An innovative constraining ring rolling process for manufacturing conical rings with thin sterna and high ribs

Conical rings with thin sterna and high ribs (CRTSHR) are key bearing-load parts of aerospace equipment, which are required to be manufactured with high performance and efficiency. Traditional ring rolling is the most preferred method for manufacturing high-performance ring parts, but it can hardly achieve the forming of CRTSHR due to the extreme geometry of CRTSHR. To solve this difficulty, an innovative constraining ring rolling process (CRR) is proposed in this paper to manufacture CRTSHR. To evaluate the proposed CRR and reveal its deformation behaviors, a thermomechanical coupled FE model for CRR of CRTSHR is established. Then, the experiment for CRR of CRTSHR is performed on a modified ring rolling machine, which proves that CRR of CRTSHR is feasible and the established FE model is reliable. Based on the reliable FE model, the metal flow mode in deformed CRTSHR is analyzed, and the deformation characteristics such as the stress state, strain distribution and the evolution of power parameters in CRR of CRTSHR are revealed. Finally, the influences of key parameters such as the friction factor between ring and molds, the diameter of idle roll and the feed velocity of idle roll on CRR of CRTSHR are investigated by FE simulation.     

网格式肋化通道换热与总压损失特性研究

通过两个实验模型,对矩形网格式肋化通道的换热与总压损失特性进行了实验研究。模型通道的两个宽边是由铝板机械加工而成的肋化壁,两个短边是由胶木板制成的绝热壁。肋化壁上肋与通道轴线所形成的锐角定义为肋向角α,第一个模型的两个宽边上的肋向角分别为45°和-45°(简称45/45模型);第二个模型两宽边的肋向角分别为45°和-60°(简称45/60模型)。两个模型的肋宽与肋间距之比t/p=0.25,肋间距与肋高之比t/e=0.30,肋高与通道高度之比e/H=0.50,即两个肋化壁的肋尖相互接触,从而形成网格式通道。实验表明当雷诺数在0.5×105～1.2×105范围内变化时,网格式内冷通道换热效果比光滑通道提高了5～9倍,但伴随的总压损失增加了3个数量级。      

太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计

太阳能飞机翼肋结构轻薄且数量众多,其结构形式的合理性对于结构减重、机翼刚度设计等具有重要意义。基于现有太阳能飞机翼肋的结构形式,提出一种翼肋拓扑优化设计方法:首先,应用双向渐进结构优化法(BESO),以单元应力为判断指标,对太阳能飞机典型翼肋进行结构拓扑优化;其次,基于拓扑优化结果对翼肋进行结构细节设计;最后,通过有限元计算,验证翼肋的结构强度、刚度和静稳定性。通过本文方法,能够得到太阳能飞机翼肋更为合理的结构布局。     

交替大小肋片方腔通道内换热性能的数值模拟

采用商业软件CFX研究了内部具有不同间距的周期性交替大小肋片的方腔通道的换热性能.结果发现:流体流过斜置肋片时,从肋片的上游端点开始形成一个紧靠带肋壁面向斜下游发展的喇叭状涡,此涡使肋片之间形成卵形高换热区域;高换热区域面积的大小与流体流动情况有关,而且受下游肋片影响.与采用单一尺寸肋片的通道相比,在适当的位置加入小肋片能够改善再附着区域下游的换热,同时降低通道的流阻系数,增强综合换热能力.      

基于厚板的弹性环式挤压油膜阻尼器建模及动力学特性系数识别

利用数值方法完善了弹性环式挤压油膜阻尼器（elastic ring squeeze film damper,ERSFD）的流固耦合计算模型,其中利用雷诺方程建立油膜的控制方程,利用厚板单元建立了弹性环的运动方程并采用分时迭代方法实现了弹性环-油膜的控制方程的耦合求解从而获得瞬时内外油膜的压力,并进一步识别了油膜以及ERSFD的动力学特性系数。结果表明ERSFD的阻尼系数受凸台高度影响最大,凸台高度从0.15mm增加到0.30mm, ERSFD的阻尼系数从5790(N·s)/m减小到718(N·s)/m; ERSFD刚度系数则主要取决于弹性环的厚度以及凸台数目,弹性环厚度从0.8mm增加到1.0mm,ERSFD的刚度从1.44×106N/m增加到2.51×106N/m。      

高压涡轮机匣加强肋表面换热特性试验

针对高压涡轮叶尖间隙主动控制机匣的多层结构,重点分析了机匣内部加强肋和安装螺栓共同组成的基本换热单元,利用热膜法研究了加强肋表面的局部和平均传热系数,得到了不同进气状态、加强肋高度对传热系数的影响规律。研究发现:冲击靶面传热系数随着冲击雷诺数的增长而增大,但传热系数的增长速率随着冲击雷诺数的增大而缓慢降低。3排冲击射流工况中,靠近出流位置的加强肋表面平均传热系数最高。试验结果表明,加强肋表面的传热系数受到加强肋高度和冲击雷诺数耦合作用。在高雷诺数时,增加加强肋高度带来的换热强化效果更加明显。      

