基于PATRAN的推力矢量导流管的设计研究

针对某型飞机进行二元推力矢量改装时，出现的发动机出口气流转换问题，设计了喷管导流管，将导流管气流截面由圆形过渡到长方形。利用有限元软件PATRAN对导流管进行了应力分析和变形分析，得出导流管的应力分布场和位移场，通过对不同厚度的导流管的分析计算，得出导流管最大应力和最大位移随管壁厚度变化曲线，从而确定最佳的管壁厚度。最后对导流管的结构进行了优化设计，得到较为理想的结构。     

二元推力矢量喷管导流板的设计研究

在某型飞机进行二元推力矢量改装时，为了获得俯仰方向的矢量推力，必须对飞机尾喷口气流进行导向，以便实现推力方向的改变。本文将喷口导流板设计成由矩形板部分和三角形部分组合成的一个几何体，利用有限元软件Patran对导流板进行了应力强度分析和变形分析，得出不同的三角形高度和不同的矩形宽度组成的导流板的应力分布场和变形位移场不同。通过对不同宽度的矩形板和不同高度的三角形板组成的导流板的分析计算得出，导流板最大应力和最大位移随三角形高度变化曲线，从而确定最佳的三角形高度和矩形板宽度。     

石油用玻璃纤维管管壁优化设计

针对石油工业用玻璃纤维缠绕管子进行了最佳缠绕角度和管壁厚度的计算，给出了优化计算程序简介和部分优化设计计算的结果及其分析。并得出管壁在轴向／环向应力比为－1时，此类管子可达到最大承载能力。     

超声速条件下亚毫米液滴的变形破碎模态

以超声速气流中液滴变形破碎行为为研究内容,对水平激波管中承受激波冲击的亚毫米水液滴(0.44~1.09 mm)变形破碎过程进行了观测,实验激波马赫数范围为1.07~2.11。利用纹影法,结合高分辨率高速相机对不同破碎模态下液滴的变形破碎特征进行了记录,得到了袋状、多模态、剪切和爆炸式等破碎模式下的液滴纹影图像,分析了液滴运动参数的时空关系。得出了液滴变形阶段,液滴无量纲横向变形宽度以及液滴无量纲迎风面位移随无量纲时间的变化发展规律,并且得出在液滴初始直径相同时,不同液滴破碎模式的无量纲最大横向变形宽度的变化,其中袋状、多模态、剪切破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在1.15~1.61范围内变化,爆炸式破碎模式的无量纲横向最大变形宽度均在0.21~0.68范围内变化。     

某型航空发动机无螺栓挡板离心应力的计算分析

无螺栓挡板结构是现代航空发动机上的一种先进结构,本文对某型发动机的无螺栓挡板结构进行了建模和计算分析,通过分析得出无螺栓后挡板上的最大等效应力的大小及位置,并且根据计算机构得到在离心力作用下高压涡轮后挡板上不同区域内最大等效应力与转速的变化关系曲线,对发动机设计点、最大热负荷两种工作状态下的等效应力的大小进行了分析,通过计算分析可以为无螺栓挡板结构的设计技术研究提供必要的参考。     

考虑热流固多物理场耦合的圆周密封特性

基于圆周密封工况分析,建立了流场、温度场及结构场的多物理场耦合三维求解模型。通过热流固耦合方法计算结果分别与理论模型和试验结果对比,验证了模型正确性。分析了圆周密封流场、温度场和结构场特性,及耦合场应力和变形分布规律,得到了关键工况参数对圆周密封性能作用规律。结果表明:流场压力沿z轴负向降低,压力降梯度与密封带宽度负相关;封严气体出现不规则涡旋运动,流速沿径向降低。温度场分布较均匀,最高温度位于搭接头处。结构场分析发现最大变形和最大应力位于凸搭接头处。热流固耦合下密封环最大变形量比流固耦合下增大161%,比热结构耦合下减小09%,温度场对变形显著影响。最大应力移至密封带与搭接头过渡处,比流固耦合下增大83%,比热结构耦合下增大23%,流场与温度场对密封环应力影响较大。温差变化对变形量起主要作用。压差变化对最大应力起主要作用,对泄漏量具有决定性作用。     

加筋壁板结构非线性屈曲数值分析研究

应用非线性有限元分析技术采用ANSYS10.0有限元计算软件细致研究了飞机加筋壁板结构在受压状态下的非线性变形及稳定性特性,考虑了不同边界条件、不同加载方式以及不同筋条厚度对特征值屈曲分析临界栽荷的影响.并比较了非线性分析下结构的临界屈曲载荷与线性屈曲分析下的临界屈曲载荷.同时提取板上不同位置上节点的位移/加载曲线,面外挠度/加载曲线,等效应力/加载曲线,对结构非线性特性进行了细致分析和讨论.并以面外挠度为纵坐标得出了长截面与短截面的屈曲波形图,细致表现了加筋板的非线性屈曲形态与规律.     

