冲击载荷作用下的锥壁失效仿真及试验验证

根据航空发动机支承锥壁结构受力特点,对风扇叶片飞失冲击载荷作用下的锥壁失效破坏机理进行了研究。利用显式动力学有限元仿真方法,对冲击载荷作用下的锥壁结构动态失效过程进行了瞬态分析。开展了对锥壁的落锤冲击试验,并与分析结果进行了对比验证。试验和分析结果表明:冲击载荷作用下锥壁减薄处破坏为剪切失效破坏。采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟冲击载荷作用下的锥壁结构失效提供了一种可行的仿真手段,分析获得的峰值加速度与试验结果误差小于5%;利用GISSMO(generalized incremental stress state dependent damage model)可以准确预测锥壁减薄处断裂时间、断裂位置。经过试验验证的分析方法及失效模型可运用到风扇叶片飞失冲击载荷下的锥壁失效设计参数的确定,提高锥壁降载结构设计的精度。      

柔性转子动力学特性及支承结构安全性设计

叶片飞失极限状态下,航空发动机转子系统承受冲击载荷和大不平衡载荷,载荷通过转子结构传递到支承结构,对支承结构造成严重损伤。从安全性的角度看,需要对航空发动机轴承-支承结构在极限载荷下的承载能力进行有效的定量评估。提出一种新型缓冲阻尼支承结构,通过对支点刚度突降和高阻尼设计,实现在止推轴承支点处大幅降低横向冲击载荷的影响。建立考虑支承结构刚度突变和阻尼特性的转子系统动力学方程,并计算突加不平衡激励下,转子系统支点动载荷分布的变化规律。结果表明:通过优化设计支点刚度和阻尼参数,缓冲阻尼支承结构,能够有效降低突加不平衡激励下止推滚珠轴承的支点动载荷,提高支承结构的安全性。     

航空发动机转子轴向力动态特征测试技术

以航空发动机止推轴承轴向力为研究对象,基于应力环法的测量原理,发展出一种新的适用于转子轴向力动态特征测试技术。基于固支梁模型设计了扇形支点的应力环传感器,通过理论分析和有限元仿真验证结构设计的合理性,并对应力环传感器测量的灵敏度和静态特性指标进行量化表征。某型航空发动机整机轴向力试车结果表明:转子轴向力中存在不可忽略的动态交变载荷,其峰值与轴向力稳态值的比值为6%~29%。频域分析发现,引起轴向力动态交变载荷的频率成分包括转速基频、转速2倍频及34、68 Hz。相位分析表明,34 Hz与68 Hz引起的动态交变载荷使应力环传感器周向测点的时域波形发生相位同步变化,符合轴向的振动特征;转速基频与2倍频引起的动态交变载荷则沿应力环传感器周向进动变化,符合转子不平衡特征。      

冲击激励转子系统动力学响应及安全性设计

叶片丢失是高涵道比涡扇发动机适航认证的关键,是影响结构完整性和安全性的关键问题。针对叶片丢失产生的冲击载荷激励,开展了转子结构系统的动力响应机理和安全性设计方法研究,为发动机结构完整性设计提供支撑。建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型,考虑了刚度质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征。通过理论和试验,揭示了突加不平衡激励和超大不平衡转子受到持续的冲击碰摩作用过程中,转子振动响应和轴承支反力响应特征。结果表明,支承结构是影响系统存亡的关键环节。提出了提高整机系统安全性的变支承刚度设计方法,在保护轴承完整性、避免抱轴的同时,也降低了系统的振动响应。基于整机模型的叶片丢失全过程的算例仿真分析表明,该方法使支点所受峰值载荷降低了46%,验证了安全性设计策略的有效性。     

弹性机翼的动力学建模与冲击动响应分析

运用"准模态"方法对某弹性机翼进行动力学建模,通过模态分析对动力学有限元模型进行修正,对修正后的模型进行固有模态分析,运用模态瞬态响应的分析方法对急操纵襟翼产生的冲击载荷进行冲击响应特性分析.     