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性研究

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型。首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与“竹节”形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关。然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明：（1）“竹节”结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;（2）随着通道内的雷诺数和“竹节”的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大。但以增大节高/孔径比的途径来提高平均努塞尔数时,阻力系数迅速增大;（3）可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10。     

带肋回转变截面通道内换热特性的实验研究

用实验方法研究了某航空发动机涡轮叶片内部带肋变截面180°回转通道壁面的换热特性,分析了上下面带60°平行斜肋和带60°交叉肋两种分布形式对换热的影响。实验结果表明:通道的努赛尔数随着雷诺数的增加而增大。在低雷诺数下两者的通道平均换热效果是相近的;在高雷诺数下交叉肋通道平均换热效果好于平行斜肋通道。变截面通道的壁面温度分布没有严格的以肋间距为周期的变化规律;交叉肋通道壁面温度沿流体流向的梯度要比平行肋通道的小。     

系列嵌套圆环系统的能量吸收特性

能量吸收结构的性能对航空、航天等领域的人员和结构防护非常重要。针对一种系列嵌套圆环系统的能量吸收特性进行了理论、数值和实验研究。首先建立了考虑应变强化效应的系列嵌套圆环系统受刚性平板横向准静态压缩时的刚塑性理论模型;然后对双环和三环嵌套圆环系统进行了准静态压缩实验及有限元数值模拟,理论预测、数值模拟和实验测得的系列嵌套圆环系统的载荷-挠度曲线吻合很好;最后对将系列嵌套圆环系统应用到航空领域进行了探讨,以应用至航空座椅为例,建立了人体、座椅、能量吸收结构的数学模型,参照美国航空联邦局航空座椅动态实验标准,基于该模型计算得到了人体所受的腰椎负荷,并与不装备能量吸收结构时的腰椎负荷进行了比较,结果表明应用系列嵌套圆环系统可以有效地对人体进行防护。     

中介轴承环下流道滑油流动及润滑效率分析

航空发动机主轴轴承（中介轴承）大多采用环下供油方式进行润滑，滑油在环下供油流道中的流动特性影响着轴承润滑效率，为了改善迄今滑油流动分析与喷射-收纳滑油分析相割裂及未考虑环下供油孔与滚动体相对位置变化所产生滑油输出时变性影响的不足，提出了考虑滑油输出时变性影响的喷油-收油与滑油流动集成分析方法。首先，将进入环下供油流道的滑油分解为直接喷入收油孔的滑油和沉积于收油环壁面上并沿周向流入收油孔的滑油，通过计算这两部分滑油流量获得进入环下供油流道的滑油流量；然后，基于环下供油孔和滚动体相对位置变化规律确定供油孔出口的时变边界条件，将其嵌入滑油流动瞬态分析模型，进行模型求解后得到环下供油流道各出口的滑油流量及轴承润滑效率。所提出的滑油流动分析方法较为系统也更符合工程实际，为中介轴承润滑效率的准确计算提供了技术方法和基础数据，有助于中介轴承润滑系统的精确设计。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

复合材料薄壁加筋抛物面天线仿真与优化

采用Patran/Nastran有限元软件对复合材料薄壁加筋抛物面天线进行了建模和仿真分析。重点分析了反射面铺层方式、加筋结构形式以及加强筋铺层对抛物面天线基频的影响。分析结果表明:采用[0/45/-45/90]s铺层形式的反射面基频最高;增加径向和环向筋可大幅提高天线基频,其中加筋结构采用[0/30/90/-30]s铺层可进一步提高天线基频。通过有限元分析确定了基频最佳的复合材料抛物面天线结构,为制备薄壁加筋抛物面天线提供了指导。     

膨胀循环推力室再生冷却换热的数值模拟

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,采用数值模拟方法,研究了冷却剂流动方式、推力室圆柱段长度、圆柱段室壁加肋和气壁面粗糙度等因素对冷却通道压降、冷却剂温升、壁面热流密度和温度分布等换热特性的影响.计算过程中采用k-ε双方程湍流模型.计算结果表明:采取顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也低;对于室壁加肋结构,在肋个数相同而只改变肋高度的情况下,总换热量正比于总换热面积.      

