飞机蒙皮铝合金超声辅助搅拌摩擦焊试验分析

针对飞机蒙皮对接时,因搅拌摩擦焊(FSW)工艺窗口狭窄易致底部虚焊、弱连接等缺陷问题,为了探索更适合大飞机蒙皮长程稳定焊接的新方法,设计了超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)与FSW的蒙皮连接对比试验,采用1.8 mm厚度的2524-T3铝合金进行了同种工艺条件下的UAFSW与FSW焊接,对表面成形良好、内部无缺陷的FSW与UAFSW焊缝,进行了拉伸、金相、扫描电镜观察等对比分析试验。结果表明,与FSW焊缝相比,UAFSW焊缝缺陷率明显降低,工艺窗口扩大;UAFSW焊缝表面纹理更细密,层叠现象消失;UAFSW焊缝的平均抗拉强度略高于FSW焊缝,达到母材强度的90.7%;UAFSW焊缝的平均延伸率则比FSW焊缝高20%左右。研究发现,超声的加入使UAFSW焊缝微观组织更细更均匀,晶粒尺寸变细小,且晶粒沿轧制方向的规律性被打乱,呈现无明显方向的杂序排列。     

定常对称背涡流态下细长体绕流结构的演变

应用数值计算的方法模拟了细长体截面绕流结构的演变过程.指出随着细长体背涡的发展,导致截面流场的拓扑结构发生变化,会出现一种临界流动状态.并用微分方程的定性理论分析了此时流场中出现的一种高阶奇点.这种高阶奇点的指数为-3/2,它是结构不稳定的,稍有扰动就会产生分叉,使流场的拓扑结构发生变化.得出了定常对称背涡流态下细长体的空间绕流结构图.     

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

发动机燃气喷流红外辐射场的数值模拟

在高温流动中热辐射与流场是耦合的,但在发动机燃气喷流流场的温度范围内可以在流场计算中忽略热辐射的影响,于是流场与辐射场的模型方程可解耦.为此提出了模拟飞行器绕流流场红外辐射的解耦模型以及相应的算法.该算法首先采用总变差减小TVD(Total Variation Diminishing)格式对流场进行模拟,再引入有限体积概念,应用所取得的流场参数,在同一组网格上计算流场中的红外辐射特征.以轴对称喷管内N₂,O₂,CO₂,H₂O,CO,HCl,H₂等7组分高度欠膨胀冻结流与均匀绕流干扰流场为算例进行了验证性的模拟计算,并与已有试验和计算数据进行了对比,表明该算法是可靠的,可在较大幅度地降低计算量的情况下给出满足工程需要的结果.     

后掠翼对细长体中段大迎角绕流的影响

采用在细长体顶点处添加扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性.研究了在大迎角下,后 掠翼对细长体绕流结构和气动力特性的影响.实验结果表明,在30°迎角时,细长体中段背 风侧的流动和压力分布受到后掠翼与头部背涡的双重控制.在迎角α=40°~60°范围内 , 后掠翼对细长体中段绕流起主控作用,使细长体中段背风侧流动呈现完全分离流状态,使得 中段背风侧的压力分布保持为均值.      

带扰动块的细长旋成体背部绕流数值模拟

为了更好地了解细长旋成体背部绕流非对称涡的形成机理，研究了头部带扰动块对细长旋成体背部绕流结构的影响，通过雷诺平均Navier-Stokes（RANS）法对细长旋成体模型在攻角5°~60°范围内进行仿真。在攻角分别为20°和30°时对是否添加扰动块模型进行对比，分析了不同截面绕流沿轴向位置的发展，提出了验证拓扑结构的一种方法，找到了各流态下奇点的位置，通过涡核位置对模型背部绕流的发展进行了分析。研究表明:添加已知规则扰动块可以加快各绕流结构间的转换速度，使非对称涡产生的攻角减小。      

开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响

开缝圆柱绕流作为钝体绕流研究的分支,具备很强的应用前景,但是对其复杂的流动现象的物理本质的理解仍不完善。本文采用流动显示技术和粒子成像测速技术(PIV),探究缝隙对开缝圆柱流场结构的影响,在数据处理方面采用本征正交分解(POD)方法对开缝圆柱流场信息进行了重建。实验研究表明:在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙的存在从根本上改变了圆柱绕流近区尾流的结构;开缝圆柱脱落涡的脱落频率对开缝圆柱缝隙倾斜角具有一定的敏感性,随着缝隙倾斜角的增大其斯特劳哈尔数逐渐变大,对比发现开缝圆柱狭缝比(缝隙/直径)为0.15时较0.10的斯特劳哈尔数具有更强的稳定性。     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明, 随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。      

