中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

HTPB推进剂拉伸力学行为的应变速率相关超弹本构模型

为研究HTPB推进剂拉伸力学行为的应变速率相关性,采用万能试验机和液压试验机,在室温下开展了不同应变速率(1.2×10~(-4)~80s~(-1))的拉伸实验。结果表明:给定应变对应的应力随应变率对数双线性增加,1s~(-1)为双线性关系的转折点;随应变的减小,HTPB推进剂的应变率敏感性线性增强。在Mohotti建立的模型基础上,结合拉伸力学行为的双线性率相关特性及应变率敏感性的应变依赖性,提出改进的应变速率相关超弹本构模型。该模型以超弹性元件作为基础描述参考应变率下的力学行为,率相关元件乘入超弹性元件描述率相关特性。模型预测与实验曲线对比表明:所提出的率相关超弹本构模型能够描述HTPB推进剂在1.2×10~(-4)~80s~(-1)应变率、30%应变范围内的拉伸力学行为。     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效研究

为研究HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应,推导了基于Schapery单积分非线性本构方程的HTPB推进剂时温等效理论表达式,给出了蠕变柔量主曲线的拟合方法。通过不同应力(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa)和不同温度(20℃,40℃,60℃,80℃)条件下HTPB推进剂蠕变试验,得到了参考温度(20℃)下的蠕变柔量主曲线。通过反复加载蠕变试验,分析了载荷变化对蠕变过程的影响。结果表明:不同温度下的蠕变柔量-时间对数曲线在稳定蠕变阶段具有良好的一致性,验证了HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应;0.1MPa,0.2MPa和0.3MPa应力下的蠕变柔量主曲线时间尺度从试验测试的103s分别延伸到了10~(4.27)s,10~(4.17)s和10~(3.91)s;快速的应力释放和恢复加载过程不会影响整个蠕变过程,载荷变化蠕变过程的时温等效效应具有连续性。     

基于热力学的HTPB/AP复合底排药损伤本构模型及损伤差异分析

为研究HTPB/AP复合底排药（CBBG）单轴拉伸力学性能,进行了准静态（233~301 K,8.3×10^-5~8.3×10^-1 s^-1）和冲击（233~323 K,1 200~8 000 s^-1）加载实验。实验结果表明,各工况下的真应力应变曲线均有明显的屈服点,初始模量、屈服应力及后屈服阶段形态均呈现显著的温度和应变率相关性。在不可逆热力学框架内,推导了热力学力表达式和内变量演化法则,结合初始模量和屈服应力模型,建立了黏弹-黏塑-损伤本构模型。根据HTPB/AP CBBG宽泛温度和应变率实验数据,利用一维形式的本构模型进行了参数辨识和模型验证。结果表明,该模型能较准确描述黏弹性阶段和后屈服阶段。不同工况下的损伤演化律表明,冲击加载和低温均有利于损伤扩展。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究

为研究HTPB推进剂在冲击载荷作用下的动态断裂特性与破坏机理,使用中心直裂纹圆盘试件,在分离式Hopkinson压杆实验系统上开展了推进剂动态断裂实验,得到了高应变率下HTPB推进剂的Ⅰ型动态起裂韧性值,利用扫描电镜观察了推进剂的断面形貌,并使用分形几何方法计算了断面分形盒维数。结果表明:本文的实验方法是有效的,推进剂的动态起裂韧性具有明显的应变率敏感性,在应变率400~1100s-1范围内,其值随着加载速率的增加呈现线性增长的关系;推进剂在高应变率条件下呈现颗粒破碎、穿晶断裂等脆性断裂特性,应变率越高,推进剂断面的分形盒维数越大,推进剂的颗粒破碎程度越严重,从微观层面验证了推进剂断裂韧性的应变率敏感性。     

HTPB复合底排药损伤本构模型研究

为研究HTPB复合底排药(Composite Base Bleed Grain,CBBG)力学性能,进行了室温(28℃)下准静态单轴压缩和拉伸实验。基于对HTPB CBBG有限变形过程的非线性力学响应分析,建立了五元件黏弹-黏塑-损伤本构模型。模型预测结果表明,所建模型能够准确描述HTPB CBBG压缩和拉伸力学性能。获得的损伤演化律表明,达到屈服应变εy后,累积损伤值D和损伤因子f随应变ε近似线性增长,应变率ε?降低4个量级,压应变为-0.62时、拉应变为0.24时的损伤程度分别增加了10.64倍和22.28倍,拉应力引起的材料损伤较压应力严重。结合所建模型编写了用户子程序VUMAT,利用ABAQUS/Explicit模拟了单轴拉伸实验。计算结果表明,应力应变曲线数值解与实验结果吻合良好,验证了VUMAT的正确性。     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