融合柔性基础传递函数的转子系统建模方法及验证

航空发动机、火箭涡轮泵等现代高端涡轮机械对性能有着极致的需求,其轻柔化的支承结构导致转子与柔性基础振动耦合特性明显,必须将其柔性支承结构纳入整体动力学分析之中。然而,柔性基础的高精度建模过程需要耗费大量时间,同时简化的基础模型也难以表达其真实的动力学特性。为此,提出了融合柔性基础传递函数的转子系统动力学建模仿真方法：将实测得到的柔性基础传递函数通过状态子空间法拟合获得低维时域和频域表征的数学模型,通过支承力模型将柔性基础模型耦合到转子有限元模型之中,最终形成基于实物传递函数的混合转子动力学模型。同时,提出了柔性基础从稳态到瞬态的模型转换策略,并采用线性-非线性节点（显-隐）分离的快速瞬态数值积分方法进行求解。基于所提模型和计算方法,开展了柔性基础-转子系统的稳态、瞬态动力学数值仿真,以及稳定转速扫频激励和降速不平衡激励的振动测试试验,结果表明：实测的柔性基础振动特性,能够有效地体现在整机动力学分析之中,且考虑柔性基础特性的转子动力学模型所预测的瞬态动力学响应与试验结果更为吻合。所提方法为含复杂柔性基础的转子系统提供了行之有效的整机建模及瞬态仿真方法。     

八维六自由度动态测力装置的研制及应用

针对直升机动力学试验中载荷难于准确测量且各分量间耦合大的难题,研制了一种新型结构的八维六自由度动态测力装置。介绍了八维六自由度动态测力装置的结构设计原理、测量算法、标定及在直升机动力学试验中的应用情况。     

模拟转子叶片丢失后外传载荷影响特性研究

航空适航法则及相关安全性标准中均对航空发动机叶片丢失后的安全性设计提出了要求，为此需要明确关键零件在叶片丢失后所承受的载荷环境。本文利用Newmark-β法求解载荷传递系统的瞬态运动微分方程，得到振动响应与力载荷的关系。设计了模拟转子不平衡响应试验，进行突加不平衡质量后的转子响应测试，进而通过试验件内外振动响应获得了冲击载荷的传递规律。同时为研究阻尼在叶片丢失外传载荷中的影响效果，通过控制对试验件阻尼器是否供油，进行了有支点阻尼及无支点阻尼的振动响应对比试验。研究结果表明，冲击载荷在通过静子件后会产生明显衰减，本文试验对象传递比最高仅为53%，远离转子支承处所承受的载荷远低于转子支承处的载荷。同时，阻尼会明显降低冲击瞬间的外传载荷，但对转子稳定后的稳态载荷影响较小。本文研究表明：进行航空发动机叶片丢失条件下安全性分析时，需考虑冲击载荷的衰减及阻尼影响。另外，合理的阻尼器布局将有效降低叶片丢失时产生的冲击载荷作用，有助于提升发动机的抗冲击能力。     

航空发动机宽弦风扇叶片鸟撞损伤模型标定

为建立航空发动机风扇叶片抗鸟撞载荷能力的量化预测方法,针对特定的航空发动机宽弦风扇叶片设计,依据发动机在典型工作状态下的吸鸟速度、角度等撞击参数开展叶片鸟撞试验,采用显式动力学数值仿真方法,建立叶片鸟撞试验仿真分析模型,并通过对模型中叶片材料参数、鸟体本构模型参数、鸟与叶片耦合接触参数进行敏感度分析,对模型进行标定.结果表明,标定后的鸟撞分析模型所预测的叶片损伤模式与试验结果一致,预测的损伤位置与试验测量结果误差小于10%.      

直升机急拉杆机动飞行仿真建模与验证

 针对直升机大机动飞行仿真,建立了一个非线性的飞行动力学模型,考虑了翼型非定常/动态失速、机动飞行引起的动态尾迹畸变、桨叶弹性变形效应和发动机动态特性。采用基于有限元分析的挥舞-摆振-扭转耦合的弹性桨叶模型,并利用一种新的数值方法将旋翼/机体耦合运动方程表示为显式形式,整个飞行动力学模型表示为状态空间格式。以UH-60A直升机在高速飞行条件下的急拉杆机动飞行为例进行仿真计算,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明,仿真结果与试验结果吻合,高速飞行条件下机体抬头过程中前行桨叶非定常气动载荷的计算误差是引起旋翼和机体运动仿真误差的主要原因。     

复合材料机身C型柱准静态压溃仿真及失效模式

为了研究复合材料机身薄壁C型柱结构轴向压溃吸能特性、失效模式及C型柱多层壳单元建模方法,建立多层壳单元有限元模型,基于准静态轴向压溃实验结果进行对比验证。结果表明:C型柱多层壳单元模型能够在一定程度上模拟层间分层失效及压溃过程中的局部弯曲变形和层束弯曲失效模式;仿真与实验的载荷-位移曲线吻合性较好,压溃初始峰值载荷,比吸能以及压溃均值偏差较小;但C型柱结构压溃初始峰值载荷较大,载荷效率较低,需通过优化设计进一步降低其初始载荷峰值。     

