一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶的结构设计方法

为了提高航天复合材料压力容器的性能因子,根据复合材料压力容器网络理论方法提出了“参数对应关系”结构设计方法,对一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶进行了结构设计,确定了纤维复合层承载压力,得到了不同内衬壁厚情况下气瓶纤维预紧应力与内衬压缩应力、内衬工作应力、纤维工作应力的对应关系,获得了内衬最小壁厚和纤维预紧应力区间等参数,用有限元法对气瓶结构设计进行静力学分析校核,所设计气瓶完成了全部的鉴定试验,气瓶性能因子37km,爆破压力70MPa,纤维预紧应力区间为[120MPa,270MPa].设计和验证结果表明:基于网络理论的“参数对应关系”结构设计方法可用于弹性工作金属内衬复合气瓶的研制,内衬最小壁厚的精确求解对提高复合材料气瓶性能因子是有效的.     

可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证

为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式。复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金。采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81 MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次。结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求。     

基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150 ℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。     

复合材料气瓶声发射检测初步研究

通过对十个碳纤维复合材料气瓶的声发射检测试验研究,初步探索了平面定位技术、费利西蒂比对复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价的可行性,同时还摸索了复合材料气瓶压力循环疲劳过程的声发射特性.研究认为:声发射作为复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价方法是可行的,平面定位结果和疲劳试验结果对气瓶质量评价有一定的辅助作用,声发射费利西蒂比值越高则气瓶损伤严重性越低.     

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法.利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持.研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于简体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形.     

箭上复合材料气瓶绝热性能数值分析和试验研究

为满足复合材料层使用温度不超过80℃的安全要求,安装在运载火箭发动机舱段的复合材料气瓶需包覆一定厚度的绝热层。本文结合40 L复合材料气瓶及绝热层的结构参数和材料物性参数,基于集总参数方法建立了考虑辐射、导热、自然对流的传热模型,分析了包覆绝热层后的瓶体绝热性能及绝热层厚度的影响,并开展了包覆5和10 mm厚度绝热层的复合材料气瓶绝热试验,数值模拟结果与绝热试验测量数据吻合良好。     

复合材料气瓶铝合金内衬泄漏失效分析北大核心CSCD

复合材料气瓶在自紧过程中发生泄漏。通过断口、金相、有限元分析及综合分析得出:气瓶瓶嘴根部各向异性的粗晶组织降低了气瓶瓶嘴根部的韧、塑性和强度是气瓶内衬自紧过程中发生低压力开裂泄漏的主要原因,通过改进和控制收口加热与旋压工艺,细化了气瓶瓶嘴根部的组织,最终解决了其自紧过程中泄漏问题,稳定复合材料气瓶的质量。     

空间推进系统用铝内衬PBO 纤维缠绕高压气瓶的研制

以空间推进系统用高压复合材料气瓶的开发为背景,开展了PBO纤维的应用研究。分别对PBO/D-3和PBO/D-8复合材料力学性能进行了测试,获得了性能最佳的复合材料配方体系。在此基础上,将PBO复合材料用于空间推进系统用铝内衬复合材料高压气瓶,开展了2.4 L铝内衬高压气瓶的研制。结果表明:PBO(HM)/D-8复合材料力学性能最佳,其拉伸强度与NOL层间剪切强度分别高达1 397 MPa和20.2MPa,采用其缠绕的复合材料气瓶结构系数高达64.5 km。     

卫星用复合材料气瓶性能

通过对环氧树脂、NOL环力学性能、金属内衬表面性能、复合材料真空质损和复合材料气瓶性能等进行研究和分析,研制出一种用于卫星推进系统的复合材料气瓶.结果表明:该复合材料气瓶经150次疲劳试验后爆破压强为86 MPa,容器特征系数达57.7 km,且满足真空使用环境要求.     

复合材料气瓶铝内衬缺陷对疲劳及爆破性能的影响

研究了复合材料气瓶在生产过程中金属内衬存在的凹坑、裂纹以及腐蚀等的缺陷类型,并且对存有以上缺陷类型的复合气瓶进行疲劳及爆破实验,研究其对气瓶的性能影响.结果表明:金属内衬缺陷的存在会使得气瓶在承受内压载荷的过程中,金属内衬在缺陷位置出现应力集中,提前出现裂纹的扩展,使得金属内衬失效,无法充分发挥复合材料层高强度的优势,使得复合材料气瓶的疲劳失效次数及爆破强度大大降低,影响最终的使用性能.     

