壁面剪应力测量底层隔板数学模型研究

为指导器件研发设计和测量工作,提出了一种建立底层隔板壁面剪应力一压差数学模型的方法。通过量纲分析确定壁面剪应力和压差之间关系;结合具体器件,采用CFD方法计算出若干组壁面剪应力、压差的值;通过非线性回归获得该器件的壁面剪应力一压差数学模型。将建立的模型与实测数据进行对比,结果表明：二者能够较好地吻合,证明提出的方法是有效的。并应用该方法设计并加工了一种压阻式微机电系统（MEMS）底层隔板。     

底层隔板法流体壁面剪切力的测量研究

针对流体壁面剪切力测量难度较大的问题,研制了一种流体壁面剪切力测量元件的底层隔板法,并采用理论推导、数值计算和实验相结合的方法对其性能进行研究。通过公式推导,分析了元件用于流体壁面剪切力测量的原理,找出壁面剪切力和隔板前后压力差的函数关系。实验结果表明：元件隔板前后差压与测得的流体剪切力的幂次方成正比。数值计算结果表明：测量元件的敏感尺寸是迎风薄片高度,高度越大,校准曲线斜率越小,幂次系数越小,而正比例系数越大。对底层隔板法壁面剪切力系数特性的研究,为探索其免标定应用方法奠定了基础。     

工艺偏差对压阻式硅微压力传感器性能的影响

工艺实践表明,采用体硅湿法刻蚀工艺加工压阻式微型压力传感器时,敏感膜片会存在厚度偏差,电阻条偏离应力最大区域导致位置偏差,电阻条偏离期望的[110]晶向造成角向偏差.结合工艺实验并借助有限元法分析了上述几种主要工艺偏差对灵敏度、线性度等性能的影响.研究表明,2μm的厚度偏差会使灵敏度下降大约10%,线性度会明显下降;位置偏差会使敏感元件偏离应力最大区域而降低灵敏度:5°的电阻条角向偏差会使灵敏度下降大约3%.相关研究可为最大程度减小工艺偏差的影响提供参考依据.     

隔板对低外阻二元高马赫数进气道反压特性的影响

为了提高低外阻二元高马赫数进气道的抗反压性能,研究了在内收缩段设置隔板对低外阻二元高马赫数进气道抗反压能力的影响,通过数值仿真计算了两组不同内收缩比的低外阻二元高马赫数进气道内收缩段有/无隔板下的反压特性,并对比分析了相应的流场结构。结果表明,隔板能够显著抑制低外阻二元高马赫数进气道内强激波/边界层干扰现象,改善隔离段入口截面气流参数分布的均匀性,使隔离段内激波串结构上下较为对称地推进。内收缩比1.566进气道引入隔板能够将极限反压提高4.2%。引入隔板能够在增加进气道压缩效率的前提下,提高进气道的最大抗反压能力,拓宽进气道的稳定工作范围。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大，故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构，包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作，敏感单元为全石英材料，硅结构与石英结构键合到一起，结构加工完成后去除硅材料，以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称，包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁，芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度，并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性，仿真的差动灵敏度为35Hz/g。     

大厚度硅结构高精度干法刻蚀技术研究

增大敏感结构厚度是提高微机电陀螺性能的一个途径。对大厚度敏感结构,在刻蚀过程中易出现"长草"、"缩口"和"屋檐"等典型缺陷,同时刻蚀后侧壁垂直度、刻蚀均匀性较差,严重影响其尺寸精度。研究了刻蚀/钝化比、刻蚀阶段钝化气体通入时间和反应气体流量等工艺参数对刻蚀形貌的影响,提出了一种分步刻蚀的方法,获得了侧壁垂直度89.95°与片内均匀性3.4%的刻蚀结果。     