宽弦空心风扇叶片流固耦合作用下的叶片响应分析

利用数值模拟的方法,对宽弦空心风扇叶片在空气场作用下的瞬态响应进行了研究.采用流固耦合数值计算方法,得到了某宽弦空心风扇叶片在非定常边界条件下的变形响应.计算结果表明,叶片在空气场的作用下,最大位移发生在叶片前缘叶尖处,在沿叶展方向与叶片内部芯板结构沿叶展方向分布重合处产生应力集中,应力值由叶片表面向叶片内部逐渐减小,内部芯板虽然厚度较薄,但分布应力值均较小,且应力集中发生在叶片表面.气动力与叶片结构之间的耦合作用,使叶片结构模态振型沿周向不再均匀分布.叶片在气固耦合时的变形响应以绕旋转轴的弯曲振动为主,接近叶片的一阶模态变形.      

某型飞机风挡的PATRAN-NASTRAN有限元分析

某型飞机风挡结构(风挡、前弧、弧框和侧骨架)位移及应力分析采用了NASTRAN程序,前、后置处理采用了PATRAN程序.在建模过程中,风挡结构大部分采用板壳结构来建立几何模型,侧骨架后段厚度与长宽的比值较小,用实体模型建模.各部件之间的螺栓连接用MPC来模拟.分析得到了风挡结构最大位移和最大应力的所在点,为风挡的定寿、延寿设计提供了依据.     

拐角扩张比与导流片安装角对BHAW风洞流场品质影响的数值研究

以北京航空航天大学4 m×3 m低湍流强度、低背景噪声的大型封闭回路气动声学风洞（BHAW）设计需求为工程应用背景，采用k-ωSST湍流模型进行了数值模拟，分析了在多个扩张比下的拐角导流片安装角对流场的影响。研究结果验证了在不同拐角扩张比下的总压损失系数均随导流片安装角增大而先减小后增大，且存在极小值点，极值点对应的导流片安装角与拐角扩张比呈现正相关。在不同的扩张比下，局部损失系数均随导流片安装角增大呈现先减小后增大的变化规律；相同导流片安装角下，拐角中部导流片的摩擦损失系数最大，导流片安装角的变化对中部导流片（即6～8号导流片）的流速影响较小；随着拐角扩张比增大，拐角出口管道内气流不均匀性增大，最佳导流效果的导流片对应的安装角增大。在综合考虑降低总压损失系数和减小管道出口气流偏角两个设计原则后，BHAW风洞为扩张比为1.17的第一拐角选择44°的设计安装角，为扩张比为1的第二、三、四拐角选择44°、43°、42.5°的设计安装角。通过数值计算验证了风洞试验段的核心区动压系数小于0.2%、速度水平偏角小于0.1°，满足BHAW气动设计要求。     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

基于椭圆积分的单支点半柔壁喷管大挠度成型半解析求解与验证

为提升跨超声速风洞单支点半柔壁(SJSF)喷管分析精度和效率,发展了基于椭圆积分的柔性壁板大挠度变形半解析求解方法.以0.3 m低温风洞单支点半柔壁喷管为研究对象,建立型面组件力学模型,基于欧拉梁理论推导柔性壁板型面曲线的微分方程,给出了椭圆积分的表达形式.利用Maple软件编制了计算程序,并以此针对马赫数为1.15和...     

涡扇发动机轴对称引射收敛喷管红外辐射特性

数值研究了涡扇发动机轴对称引射收敛喷管的红外辐射特性.排气系统的流场计算采用商用数值模拟软件,红外辐射特性计算采用自主开发的软件NUAA-IR,计算分析了轴对称收敛喷管和引射收敛喷管在3~5μm波段红外辐射特性以及喷管内不同固体壁面在探测方向上的红外辐射贡献.结果表明:引射收敛喷管的红外抑制作用主要在于引射加强了尾喷流与环境大气的掺混,减小了尾喷流的长度,降低了燃气流的红外辐射;引射收敛喷管对喷管内固体壁面的遮挡以及降温作用很小,只在方位角为20°方向上对内涵壁面、外涵内壁等中低温壁面有效;引射收敛喷管的总积分辐射强度在方位角为0°~15°范围内与收敛喷管几乎相等,在其他方位角范围内均小于收敛喷管,且在方位角为40°方向上降低幅度达到最大,约为34%.      