基于飞机油箱模型形状特征油量测量切片步长选择方法研究

 在分析飞机数字式油量测量过程中目前广泛使用的切片法油量测量原理的基础上,针对现有的定步长切片法无法得到准确、可靠的燃油质量特性数据库的缺陷,结合对飞机油箱模型形状特征的分析,提出了基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法。此方法包括切片步长整体和局部选择两个过程,整体选择以实现相邻两切片平面所夹油箱模型体积近似相等为目的来确定切片步长,以体现油箱模型截面整体变化规律;局部选择以设计切片平面与截面突变平面重合或尽可能接近的方式,突出油箱截面的局部变化特征。实验结果表明：该切片步长选择方法较定步长方法能够建立更为合理、可靠的燃油质量特性数据库,从而提高了油量测量精度。     

二维翼段颤振的μ控制

 采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振鲁棒抑制。针对作者设计的二维翼段颤振主动抑制系统，通过理论与实验相结合的方法，建立了考虑沉浮方向阻尼和作动器模型参数不确定性的控制系统模型，设计了μ控制器，并对控制器做了降阶处理。数值仿真和风洞试验表明，μ控制器可有效地抑制颤振的发生，将颤振临界速度提高23.4%。相对于H_∞控制器，μ控制器的控制效果和鲁棒性更好。     

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。     

基于H∞性能指标的质量矩拦截弹鲁棒控制

 以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，利用微分几何的反馈线性化理论，得到一个解耦线性系统，考虑到拦截弹的鲁棒性要求和3个滑块的协调控制问题，提出采用双回路的设计方法，内回路采用线性二次调节器（LQR），外回路采用考虑混合灵敏度问题的H_∞控制设计。仿真结果证明了该方法动态性能满足设计要求，同时对系统参数的不确定性具有较强的鲁棒性。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

基于马赫数分布可控曲面外/内锥形基准流场的前体/进气道一体化设计

提出了一种高超声速飞行器乘波前体的外锥形基准流场设计方法,在锥面马赫数分布规律给定的条件下,通过有旋特征线法实现反设计,提高了基准流场设计的灵活性。该基准流场通过锥形"下凹"弯曲激波和波后等熵压缩波系压缩气流,可以在较短的长度内完成高效压缩。基于反正切马赫数分布外锥形基准流场设计的乘波前体具有较高的容积率,乘波特性良好且出口均匀,设计点时有黏升阻比为1.89。另外,基于该乘波前体和马赫数分布可控的内收缩进气道给出了一种双乘波的前体与进气道一体化设计方案,实现了内外流分别独立乘波,充分发挥了乘波前体和内收缩进气道的各自优势。     

Potentials of manufacture and repair of nickel base turbine components used in aero engines and power plants by laser metal deposition and laser drilling

IntroductionExpensive turbine parts like HPT(HighPressure Turine)blades or vanes are replaced bynew parts in case of damage.For example theburn through of the inner side of a blade or vane(Figure 1)is a frequently appearing damage,which cannot be repaired…     

Enhancing the efectiveness of film cooling

Advanced gas turbine stages are designed to operate at increasingly higher inlet temperatures to increase thermal efficiency and specific power output.To maintain durability and reasonable life,film cooling is needed in addition to internal cooling,especially for the first stage.Film cooling lowers material temperature by forced convection inside film-cooling holes and by forming a layer of coolant about component surfaces to insulate them from the hot gases.Unfortunately,each cooling jet forms a pair of counter-rotating vortices that entrains hot gas and causes the film-cooling jet to lift off from the surface that it is intended to protect.This paper gives an overview of efforts to enhance the effectiveness of film-cooling.This paper also describes two new design concepts.One design concept seeks to minimize the entrainment of hot gases underneath of film-cooling jets by using flow-aligned blockers.The other design concept shifts the interaction between the approaching hot gas and the cooling jet to occur further above the surface by using an upstream ramp.For both design concepts,computational fluid dynamics results are presented to examine their usefulness in enhancing film-cooling effectiveness.      

Guide for Authors

<正>About Journal Chinese Journal of Aeronautics(CJA)is a comprehensive academic journal dealing with the fields of aeronautics and astronautics.It reports researches concerning the two fields in China and abroad to promote the academic exchange.Founded in 1988 and sponsored by the Chinese Society of Aeronautics and Astronautics and Beihang University,CJA publishes papers bimonthly,with issues released in February,April,June,August,October and December.