基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术研究

针对表面摩阻传统测量方法的单点性和间接性,探索了荧光油膜进行全局表面摩阻分布的直接测量方法.建立了表征荧光油膜厚度与表面摩阻之间关系的油膜控制方程,引入附加约束和积分最小化方法,采用变分迭代方法求解表面摩阻分布.研制了可用紫外光激发的荧光油膜,采用紫外光源和高分辨率CCD相机,建立荧光油膜表面摩阻测量硬件系统.针对特定的三角翼模型进行了表面摩阻分布测量实验,获得了高分辨率的表面摩阻分布和相对幅值分布,并与文献理论进行比较分析.实验结果与理论分析完全一致,表明了基于荧光油膜的全局表面摩阻测量技术的有效性.     

基于Elman的荧光油膜厚度近效测量

为解决荧光油膜灰度与厚度现标定方法（微小高度装置法）存在采集工况复杂、标定周期较长等缺陷，提出了一种新的近效测量方法，该方法只需极少量标定数据，便可达到与现标定方法相近的效果。近效方法利用了Elman动态神经网络对小样本数据进行量程扩展并引入一维插值算法使扩展后的数据项平滑，对解算出的三维荧光油膜厚度数据采用二维插值算法进行二次平滑以求得完整的厚度分布图。经模拟试验结果显示，通过该近效方法进行厚度测量最终可以清晰、准确、定量地显示荧光油膜厚度分布，与目前广泛使用的微小高度装置法相比效果相近，在荧光油膜汇集处（较厚区域）误差最大不超过±2.5μm，在平滑适中及较薄区域误差不超过±2μm，达到荧光油膜厚度工程测量标准，为飞行器全局摩阻测量提供了一种新标定思路，具有一定的实际工程应用意义。     

基于GPU的荧光油膜运动路径实时测量

在风洞试验中，现有的基于CPU 的光流法求解荧光油膜运动速度场耗时过长，而基于GPU 的光流法存在GPU 资源利用不充分的问题。为此，提出基于荧光油膜图像分块和临界约束的GPU 荧光油膜运动路径实时测量方法。将荧光油膜时序图像按照GPU 的资源将整帧图像切割分块并行处理，创建其对应的光流并行计算策略，即充分利用GPU 的并行流水架构优势和共享内存实现各并行块的光流计算的硬件加速；同时结合块间临界约束条件，以各块的速度矩阵迭代差为标志控制其迭代计算次数。结果表明：本文方法在保证荧光油膜运动速度场计算精度的条件下，较传统的基于CPU 的光流法解算速度平均提升了2 789.5 倍，较整帧图像的GPU 光流法速度平均提升了10.09 倍，实时解算速度可达90 帧/秒。     

一种改进的高超声速滑翔目标跟踪方法

针对临近空间高超声速滑翔目标跟踪问题，提出一种基于反向传播神经网络修正改进迭代扩展卡尔曼滤波(Back Propagation Neural Network-aided Improved Iterative Extended Kalman Filter, BP-IIEKF)的目标轨迹跟踪方法。在雷达站坐标系下建立目标运动模型和量测模型。引入阻尼因子修正IEKF算法中的协方差预测矩阵，并定义算法的代价函数，给出迭代终止条件，保证了算法收敛精度，减小状态的观测更新误差，提高了目标状态估计精度。利用BP神经网络修正滤波结果，补偿系统滤波误差，进一步提高了跟踪精度。仿真结果表明所提算法对高超声速滑翔目标具有更高的跟踪精度。     

基于粒子群算法的涡扇发动机气路性能修正

针对由于建模过程中条件简化及发动机零部件的差异性导致的发动机数学模型计算结果与整机性能实测数据偏差较大的问题,提出基于粒子群算法(PSO)的发动机模型修正方法,运用修正因子提高模型计算精度。将修正后发动机模型的计算结果与实测数据对比,结果表明:运用PSO算法对模型进行的修正能够显著提高模型的精度,修正前模型计算值与实测值的最大误差达4.85%,修正后最大误差只有0.97%,修正效果良好,且涡轮等后端部件比压气机等前端部件精度提高更为明显。     