旋转固体火箭发动机喷管热结构分析

以某固体火箭发动机喷管为例,研究其旋转情况下的流动、传热及热结构响应性能。利用雷诺应力湍流模型,结合增强型壁面函数,求解N-S方程。以喷管内壁面温度分布为边界条件,求解二维轴对称瞬态热传导方程。将瞬态温度场按时间步长加载,进行瞬态静力学分析,得到不同转速下的流场、温度场及应力场。结果表明,喷管在旋转情况下,喷管内壁面尤其是喉部及扩张段温度分布在转速为100 r/min及600 r/min左右时变化剧烈;旋转内流场与喷管结构的耦合作用加剧了喷管的传热,尤其是喉衬的烧蚀,特征点温度值随转速增大而升高;最大热应力位于喷管最外层尾端,整体热应力在转速低于100 r/min时得到释放,随着转速的不断增大,喷管整体最大热应力及扩张段特征点应力随之增大,而喉衬特征点由于旋转导致了温度梯度降低,其应力值随之减小。     

三轴承推力矢量喷管运动学建模及试验

三轴承推力矢量（3BSD）喷管是实现大角度偏转的推力矢量主要形式,主要应用于垂直/短距起降（V/STOL）飞机。喷管由3段组成,相邻两段通过轴承连接,喷管与发动机出口也通过轴承连接,因此形成了3对转动副,通过3对转动副的转动喷管可以实现偏转到特定的角度及方向。三轴承推力矢量喷管运动学模型是其控制器设计及应用的前提,通过喷管固联坐标系逐级坐标转换的方法得到喷管运动学模型。通过几何关系分析说明了三轴承推力矢量喷管的基本原理,对推力矢量偏转大小/方向与三级喷管转角之间的非线性关系进行了分析,在3条基本假设的基础上提出了喷管逆运动学控制规律,并利用一个缩比喷管进行了试验验证。试验结果表明,所建立模型可以反映喷管运动学特性,逆运动学控制规律可应用于喷管开环控制。     

温度载荷下带筋套管形装药结构完整性分析

为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因，基于Updated Lagrangian方法，推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上，进一步给出了热应力应变分布，指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种肉厚系数，对推进剂药柱进行了结构完整性计算，得出热膨胀系数与最大等效应力应变成线性关系，而肉厚系数与最大等效应力应变之间成指数函数关系的结论。结果说明：肉厚系数的选择对固体火箭发动机装药保持结构完整性有重要影响。     

轴向旋涡强化矩形喷流掺混的机理研究

本文介绍了在低速射流风洞上开展的二维喷管来流带旋涡的模拟实验。通过流场观察，壁面静压和矩形喷流三维流场的测试。     

Numerical analysis for impacts of nozzle end-clearances on aerodynamic performance and forced response in a VNT turbine

It has been well known that nozzle end-clearances in a Variable Nozzle Turbine (VNT) are unfavorable for aerodynamic performance, especially at small openings, and efforts to further decrease size of the clearances are very hard due to thermal expansion. In this paper, both the different sizes of nozzle end-clearances and the various ratios of their distribution at the hub and shroud sides were modelled and investigated by performing 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) simulations with a code of transferring the aerodynamic pressure from the CFD results to the FEA calculations. It was found that increasing the size of the nozzle end-clearances divided equally at the hub and shroud sides deteriorates turbine efficiency and turbine wheel reliability, yet increases turbine flow capacity. And, when the total nozzle end-clearances remain the same, varying nozzle end-clearances’ distribution at the hub and shroud sides not only shifts operation point of a VNT turbine, but also affects the turbine wheel vibration stress. Compared with nozzle hub clearance, the shroud clearance is more sensitive to both aerodynamic performance and reliability of a VNT turbine. Consequently, a possibility is put forward to improve VNT turbine efficiency meanwhile decrease vibration stress by optimizing nozzle end-clearances’ distribution.