燃料射流隔板对受限超声速反应混合层流场和燃烧特性影响

为了研究燃料射流隔板壁面扰动对于受限超声速反应混合层流场和燃烧特性的影响,基于抽象物理模型激波和膨胀波理论推演,得到了隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场结构,并采用数值模拟方法进行了验证。数值结果表明,隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场主要由冷态主导,且相对无隔板扰动多了回流区、激波、膨胀波、波与反应混合层相互作用等复杂现象。在此基础上,对于不同隔板厚度计算的结果表明,随着隔板厚度的增加,隔板下游的回流区增大,上下膨胀产生的压力不平衡加剧,反应混合层会产生偏斜,回流区厚度和偏斜距离与隔板厚度成正比。此外,第一道反射激波存在降低点火延迟的作用,且存在一个隔板厚度阈值,阈值以下随着厚度增加点火延迟随之降低。同时,后续的多道反射激波导致混合层发展的局部起伏和局部燃烧增强。     

无氧铜微铣削加工中尺寸效应对出口毛刺的影响研究

为预测出口毛刺的形成高度,本文根据微铣削加工中未变形切屑厚度理论,构建出口毛刺几何模型。采用有限元仿真方法,分析微铣削加工无氧铜时尺寸效应对出口毛刺尺寸的影响,发现当未变形切屑厚度与刀尖钝圆半径比值为1时毛刺尺寸达到最小值。分析工艺条件对切削力的影响,发现未变形切屑厚度的改变对切向力的变化有显著影响,切削速度的改变对切削力基本无影响。     

大直径液氧煤油发动机燃烧室抗脉动隔板技术

随着发动机推力的增大,燃烧室直径也随之增大,表征燃烧室热声学特性的振型、频率及其组合振型更为复杂,燃烧室带与不带抗脉动隔板以及隔板的结构参数等对声学特性影响明显,直接影响燃烧不稳定性的裕度。为了研究抗脉动隔板结构参数对燃烧室声学特性的影响,本文基于三维柱坐标系声波动理论和COMSOL仿真平台,研究了抗脉动隔板结构对火箭发动机燃烧室声学特性的影响。通过单喷嘴声学模拟实验,验证了该仿真方法的有效性。分析了隔板高度、厚度和冷区长度对燃烧室声学特性的影响规律。研究结果表明:隔板高度由40mm增加至120mm时,燃烧室一阶切向和二阶切向振型的频率分别下降了22%和31%;隔板厚度和冷区长度对燃烧室声学频率的影响不超过5%;大推力补燃发动机燃烧室直径大,需采用结构形式更为复杂的抗脉动隔板来针对性地抑制横向振型。     

湍流附面层壁面摩擦应力的测量方法

 本文讨论了不可压和可压湍流附面层壁面摩擦应力的测量方法,对Presto管、Stanton管、底层隔板、表面热膜和计算Preston管法进行了校准和测量比较。     

航空管路补偿器耐久性计算方法对比分析

本文研究了管路补偿器补偿位移疲劳寿命和耐久振动寿命的有限元分析计算方法。通过对某型管路补偿器有限元仿真计算结果和传统工程计算法计算的结果进行对比分析，研究管路补偿器补偿位移疲劳寿命的有限元计算方法，探索耐久振动寿命的有限元计算流程，并将结果同试验数据对比，以验证其设计方法的计算精度。结果表明，补偿位移的疲劳寿命有限元法的计算精度优于工程设计法；耐久振动寿命有限元法能够给出确定的振动应力分布情况，并预测出耐久振动寿命时间，工程设计法仅能计算出管路补偿器的自振频率，不能明确振动应力和寿命。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

基于实测频响函数反推管路卡箍支承刚度与阻尼

为了有效创建航空发动机管路系统动力学模型,需要获得动载荷作用下管路卡箍支承刚度及阻尼。提出一种基于实测频响函数(FRF)反推卡箍支承刚度及阻尼的方法。确定了针对单管路双卡箍支撑系统的反推辨识流程；利用自编有限元创建了该管路系统的动力学模型,并给出了求解频响函数的方法；进一步,提出了基于灵敏度的卡箍支承刚度和阻尼反推辨识算法；以典型管路卡箍为例,用所提出的方法辨识出了该卡箍的支承刚度和阻尼。将辨识值回带到理论模型中,发现仿真及实测固有频率及相对应的频响函数偏差均小于9%,从而证明了研发的辨识方法的合理性。另外,辨识结果也表明卡箍的刚度及阻尼具有频率依赖性,且水平及竖直方向存在差异。      