基于热力学的涡扇发动机神经网络建模方法

由于无法掌握不同发动机的真实部件特性，传统热力学模型对在翼涡扇发动机的建模存在较大的建模误差；同时，热力学模型在特性图边界线附近迭代时，容易迭代到特性图之外，造成迭代过程的不收敛。针对上述问题，本论文提出基于热力学过程的涡扇发动机神经网络建模方法，在神经网络模型的训练过程中充分考虑对部件共同工作热力学约束的优化，提高发动机建模的准确性。通过构建部件级网络结构、部件共同工作损失函数及融合训练过程，将基于部件特性图的传统热力学模型迭代过程转化为部件级神经网络的多目标优化与训练过程，提高了模型的收敛性及建模准确性。模型在26 970条发动机实际飞行数据上进行了训练及测试，结果表明，在相当宽松的准稳态数据下，论文提出的建模方法最大误差可以达到7%左右，比基于部件特性图的热力学模型低5%左右。     

风洞试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量

风洞试验模型在气流脉动作用下小幅振动，导致光流法从荧光油膜时序图像中解得的荧光油膜路径运动速度含有模型运动速度，降低了荧光油膜全局摩阻测量准度。为此，提出试验模型表面的荧光油膜路径运动速度测量方法，将模型表面的背景纹理（如人工网格线或其他典型特征）作为基准，利用图像相关法离散匹配，获得相邻时序图像中背景纹理的（几何位姿）映射矩阵；基于模型运动的连续性，推导了映射矩阵的全局优化方程，并结合光流法，实现了模型振动与其表面荧光油膜路径运动的解耦。Oseen涡对的荧光油膜路径运动速度场仿真试验结果表明：在给定的平移旋转条件下，本文方法的计算结果（沿Oseen涡核连线分布的测量速度）与理论值的最大相对误差为4.1%，较无平移旋转条件下的光流计算结果最大相对误差仅增加0.6%。2 m量级高速风洞某空腔试验与机翼试验的荧光油膜路径运动速度测量结果进一步显示：本文方法测得的流动现象正确，能得到定量、清晰的表面摩擦应力线图谱与油膜路径运动速度场，较传统方法优势明显，工程应用价值大。     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

轴承腔壁面液膜厚度数值模拟与实验测量

通过轴承腔壁面油膜厚度的实验测量以及数值模拟,对建立轴承腔壁换热模型、完善轴承腔热分析具有重要意义。通过轴承腔壁油膜流动进行量纲分析,提出了轴承腔表面的二维计算模型,并完成了对试验件的数值模拟。采用超声测量系统对轴承腔两个不同点处进行了油膜厚度测量,得到轴承腔油膜厚度随转速以及滑油流量的变化关系。将数值模拟结果与实验值进行对比表明:在计算工况条件下,测量点处最大误差小于8%,满足工程实践要求。     

考虑起飞工况的航空发动机性能退化预测研究

针对现阶段航空发动机性能退化建模研究没有考虑起飞工况的影响问题，提出了基于修正的非线性维纳过程发动机性能退化建模方法。该方法结合了同类型号发动机的历史性能退化数据与个体发动机的实时退化和工况数据。首先，考虑发动机每次起飞的工况不同，把工况修正引入非线性维纳过程建立发动机的性能退化模型。然后利用极大似然估计方法求得退化模型离线估计值，基于贝叶斯理论对退化参数进行在线更新，最后基于局部线性嵌入算法，对工况参数进行融合构建工况因子，修正退化参数，实现了基于起飞工况的单台发动机性能退化预测。结果表明，采用融合工况因子修正模型，与未修正和压比修正模型相比，平均绝对百分比误差分别降低1.50%和1.01%。证明融合工况因子修正模型能降低发动机起飞工况差异和仅用单工况参数修正所造成的预测误差，可以用来辅助指导下发决策。     

高转速下轴承腔内壁油膜流动建模

结合国外已有试验工作,提出描述轴承腔壁面油膜运动的分析模型,并进行若干工况条件的影响分析.研究结果表明,轴承腔中油膜流动具有累积特点,表现出在排出口之间油膜厚度逐渐增大;旋转件转速的增加减小了壁面油膜厚度,但却提高了油膜平均速度;随着入口滑油流量的增加,壁面油膜厚度和平均速度都随之增加.理论分析及其与试验工作的比较都表明,提出的基于试验研究预测轴承腔中油膜运动物理状态的方法,对于在有限试验条件下研究轴承腔中壁面油膜运动机理、继而开展轴承腔内传热分析和润滑分析,是有价值的技术途径.      

轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析

轴承腔的润滑和换热设计依赖于对腔内油气两相流动和换热状态的准确理解。针对先前研究工作的不足,在包含油滴碰撞腔壁热量交换、沉积热量以及油膜温度即考虑温度效应的条件下,开展了油滴沉积特性及油膜流动特征分析。首先分析了单个油滴碰撞腔壁沉积特性,确定了油滴的沉积质量、动量和热量。其次在考虑油滴尺寸分布的条件下,通过离散油滴尺寸范围的方式确定了腔内所有油滴碰撞腔壁的沉积油膜质量、动量和热量。最后借助力学平衡和质量守恒条件,以上述参数为基础计算了腔壁油膜温度以及速度和厚度的分布情况。计算结果表明,随着转子转速的增加,油滴的质量、动量和热量沉积率有所降低,一次沉积油膜质量、沉积油膜动量、沉积油膜热量以及油膜速度均有所增加,而油膜厚度降低。通过与试验数据的对比表明,提出的轴承腔油滴沉积特性及油膜流动特征分析方法是较为可靠的,并且考虑温度效应使油膜厚度的计算更为准确。分析工作为轴承腔的润滑和换热设计提供了一定的参考依据。     

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。      

轴承腔壁面油膜厚度超声测量实验研究

针对轴承腔壁面油膜厚度难测的问题,根据脉冲反射法的基本原理,建立了用于测量轴承腔内壁面油膜厚度的超声波测量系统。测量系统主要包括硬件系统和软件系统两大部分,硬件系统主要由数据采集卡、探头、延迟块和相应的电缆等组成;软件系统功能主要有测量参数的设置、测量波形的实时显示、后处理等功能。然后,用所开发的测量系统测量静态条件下八种不同厚度的油膜,并将实验结果与计算值进行对比,第八种油膜厚度下相对误差为6.9%其余七种情况油膜厚度的相对误差均在5%以下,满足工程实践要求。最后,进行油膜厚度动态测量实验,获得相同流量、不同转速下轴承腔壁面的油膜厚度,经过动态测量的信号品质分析和油膜厚度变化规律分析,该测量系统能在较高精度的要求下完成轴承腔壁面油膜厚度的测量。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性

为研究两端密封型挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性,建立了涨圈密封挤压油膜阻尼器三维非定常流场数值仿真模型。基于Fluent软件中的Mixture多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型数值模拟得到动态油膜压力与气相体积分数的周向分布规律。将计算得到的阻尼器油膜压力与文献中的试验数据对比,结果显示:两者具有较高的一致性。由动态油膜力导出的平均等效阻尼系数与试验采用阻抗法识别的结果相比仅有0.6%的偏差,从而验证了该数值模型与预测方法的有效性。进一步的数值计算表明增大进动半径、进动频率、涨圈密封的狭缝宽度均会使挤压油膜阻尼器流场中的空化现象加重,同时等效阻尼系数降低。      

融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法

针对基于单一传感器数据的剩余寿命预测方法存在数据利用率低和预测精度不高的问题，论文提出了一种融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法。首先将多个传感器数据融合成一个复合健康指标来表征发动机的退化性能，采用线性维纳过程对复合健康指标进行退化建模，通过极大似然估计方法确定模型参数，进而得到发动机的预测寿命。为了确定融合系数，提出了一种利用真实寿命与预测寿命的预测均方误差最小化的方法。融合系数确定后，基于训练发动机历史寿命数据，确定出模型参数的离线估计值；然后利用Bayesian公式，同时结合发动机的实时监测数据与参数的先验分布对模型参数进行实时更新，接着在首达时间的意义下推导出剩余寿命的概率分布，进而实现了发动机的剩余寿命在线预测。最后，选择商用模块化航空推进系统仿真数据集进行数值仿真实验，结果表明：相较于基于单一传感器的方法，论文所提方法能够提高剩余寿命预测的准确性，其剩余寿命预测的相对均方误差降低了2%左右。