镍基合金薄板不同温度下的弹道冲击行为

为研究航空发动机机匣在高温下的包容性能力,通过实验和数值模拟研究25℃和600℃下GH4169合金薄板受球型子弹冲击后的变形行为。弹道冲击实验通过轻气炮实施,子弹以不同初始速率冲击靶板。分析温度和冲击速率对靶板的变形、临界击穿速率、破坏变形模式以及能量吸收的影响。结果表明:高温下靶板的变形更大,靶板被击穿所吸收的能量更小,临界击穿速率更小;高温下靶板被穿透后由弯曲作用引起的花瓣状变形更明显。数值模拟研究通过有限元软件LS-DYNA实施,数值模拟中选用Johnson-Cook本构模型。采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高温高应变率下的力学特性并拟合了Johnson-Cook本构模型参数。数值模拟研究的结果和实验结果进行了对比,显示了良好的一致性。     

传热时间迟滞影响的薄板热气动弹性耦合 振荡模型

为了对高超声速下飞行器薄壁结构的振动行为进行研究,建立了一种考虑传热时间迟滞影响的二维无限长薄板的热气动弹性耦合振荡模型.同时,给出了只考虑有限历史时间影响的板内温度分布表达式,并对提出的温度表达式的精确性进行了数学证明,从而将以往被忽略掉的热应力产生的板内力矩引入薄板振动方程.数值模拟结果表明:气动力是薄板振动的主要驱动力,板内力的作用相当于外部预紧力,而板内力矩的变化会驱使薄板进行小振幅振动.综合以上三种因素,对薄板在这三种因素耦合情况下的振动行为进行了研究,发现在来流马赫数较大时,薄板会进入十分复杂的振动状态.最后,通过非线性动力学理论对薄板的振动行为进行了分析,发现了薄板振动中的分岔、混沌等现象,以及通向该类现象的途径.      

分离螺母冲击环境数值仿真研究

针对火工分离螺母分离过程的动力学响应预测问题,采用数值方法研究了分离螺母火工分离过程。建立了分螺母结构有限元模型并对接触关系进行了设置,采用JWL方程模拟炸药的初始压强,采用拉格朗日-欧拉耦合采用一般耦合法进行耦合分析,基于Dytran采用显式动力学分析方法对分离螺母的分离过程进行了数值仿真,对不同观测点的加速度响应进行了冲击响应谱分析。结果表明,数值仿真方法能够有效模拟分离螺母的分离过程,由于结构阻尼作用远点响应小于近点冲击响应,变参分析表明火药量对结构冲击响应有重要影响,结构外壳材料对冲击响应影响有限。     

高速热流下薄壁结构声振响应分析及寿命预估

现代飞行器飞行过程中发动机薄壁结构受高速热流冲击面临着极为严酷的工作环境,使结构产生大挠度动力学响应以及疲劳损伤破坏现象。为获取难以实测的热流冲击下结构声振响应规律及疲劳破坏时间,采用耦合有限元/边界元的方法进行数值模拟分析与热声疲劳试验相结合的方法,根据载荷效果构建与试验件尺寸完全一致的数值仿真模型,对热声载荷下薄壁结构进行仿真计算。采用功率谱密度（PSD）法分析频率响应峰值随声载荷变化规律,并通过改进的雨流计数法对声振响应数据进行统计分析,得到疲劳寿命时间。并对比声振响应仿真计算结果与试验结果发现误差小于2%,验证了数值仿真的可靠性。在此基础上,对高速热流冲击作用下薄壁结构进行数值仿真分析,通过分析频率响应峰值随温度和流速的变化规律获取不同温度各流速下结构声振响应及疲劳寿命变化规律,并阐述造成这种变化的原因。本文完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构响应分析和寿命预估提供参考依据。     

