf{v}$$

其中，$\rho$ 是空气密度，$\textbf{v}$ 是流体速度，$p$ 是气压，$\textbf{g}$ 是重力加速度，$\gamma$ 是空气绝热指数，$D/Dt$ 是物质导数。上式中的第一个方程表示用欧拉-伯努利方程描述气流速度与气压的关系，第二个方程表示泊松方程。

对于继续充气阶段，我们需要考虑以下几个因素：气压、伞布弹性以及气流速度。继续充气阶段的方程如下：

$$\rho\frac{D\textbf{v}}{Dt}=-\nabla

p+\nabla\cdot\textbf{$\sigma$}+\rho\textbf{g}$$

$$\nabla\cdot\textbf{v}=0$$

其中，$\textbf{$\sigma$}$ 是伞体的应力张量。这两个方程表示了伞体的弹性力及空气动力学对伞体的作用。

微纳米流体力学研究进展与应用前景

随着科学技术的持续不断的发展，微观领域的研究越来越受到人们的重视，其中微纳米流体力学是一个引人注目的领域。它涉及了很广泛的研究领域，包括工程学、生物学、化学和物理学等，其研究成果和应用前景在科学界和工业界都备受瞩目。

一、微纳米流体力学的相关背景

微纳米流体力学是研究微观流体现象的一门交叉学科，它主要研究物质在微米甚至纳米级别下的流动、传热、物质转移和反应等现象。随着科技的进步和微纳米制造技术的发展，微观领域中越来越多的微纳米结构和器件开始被开发和应用。而这些微纳米器件和结构中的流体现象已经成为一个重要的研究方向。

微观领域内的流体现象受到了较大的且不易预测的表面张力、纳米粘弹性和较大的比表面积以及宏观领域内缺失的经典统计物理变量的影响。另外，微观领域内的热和质量传递通常也表现出非常奇特和独特的行为，例如微比例尺下的纳米级流体的热传递以及液体分子扩散行为。

二、微纳米流体力学的研究进展

微观领域的流体研究始于20世纪70年代，最初是基于微硅管的实验技术和数值模拟。20世纪80年代，研究者应用光学技术和集成电路制造技术，成功地实现了微流控技术的开发和应用。随着计算机科学和纳米制造技术的迅速发展，微型流体动力学领域得到了更深入的研究。近年来，该领域的研究已经开始向更加复杂和细致的方向发展。

研究者对微纳米流体力学的探索涵盖了不同的范围，如微纳米流体驱动、悬浮在毛细管、微流体芯片和液滴动力学、微流体特征与控制、纳米流体的流动起伏、分子力学、热力学、气体的分子动力学等。同时，相关的微观领域流体现象的理论模型、数值模拟和实验研究也相继涌现。

三、微纳米流体力学的应用前景

微纳米流体力学领域的研究成果和应用前景在工业、医学和生物领域中都十分广泛。例如，微纳米流体技术已经被应用于药物筛选、基因测序、生命科学和生物医学工程等领域。在这些领域中，微纳米流体技术不仅可以大幅提高实验效率和降低成本，而且能够提供更准确的分析结果。此外，微纳米流体技术还可以应用于开发新的集成电路、生物传感器和纳米药物传递器等微型器件。

曹建国：航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望

仿真技术是支撑航空发动机自主研发的重要手段，体现了一个国家的高端装备研发水平，可大幅提高航空发动机的研发效率和质量，减少实物试验反复，缩短研制周期，降低研制成本。本文论述了仿真技术在航空发动机学科领域维、产品层次维和全生命周期维三个方面的发展与应用现状，分析了航空发动机仿真技术发展存在的问题，提出了提升仿真能力的战略措施。

信息源：[J]. 推进技术, 2018, 39(5): 961-970.

中国航发集团党组书记、董事长 曹建国

1 引言

仿真是一门基于控制论、系统论、相似原理和信息技术的多学科综合性技术。它以计算机系统和专用设备为工具，利用模型对实际或设想的系统和过程进行模拟，是支撑产品研发的重要手段。

航空发动机正向研发是一项复杂的系统工程。传统的航空发动机研制通常依靠实物试验暴露设计问题，采用“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的串行研制模式，造成研制周期长、耗资大、风险高。未来航空发动机技术复杂程度和性能指标要求越来越高，产品研发难度显著增大，研制进度愈加紧迫，传统的研发模式已难以满足发展需求，需要实现从“传统设计”到“预测设计”的模式变革，而仿真是助推航空发动机研发模式变革的重要手段。

航空发动机仿真融合了先进航空发动机设计技术和信息技术的最新成果，是在计算机虚拟环境中，实现对航空发动机整机、部件或系统等的高精度、高保真多学科耦合数值模拟。通过仿真，可深化对航空发动机内部运行本质和规律的认识，提前暴露可能出现的故障、发现设计缺陷，大幅提高研制效率和质量，减少实物试验反复，降低研制风险和成本，加快研制进程。

航空发动机的仿真对象包含气动/燃烧/结构/强度/材料等学科领域维、部件/子系统/系统等产品结构层次维，以及设计/试验/制造/维修等全生命周期维等对象。

普惠公司工程模块中心副总裁曾说[1]：“过去，普惠公司只在发动机的后期设计分析与验证中运用仿真技术。现在，在高性能计算、过程自动化和软件工具发展的推动下，我们从最初的概念设计阶段，到详细设计和售后服务都在运用仿真技术，以加速产品的研发，提高保真度，并优化产品的使用管理。仿真技术对于我们保持在航空发动机领域的技术优势发挥了至关重要的作用。'