前置隔板对圆柱绕流影响的实验分析

对经典的圆柱绕流模型,运用前置隔板对流场进行控制。利用粒子图像测速(PIV)方法在自循环水槽中研究了雷诺数为1 800时,柔性和刚性2种不同刚度的前置隔板对圆柱绕流的影响。研究发现:柔性隔板自由端的弯曲增加了对流场的额外扰动,并且柔性隔板弯曲变形会诱导产生脱落涡,导致尾迹流场的主频发生变化。在圆柱下游流场,无隔板工况与柔性隔板工况的回流区长度相当,刚性隔板工况的回流区相较之下则更长。结果显示:前置隔板还能在一定程度上减小圆柱绕流的阻力。      

圆柱绕流尾迹流态特征和涡的演化过程分析

低雷诺数圆柱绕流中存在着复杂的流动过程,比如,尾迹中涡的发展显然不是理想的轴对称卷绕和扩散的过程.针对上述问题,用场观点和拉各朗日观点分别分析了固定时刻的流场特征和不同时刻的流动过程.首先通过等压线和相对流线的叠加,分析了相邻涡间通道内的流动.其次从涡结构的角度解释了尾迹中流体速度随时间的变化规律,并利用流体在不同时刻受不同流动结构控制的观点解释了染色线多次折回中粒子间的显著间断现象.最后对绕圆柱附近的流动进行了分区界定,分析了其中部分流体的变形情况和运动过程.     

高强铝合金复合脉冲VPTIG焊缝组织和性能

采用超快速变换复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究分析了焊缝显微组织和接头拉伸性能变化.结果表明,2219-T87铝合金复合超音频脉冲电流变极性焊接接头的组织和性能均发生显著变化,焊缝区显微组织明显细化,由粗大柱状晶向细小等轴晶转变,接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.接头断口由脆性断裂主要特征转变为"韧性+脆性"的混合型断裂模式.在一定范围内,脉冲电流频率越高,脉冲占空比越小,作用效果越明显.复合超音频脉冲电流频率为40 kHz,脉冲电流占空比为20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的70%和58%.     

快变换超音频直流脉冲GTAW电弧行为

基于超音频直流脉冲钨极氩弧焊(GTAW,Gas Tungsten Arc Welding)电源输出脉冲电流沿变化率di/dt≥50A/μs的超音频直流脉冲方波电流,将其用于0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢GTAW焊接过程,研究分析了焊接电弧特性、电弧力及焊缝熔透特性.结果表明:超音频直流脉冲方波电流参数对电弧电学特性、形态及电弧力产生显著影响,与常规直流GTAW相比,快变换超音频直流脉冲GTAW电弧表现出明显的收缩效应,焊缝熔深在一定范围增大,熔宽减小,平均电弧力大幅增长,焊接效率提高.     

超音频复合脉冲GMAW电源设计

提出了一种全新的脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)方法,并研制出新型超音频复合脉冲GMAW电源,即在传统脉冲GMAW电流基础上复合叠加频率为20~80 k Hz、电流幅值为0~100 A、占空比为0%~100%的连续可调的超音频脉冲电流。设计了并联结构的主电路拓扑及MCU+DSP双处理器数字化控制系统,通过软件编程实现了电流给定信号与PWM信号的同步输出及不同逻辑组合,可实现不同工作模式的焊接电流波形输出。对电源输出电流波形的测试结果表明:本文所设计的超音频复合脉冲GMAW电源输出电流波形满足不同工作模式的设计目标,超音频脉冲电流频率在80 k Hz时,仍保持较快的电流上升沿与下降沿变化速率。初步进行了铝合金平板堆焊试验,焊缝成形良好。     

整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测

裂纹是线性摩擦焊整体叶盘结构制造过程中叶片焊缝区域常见的缺陷类型之一。由于叶片焊缝区域结构复杂且裂纹缺陷尺寸小,因此焊缝区域裂纹缺陷的检测难度大。为了满足新工艺的应用要求,研究了焊缝区域的相控阵超声全覆盖检测方法,建立了焊缝区域相控阵超声检测的有限元仿真模型,研究了裂纹特征参数和声束聚焦点位置对检测方案的影响,验证了检测方案的可行性与正确性。构建了机器人化的相控阵超声检测系统,模拟了声束在线性摩擦焊叶片试样中的传播过程,实现了对叶片中预制裂纹缺陷的识别。研究结果表明,设计的检测方案能够满足叶片快速检测的要求。     