反应机理对air/H2燃烧系统多场耦合仿真的适用性

针对某air/H2燃烧系统,建立起流动、传热、燃烧多场耦合有限体积动态数值模型,构建了通用化的反应机理库和配套的物性参数库,分别采用热力计算方法和3套氢氧反应机理方法进行仿真;基于反应机理的仿真描述了点火与熄火过程,揭示了各基元反应和组分变化对燃烧流动瞬态过程的影响。与已经过试验验证的热力计算方法对比,结果表明:Williams机理符合最好,Conaire机理次之,Evans机理符合相对较差。相比Conaire机理,采用Williams反应机理使反应熄火温度由1200K降低至1155.3K,在1222.3K的低温工况下,计算结果误差由Conaire机理的4.7%降低至2.74%,使多场耦合数值系统的应用范围更广、计算结果更佳;低温工况下,H2O2及其相关反应对氢氧机理的描述精度会产生较大影响。      

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

球轴承内圈剥落缺陷双冲击特征动力学建模

基于Hertz接触理论,以内圈滚道表面存在局部剥落的球轴承为研究对象,对球轴承局部剥落故障所激起的非线性激励机理进行研究,分析球轴承双冲击现象激励机理。将滚动体与球轴承内外圈非线性接触特性纳入考虑,提出时变位移激励与时变接触力激励相耦合的球轴承局部剥落双冲击现象动力学模型。研究中采用Runge-Kutta数值积分法求解该二阶非线性动力学微分方程,并对故障球轴承仿真信号进行双冲击时间间隔特征验证。在不同转速和内圈剥落尺寸条件下开展仿真与实验研究,通过仿真和实测信号的双冲击时间间隔与理论双冲击时间间隔对比分析,仿真信号的双冲击时间间隔与理论值对比的误差结果皆小于2%,与实测信号的双冲击时间间隔值对比的误差结果皆小于12%;同时,仿真信号与实测信号具有很好的相似性,从而验证了该动力学模型的有效性。      

阵列射流冲击冷却局部对流换热特性的数值计算与实验研究

运用数值计算的方法对具有初始横流的阵列射流在不同的排列方式、不同的冲击间距和不同的横流/射流质量流量比下的流动换热进行了三维数值研究,并采用热色液晶测试技术对阵列射流冲击的冷却表面温度分布进行了试验研究,获得了每一股射流的冲击冷却局部对流换热系数分布的特征。研究结果表明本文的计算结果与实验特征是基本吻合的。     

温度冲击下变截面圆孔装药的热力耦合分析

为研究温度冲击载荷对某改性双基推进剂装药结构完整性的影响,基于热力耦合基本理论,开展了不同温度下改性双基推进剂力学松弛试验,得到了不同温度下松弛模量的6阶Prony级数及以293.15 K为参考温度的时温等效W.L.F(Williams-Landel-Ferry)方程。利用Ansys有限元软件对由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击条件下装药结构完整性进行分析,结果表明:装药的温度和应变在温度冲击前期变化较剧烈,至12 000 s时基本达到平衡,装药前端面两个拐角处在温度冲击前期发生破坏;为验证仿真计算结果,开展了由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击试验。在温度冲击过程中,药柱沿轴向和径向出现裂纹,起裂点为推进剂装药前端两个拐角。温度冲击试验结果验证了仿真计算的准确性,说明该计算过程可用于装药结构完整性分析。      

Ahmed 模型的流固耦合数值计算方法探索与实验验证

流固耦合效应会影响汽车行驶安全性,对该效应的数值模拟方法的可信度需要验证。以 Ahmed 模型作为数值仿真和实验验证的对象,数值计算是流体计算与结构计算两部分耦合,配合风洞实验的位移、压力测量技术与流场显示技术（烟流法、丝线法）与之比较,数值模拟与实验所得位移结果之间的差异始终在20％以内。从流场结构角度分析得到流固耦合效应影响气动力的机理主要在于流场中涡的拓扑结构变化。为将来数值研究时变侧风下车辆的流固耦合问题提供实验及理论依据。     

斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤,导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象,通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测,并在5和10 J的冲击能量下,对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明,微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性;在较大的冲击能量下,材料正面和背面均出现了损伤,且损伤以纤维断裂为主;低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性,数值模拟损伤面积的误差在10%以内。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

二维弹性扑翼沉浮运动流动特性的数值研究

采用非定常势流板块法和Euler-Bernoul1i梁振动微分方程,对后缘带弹性薄板的翼型在作沉浮运动时翼型绕流和薄板弹性振动之间的流-固耦合过程进行数值模拟,并计算流动特性、非定常气动载荷,尤其是沉浮运动的推力效应.用有限差分法求解薄板的弹性变形运动,气动弹性分析采用弱耦合迭代方式.通过对翼型非定常气动力(升力和推力)、推进效率、尾迹脱落涡计算结果的分析发现,通过调整弹性薄板的刚度,可以使得翼型产生最佳的非定常推力.     

SMA复合材料低速冲击数值模拟方法

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)独特的超弹性效应,提出一种利用形状记忆合金提高复合材料结构抗低速冲击性能的方法.基于形状记忆合金的分段化线性简化模型,利用ABAQUS有限元软件提供的VUMAT子程序编制了SMA合金超弹性本构关系并将其引入到复合材料层板低速冲击模型,提出了含SMA复合材料低速冲击数值模拟方法.研究形状记忆合金利用迟滞阻尼特性吸收部分形变能量并加以释放的过程,探讨SMA纤维对复合材料层板抗冲击性能的增强规律.结果表明,随着SMA体积分数的提高,复合材料层板的冲击应力峰值和挠度会下降,但在低SMA体积分数(<10%)情况下,对挠度的改善作用不明显;同时随着SMA体积分数增加,单位体积SMA的冲击能量吸收率会降低,在SMA体积分数为5%~10%时,SMA纤维具有最高的能量吸收率.得出了SMA纤维具有改善复合材料抗冲击性能的作用的结论.      

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响。在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律。研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏。同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响。研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义。     

涡轮试验台燃烧装置建模与仿真()基于混合物分数的分区模型

针对以空气、煤油为反应物的涡轮试验台燃烧装置及其出口段建立了一种系统层次上的可以处理燃烧和流动耦合效应的模块化数值模型,并提出了一种基于混合物分数的热力计算方案和混合物分数方程,与基于质量流量混合比模型的仿真结果以及试验结果的对比表明,基于混合物分数的模型解决了以往研究中存在的瞬态仿真稳定性问题,并具有与试验结果一致的仿真精度。     

带太阳帆板航天器刚柔耦合动力学研究

以带有太阳帆板的航天器为研究对象,计及太阳帆板变形位移场的非线性耦合项,采用假设模态离散变形,基于Kane方程建立起系统的刚柔耦合一次近似动力学模型。分别就大范围刚体运动已知和未知两种情况下进行了数值仿真。仿真结果说明,此模型能准确的预示大范围运动下挠性航天器的动力学行为,而传统的零次近似动力学模型由于丢失了动力刚度项而会得到错误结论。     

燃烧室与涡轮气动性能全3维联合数值仿真

针对燃烧室与涡轮2大部件相互耦合关系下多物理场的精准辨析问题,开展了基于CFX统一软件平台的部件间气动性 能全3维联合数值仿真研究。选取地面起飞状态点作为数值仿真工况,采用化学热力学建表方法计算化学反应过程,通过源项法 模拟叶片冷却喷射。根据计算结果分析了2大部件相互耦合关系下多物理场的分布规律,结果表明：各流场参数分布趋势合理, 验证了部件间全3维联合数值仿真的可行性;与部件单独仿真结果进行了对比,结果表明：部件联合仿真与单独仿真获取的压力 和马赫数的演化规律基本一致,温度场分布表现出差异,联合仿真克服了部件单独仿真无法准确捕捉热斑的不足。部件联合仿真 为多部件耦合关系下气动性能匹配和优化设计提供了工程可用的3维分析手段。