航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计

为了满足航空发动机推力矢量高精度测量的需求,研制了一种结构紧凑的能够实现推力矢量彻底分解的六分量盒式天平.该天平关键结构包括:三维传感器、固定框和浮动框.其中三维传感器的弹性体采用串、并联组合的结构型式.基于有限元分析,对传感器弹性体的设计进行了模拟,结果显示传感器各测力元件对本分量载荷作用敏感程度均远高于其他分量,支撑元件也较好地阻隔了各测力元件之间的相互干扰,该结论也通过了传感器的校准验证.六分量盒式天平整体的刚度和模态分析结果:天平无需做弹性角修正;1阶固有频率为218.8Hz,高于设计指标180Hz.六分量盒式天平校准表明:天平各分量精确度优于3‰,准确度优于5‰.      

液体火箭发动机喷管简化建模及模型修正

为了准确掌握喷管的动力学特性,提出了一种等效简化建模结合试验数据的模型修正方法。首先,将喷管的原始几何模型经过几何处理成简化模型,建立了喷管的有限元模型,对有限元模型在自由条件下进行模态计算,将得到的计算数据与测试数据对比分析,再利用测试数据对有限元模型的弹性模量参数进行修正,修正后的喷管有限元模型前9阶模态计算结果与测试结果频差在5%以内,MAC值(模态置信准则)在0.8以上。表明此方法是一种高效可行的喷管简化建模方法,既保证了精度又提高了计算效率,对其动力学特性分析、振动响应预测等方面具有重要应用价值,对于液体火箭发动机其他部件的动力学建模及分析也具有普适性。     

推力室结构力学分析与优化设计

针对某液体火箭发动机推力室建立了参数化模型,使用有限元方法分析结构固有频率和振型,并进行了模态试验验证.采用最优拉丁超立方法进行计算机数值试验设计,得到了结构质量和1阶固有频率对于设计变量的敏感性,对于优化设计过程具有指导意义.使用NSGA-Ⅱ算法开展多目标优化设计,得到了同时满足静力学与动力学设计要求的推力室结构最优设计方案.最优设计方案的推力室质量减轻了9.1%,1阶固有频率值提高了22.6%,结果表明该方法能有效提高推力室的力学性能.      

Effects of Machine Tool Configuration on Its Dynamics Based on Orthogonal Experiment Method

In order to analyze the influence of configuration parameters on dynamic characteristics of machine tools in the working space, the configuration parameters have been suggested based on the orthogonal experiment method. Dynamic analysis of a milling machine, which is newly designed for producing turbine blades, has been conducted by utilizing the modal synthesis method. The finite element model is verified and updated by experimental modal analysis (EMA) of the machine tool. The result gained by modal synthesis method is compared with whole-model finite element method (FEM) result as well. According to the orthogonal experiment method, four configuration parameters of machine tool are considered as four factors for dynamic characteristics. The influence of configuration parameters on the first three natural frequencies is obtained by range analysis. It is pointed out that configuration parameter is the most important factor affecting the fundamental frequency of machine tools, and configuration parameter has less effect on lower-order modes of the system than others. The combination of configuration parameters which makes the fundamental frequency reach the maximum value is provided. Through demonstration, the conclusion can be drawn that the influence of configuration parameters on the natural frequencies of machine tools can be analyzed explicitly by the orthogonal experiment method, which offers a new method for estimating the dynamic characteristics of machine tools.     

抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

微机械陀螺是现代制导武器的核心器件，但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题，设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理，对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型，分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示，该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz，工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应，谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa，最大位移为8.06nm，证明该结构具有优良的抗冲击特性。