带交错叉排肋的矩形通道压力特性数值模拟

针对上下壁面交错又排布置肋通道的阻力特性，利用数值计算的方法研究通道的压力系数分布。入口雷诺数变化范围为60000-150000；采用非结构化网格进行网格划分，利用realizable湍流模型和增强壁面函数封闭方程；计算结果表明，带肋通道的流动阻力较大，沿着流动方向，压力系数迅速地减小，随着雷诺数的增加，压力系数增加，带肋的下壁面压力系数分布非常的不均匀，不带肋的左侧壁面压力系数分布相对均匀。     

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

TC4钛合金薄壁带筋锥形环辗轧充填规律

钛合金薄壁带筋锥形环件是航空航天关键基础构件,型槽充填不满、截面轮廓难以精确成形,是该复杂异形环件精密辗轧成形面临的瓶颈问题。本文分析了影响型槽充填行为的关键影响因素,即决定塑性变形行为的每转进给量、以及决定每转进给量在环件内外表面分配比例的驱动辊半径和芯辊半径;以某TC4钛合金薄壁带外筋锥形环辗轧为研究对象,通过ABAQUS的VUAMP子程序开发,建立了实现以常每转进给量进给的芯辊运动闭环控制有限元仿真模型;进而模拟揭示了每转进给量、驱动辊半径和芯辊半径对型槽充填质量(充填率、型槽入口变形及其均匀性)的影响规律。结果表明:随着每转进给量增大,充填率先增大后减小,表明存在一个最佳的每转进给量最利于充填;随着每转进给量增大,型槽入口区域变形越小且分布越均匀,可有效抑制该区域产生裂纹缺陷;随着驱动辊半径增大,充填率逐渐减小,不利于型槽充填;随着芯辊半径增大,充填率逐渐增大,有利于型槽充填。     

Radially loading rotary extrusion for manufacturing large-size conical cylinders with inner transverse high ribs

The Large-size Conical Cylinders with Inner Transverse High Ribs (LCCWITHR) can reduce the weight of the parts while maintaining high rigidity and strength. Radially Loading Rotary Extrusion (RLRE) forming technology can achieve integral forming of LCCWITHR through the synergy of radial and rotary movements of dies. The flow law of the material during the forming process is the key to forming large-size inner ribs. At present, there is no unified understanding of the metal flow law of RLRE forming technology. An analytical expression was derived to predict the Radial Direction (RD) deformation loads. The FE simulation and process experiment were carried out to investigate the effects of the inclination angle, thickness factor and transition arc radius of the split top dies on the spacing of the metal diversion plane, the metal flow velocity of the rib area and the final radius of the inner rib. The influence of the split top dies loading distance and the bottom die rotation angle of each pass on the inner radius of the inner rib was verified. And the optimal combination of dies shape parameters and loading paths which can make the metal flow orderly was obtained: the inclination angle is 140°, the thickness factor is 3.64, the transition arc radius is 16 mm; the top dies loading distance is 15 mm, the bottom die rotation angle is 45°. The FE simulation results have been found to be in close agreement with physics experiment. The research results reveal the metal flow law of rib growth in the RLRE of LCCWITHR, which lays a theoretical foundation for subsequent thorough research and process optimization.     

Pressure performance for a thin-walled ring and turbulent-jet orifice modeled elastic squeeze film damper

This paper explores an analytical model for Elastic Ring Squeeze Film Damper (ERSFD) with thin-walled ring and turbulent-jet orifices, and uncovers its Oil Film Pressure Performance (OFPP). Firstly, the ring deformation is addressed by using the Fourier series expansion approach and the orifice outflow rate is characterized with the Prandtl boundary layer theory. Secondly, applying finite difference scheme, the influence of elastic ring flexibility, orifice diameter, and attitude angle on the OFPP is analyzed. Finally, Outer chamber pressure was measured experimentally at different rotor speeds. The results indicate that the outer chamber pressure coats an individual load-carrying region and spreads symmetrically pertaining to the attitude angle. Its amplitude drops as the elastic ring flexibility decreases but boosts with the reduction of the orifice diameter. For inner chamber pressure, the orifice diameter effects a similar trend to the outer cavity, but exhibits more stable distribution regarding the attitude angle. Minimizing the elastic ring flexibility causes an increase in amplitude. The model is validated by the test results giving that the outer chamber pressure shifts synchronously and periodically with the variation of the attitude angle, while the pressure amplitude increases slightly at higher rotor speeds.     

浮环式挤压油膜阻尼器的减振机理

为了进行浮环式挤压油膜阻尼器减振机理的研究,借助于挤压油膜阻尼器的雷诺方程,根据浮动环与轴颈之间的相对运动,进行了浮环式挤压油膜阻尼器的建模.通过仿真计算,得到浮环式挤压油膜阻尼器转子系统和双向激励试验系统的位移响应,进行了浮环式挤压油膜阻尼器的减振机理研究.结果表明:浮环质量越大、油膜间隙越小、油膜宽度越大或者滑油黏度越大,则浮环式挤压油膜阻尼器具有越好的减振性能,反之,则越差.      

不同肋间距变截面回转通道内的流阻和换热特性

实验选取航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究对象,对横肋变截面回转通道内不同肋间距的气流流动阻力和换热特性进行了实验研究。通道进口雷诺数在7000到60000范围内。实验结果表明,随着雷诺数的增加,不同节距比通道阻力系数降低;不同节距比对通道阻力系数和通道平均努塞数的影响呈多峰分布。