载荷作用下5A06铝合金焊接试样的腐蚀敏感性

针对5A06铝合金焊接对腐蚀敏感性的影响,研究了载荷作用下的不同焊缝方向（垂直、穿越）的5A06铝合金试样在50℃的3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为的影响和焊接接头的电化学腐蚀行为。结果表明,经过110 d的盐水溶液浸泡后,2种焊缝试样均是热影响区首先发生腐蚀,表面的腐蚀坑两侧由于材料组织的不同分别呈台阶式和韧窝状。穿越焊缝试样应力腐蚀敏感性较低,腐蚀坑顶端应力集中,有滑移台阶;垂直焊缝试样应力腐蚀敏感性较高,腐蚀坑沿焊缝贯穿试样表面,腐蚀坑两侧呈平行撕裂状态。电化学极化曲线表明,热影响区、母材区和焊缝区的自腐蚀电位分别为-1.369、-0.791和-0.740 V。      

超快变换复合脉冲方波变极性TIG电弧行为

基于一种新型超快变换复合脉冲变极性电路变换拓扑,在正极性电流持续期间,叠加超音频直流脉冲方波电流,获得了过零无死区时间且具有快速电流上升沿和下降沿变化速率的复合超音频脉冲变极性方波电流,将其应用于铝合金的变极性TIG焊接过程,试验研究复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧电学特性及其对铝合金焊缝成形等行为的变化规律.研究结果表明:超音频脉冲方波电流对变极性TIG电弧具有显著的收缩效应,电弧径向尺寸明显减小,在一定范围内提高脉冲电流频率,减小脉冲占空比,增加脉冲电流幅值,可提高铝合金焊缝熔透率,有利于改善和提高铝合金的焊接质量.     

2219-T87高强铝合金HPVP-GTAW焊缝成形参数

采用复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊技术（HPVP-GTAW,Hybrid ultrahigh frequency Pulse Variable Polarity Gas Tungsten Arc Welding）完成了2219-T87高强铝合金平板堆焊试验,研究了HPVP-GTAW工艺脉冲电流参数对焊缝成形参数的影响规律.结果表明,与常规变极性钨极氩弧焊（VP-GTAW）工艺相比,HPVP-GTAW工艺有利于增加焊缝熔深,提高焊缝深宽比;调节脉冲电流参数,将对焊缝成形行为产生显著影响.在正极性期间平均电流恒定的条件下,随着脉冲电流频率的增加,焊缝熔深、深宽比整体提高,60 kHz条件下深宽比增加了60%;适当增大脉冲峰值电流与基值电流的比值,焊缝深宽比有所增大;与占空比50%和80%条件相比,20%条件下焊缝深宽比最高,且随着峰值电流与基值电流比值的提高,其焊缝深宽比增幅最为明显.      

机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件毛刺特性

针对铝合金叠层构件机器人制孔容易产生钻削毛刺，严重影响飞机装配精度和效率等问题，提出基于弱刚度环境下机器人旋转超声制孔毛刺高度的计算方法。首先，通过实验验证了高频的振动冲击对毛刺高度的影响规律，建立了机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件的钻削力经验公式。然后，结合经典薄板弯曲理论和能量法，分析了超声振动及钻削位置刚性对机器人钻削铝合金叠层板毛刺形成的影响机制。实验结果显示:所提计算方法的相对误差在13%以内，具有较高的精度。      

超音频脉冲TIG焊电源拓扑及电弧焊适用性

研制出一台超音频直流脉冲TIG(Tungsten Inert Gas)焊电源,对该电源的拓扑结构及工作原理进行了介绍.与常规直流TIG焊电源相比,该电源可输出不同频率、均具有陡峭的上升、下降沿的脉冲电流,电流变化率大于50A/μs.该电源的基值电流、峰值电流、脉冲电流频率、占空比等焊接工艺参数调节方便,使该电源不仅能够焊接薄板,而且能够适用于中厚板的焊接.通过对比常规直流TIG焊和超音频直流脉冲TIG焊焊接的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊缝的微观组织,发现采用超音频直流脉冲TIG焊工艺的焊缝粗晶区变窄,晶粒细化现象显著.试验结果表明:所研制的超音频脉冲TIG焊电源具有良好的弧焊适用性.