运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真方法研究

介绍了使用瞬态有限元软件与经SAE 1999-01-1609修正的Hybrid III ATD(Anthropomorphic Test Dummy)模型的组合进行运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真分析的方法,重点描述仿真模型的评估原则和仿真分析过程中的关键要素和审定判据,运用计算机模型来精确预测物理试验的结果,将目前最佳的实践方法展现给工程分析人员以达到节省研发与取证成本的目的。     

采用流固耦合方法的整级叶片鸟撞击数值模拟

利用MSC.DYTRAN软件建立了鸟撞航空发动机叶片转子级瞬态动力学有限元模型,采用流固耦合算法,模拟受气动和离心载荷作用并稳定旋转的发动机转子叶片,遭受不同鸟体撞击的瞬态响应过程.计算结果表明:鸟体撞击会使叶片产生巨大的瞬时冲击应力;鸟体速度、密度和尺寸的增加,将迅速增加叶片的冲击应力峰值,当叶片硬化和变形能力达到充分发展后,冲击应力峰值的增加速度会变慢;同时,叶片材料静态硬化模量的增加也会提高冲击应力峰值,而静态屈服强度的增加则会减小冲击峰的作用时间.最后还进一步模拟了鸟撞使叶片发生失效破坏的过程.      

Full-scale crash test and FEM simulation of a crashworthy helicopter seat

Crashworthy seat structure with considerable energy absorption capacity is a key component for aircraft to improve its crashworthiness and occupant survivability in emergencies.According to Federal Aviation Administration(FAA) regulations,seat performance must be certified by dynamic crash test which is quite expensive and time-consuming.For this reason,numerical simulation is a more efficient and economical approach to provide the possibility to assess seat performances and predict occupant responses.A numerical simulation of the crashworthy seat structure was presented and the results were also compared with the full-scale crash test data.In the numerical simulation,a full-scale three-dimensional finite element model of the seat/occupant structure was developed using a nonlinear and explicit dynamic finite element code LS-DYNA3D.Emphasis of the numerical simulation was on predicting the dynamic response of seat/occupant system,including the occupant motion which may lead to injuries,the occupant acceleration-time histories,and the energy absorbing behavior of the energy absorbers.The agreement between the simulation and the physical test suggestes that the developed numerical simulation can be a feasible substitute for the dynamic crash test.      

冲击载荷下单螺栓连接结构力学行为试验与仿真研究

基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)装置,对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验,研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理,掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律.在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中,对单螺栓连接结构...     

基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析

通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合,建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理,建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法,推导气膜压力差分表达式,定义边界条件,构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型,运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律,研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台,验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明:提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能,有限元仿真能更好地模拟动态流场变化,计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好,对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强,可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时,应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。      

基于混合人工鱼群算法的结构有限元模型修正

将模拟退火算法(SAA)与具有交叉和高斯变异的人工鱼群算法(AFSA)相结合,提出了一种基于混合人工鱼群算法(HAFSA)的结构有限元模型修正方法;针对外编有限元模型修正程序直接嵌入Patran/Nas-tran软件存在困难的情况,设计了一种灵巧且方便的接口模块。以试验模型测试数据与有限元模型计算值的向量残差建立目标函数,在基本AFSA中引入交叉和高斯变异算子用于加快全局优化搜索速度,将目标函数优化值不断刷新公告板,再利用SAA进行局部细化搜索从而显著提高优化解的精度,在满足算法终止条件后获得设计参数的最优值;结合Fortran语言和Visual Basic语言编译接口模块,运行模型修正程序时循环修改Patran软件生成的建模文件并反复调用Nastran软件进行求解。以欧洲航空研究科技组织的基准模型——GARTEUR飞机模型为例,修正结果表明,应用HAFSA进行结构有限元模型修正是可行且有效的。     

基于不相关模态振型的修正技术

为充分利用试验测量结果，探讨了一种修正技术，不但有效利用试验数据中与有限元模型相关的模态信息，同时也有效利用不相关模态信息，并成功应用于某型现代高推质比涡扇发动机结构中.通过计算，修正后的模型计算值与试验测试值比较接近，误差接近0，MAC（model assurance criteria）值接近1.研究表明:利用不相关模态振型的模型修正技术能够有效得到准确的修正参数值，且修正后的有限元模型具有很高的计算精度.