弹性超材料导波特性及其应用于瞬态气动力测试的研究

As an important part of ground test facilities to simulate hypersonic aerodynamic environments, shock tunnels provide essential data of aerodynamic force and heat flux for designing hypersonic vehicles, such as space shuttles and reentry missiles. However the effective test time is no more than 20ms for most shock tunnels, it is a great challenge to get accurate aerodynamic forces in the short time. The stress wave balance is applied to indirectly measure the aerodynamic forces on the causality between the forces and dynamical stress, while stress waves propagate in the sound speed. For the stress wave force balance to measure multi-components of forces, the combined effect of interacted dynamical stresses, reflected stress waves and force identification algorithms leads to an inaccurate aerodynamic forces. To this end, this project aims to study elastic metamaterials and its application on designing a new stress wave balance, because elastic metamaterials can be used to guide waves, what could be used to separate stress waves and shield the reflected stress waves. And a new force identification method would be proposed by introducing fuzzy inference method to overcome incomplete signals. Then a scheme would be worked out to develop a kind of stress wave balance for accurate aerodynamic force tests. The results would advance the research on elastic metamaterials and its application, and provide test techniques to validate physical models and results of computational fluent dynamics with considering the real gas effect.

作为高超声速地面试验设备的重要组成部分，激波风洞为航天飞机、再入弹头等高超声速飞行器设计提供气动力、气动热等关键性支撑数据。然而，激波风洞的有效试验时间往往不到20毫秒，在如此短的时间内进行气动力测试无疑是一个挑战。应力波天平利用气流冲击引起的应力波在模型及支撑中以声速传播以及气动力-动态应变之间因果关系等原理间接获得气动力测试结果。然而对于多分量应力波天平，气动力分量响应之间相互干扰大、反射应力波干扰测试数据和载荷反演算法等多方面因素造成气动力测试结果精度偏低。因此，本项目旨在探索应用弹性超材料能够低损定向传播弹性波的特性达到应力波天平中气动力分量解耦及屏蔽反射应力波的目的，又引入模糊推理方法应对测试数据的不完备性发展一种新的载荷反演算法，从整体上提高应力波天平测力精度。本项目的研究将推进弹性超材料的理论研究及其工程应用，也为考虑真实气体效应等的计算流体力学建模和验证提供试验技术支撑。

作为高超声速地面模拟试验设备的重要组成部分，激波风洞为航天飞机、再入弹头等高超声速飞行器设计提供气动力、气动热等关键性支撑数据。然而，激波风洞的有效试验时间往往不到20毫秒，在如此短的时间内进行气动力测试无疑是一个挑战。应力波天平利用气流冲击引起的应力波在模型及支撑中以声速传播以及气动力-动态应变之间的因果关系等原理间接获得气动力测试结果。然而对于多分量应力波天平，气动力分量响应之间相互干扰大、反射应力波干扰测试数据和载荷反演算法等多方面因素造成气动力测试结果精度偏低。针对上述问题，本项目在常规应力波天平开发的基础上探讨了弹性超材料的性能，发展了基于粒子群的多目标优化方法和基于模糊推理的一类反问题求解方法。项目研究内容包括：弹性超材料的性能研究、基于粒子群的多目标优化方法研究和基于模糊推理的一类反问题解算方法研究。.在弹性超材料的性能研究中：仿真分析了一种弹性超材料的导波特性，在对常规应力波天平有了进一步理解的基础上讨论了弹性超材料应用于瞬态气动力测试的可行性，在研究中利用常规应力波天平的校准数据讨论了频域内载荷反演方法以及完成了多种正则化方法性能的验证。. 在基于粒子群的多目标优化方法研究中提出了利用k-means聚类生成多个子群，并利用子群之间的拒止机制形成较为稳健的多目标优化问题的解算。在基于模糊推理的一类反问题解算方法研究中，利用粒子群搜索到的可能解减弱了基于模糊推理的一类反问题求解中对初始值的敏感性。受本项目资助发表的学术论文共6篇，其中SCI收录3篇，EI收录1篇，国际会议1篇；申请中的专利2项。. 通过上述研究，项目全面完成了研究计划内容，达到了预期目标。项目预算经费22万元，决算13.486797万元，经费执行率61.3%。