复合材料圆筒结构脱层损伤识别研究

针对复合材料圆筒结构,讨论了基于模态柔度曲率矩阵的无损检测方法。通过模态分析获得脱层复合材料圆筒的各阶固有频率及节点振型,计算得到轴向和周向柔度曲率矩阵来判断损伤。研究表明:轴向和周向柔度曲率矩阵两种方法均可达到精确识别脱层位置及大小的效果,且越靠近外筒壁,柔度曲率矩阵图突变越大,越易检测。相对而言,轴向柔度曲率Fc在脱层位置突变远大于周向柔度曲率Fd,更易判断损伤。但当损伤发生在沿轴线固定端边界时,轴向柔度曲率Fc本身就有较小突变,应用周向柔度曲率Fd识别防止误判。     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

大型等剪应力钢丝缠绕芯筒的失稳校核

 针对大型预应力钢丝缠绕芯筒在缠绕过程可能发生失稳的复杂问题,在已有的等张力钢丝缠绕结构失稳理论与公式基础上,提出了一种新的等剪应力钢丝缠绕失稳校核公式。通过545 MN、726 MN超大型等静压设备钢丝缠绕芯筒的应用算例,结合实际缠绕施工过程的测量数据,验证了所提算法的可靠性和芯筒预紧完毕后芯筒外压公式的正确性。该算法为大型等剪应力钢丝缠绕芯筒失稳校核提供了理论依据,也为超大型缠绕缸体的方案设计和结构优化创造了条件。     

二冲程发动机分缸不均匀性分析

针对两缸二冲程航空发动机缸间不均匀性问题,运用试验、仿真相结合的方法分析引起缸间不均匀性原因,建立发动机GT-Power一维仿真模型,通过缸压信号对发动机不同工况分缸不均匀性进行仿真分析,并进行发动机台架试验,对比分析不同工况发动机两缸缸压和空燃比。结果表明:引起缸间不均匀性的原因是缸间进气和喷油的差异,小负荷主要影响因素为喷油差异,部分负荷主要影响因素为缸间进气差异,且随节气门开度的增大差异减小,为发动机均匀性控制的软硬件实现提供理论依据。      

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

Chatter stability and precision during high-speed ultrasonic vibration cutting of a thin-walled titanium cylinder

Titanium alloys are widely used in the aviation and aerospace industries due to their unique mechanical and physical properties. Specifically, thin-walled titanium (Ti) cylinders have received increasing attention for their applications as rocket engine casings, aircraft landing gear, and aero-engine hollow shaft due to their observed improvement in the thrust-to-weight ratio. However, the conventional cutting (CC) process is not appropriate for thin-walled Ti cylinders due to its low thermal conductivity, high strength, and low stiffness. Instead, high-speed ultrasonic vibration cutting (HUVC) assisted processing has recently proved highly effective for Ti-alloy machining. In this study, HUVC technology is employed to perform external turning of a thin-walled Ti cylinder, which represents a new application of HUVC. First, the kinematics, tool path, and dynamic cutting thickness of HUVC are evaluated. Second, the phenomenon of mode-coupling chatter is analyzed to determine the effects and mechanism of HUVC by establishing a critical cutting thickness model. HUVC can increase the critical cutting thickness and effectively reduce the average cutting force, thus reducing the energy intake of the system. Finally, comparison experiments are conducted between HUVC and CC processes. The results indicate that the diameter error rate is 10% or less for HUVC and 51% for the CC method due to a 40% reduction in the cutting force. In addition, higher machining precision and better surface roughness are achieved during thin-walled Ti cylinder manufacturing using HUVC.     

大型筒段构件自动铺带成型技术

在研究自动铺带成型技术的基础上,提出了一种用于复合材料筒段构件自动铺带成型轨迹规划的设计方案。根据自动铺带成型系统的独有特点,提出专用于自动铺带成型系统的数控(NC)代码约定。在研究自动铺带成型CAD/CAM技术的基础上,开发针对大型筒段复合材料构件的专用CAD/CAM软件,并在自主开发的自动铺带成型设备上进行铺带成型实验验证。经实验验证,此自动铺带机专用CAD/CAM软件的开发相当成功,满足了大型复合材料筒段构件的实际生产需求。     

复合材料无矩叠层板铺层优化设计——按静力破坏条件

 飞机翼面结构受力盒段的上下壁板若采用纤维增强复合材料叠层板则经常可简化为无矩叠层板;本文介绍这种叠层板按静力破坏条件的一种铺层优化设计方法。本法所用的数学工具为拉格朗日乘子法,采用的静力破坏条件为Hill-Tsai判据或Norris判据。对于铺层优化设计要用的公式进行了推导并且为了便于应用电子计算机对所得的公式进行了相应的改造。 关于叠层板极限强度的确定,文中也作了较仔细的探讨。为了具体说明本法的解题步骤以及如何选出铺层设计的优化方案举出了一个数例。文章的最后对几个技术问题进行了简要的讨论。 在结构打样设计阶段,对于翼面结构中处于拉伸或压缩受载（在不发生屈曲失稳破坏的条件下）情况下的复合材料壁板,本法可作为其铺层优化设计的一种工程方法。     

水平同心旋转套筒内的混合对流

 用数值模拟法研究了水平同心套筒内、外筒加热旋转时的流动和传热特性,提出了旋转流抑制自然对流的物理机制,进一步验证了对流换热可比拟为具有内热源的导热问题。     

纤维缠绕压力容器爆破压强计算

用于固体火箭发动机壳和工业贮藏的纤维缠绕压力容器,爆破压强是重要的设计参数。本文基于网络理论,给出了纤维缠绕圆筒压力容器圆筒和封头爆破压强的计算方法,给出了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的方法。算例表明,计算值与实侧结果符合良好。这些方法可供纤维缠绕压力容器设计者参考或直接应用。