航空发动机及其控制系统的建模与实时仿真技术

建模与仿真技术的应用,可以大幅度提高航空发动机自主研发效率和水平。首先概述航空发动机及其控制系统模型和仿真方法的分类,然后结合实例分别介绍航空发动机和控制系统的建模方法,重点介绍了控制系统的硬件在环和半物理实时仿真试验技术,最后对航空发动机及其控制系统建模与仿真当前所面临的挑战进行了分析和展望。     

150 N气氧/煤油发动机涡流冷却技术试验

为探索百牛量级姿控发动机采用气氧/煤油涡流冷却推力室的可行性,开展了涡流冷却技术的试验验证工作。在理论分析和数值仿真的基础上,完成了150 N气氧/煤油涡流冷却推力室设计。数值仿真结果表明:内旋流区域占燃烧室直径D_c的87.8%,燃烧化学反应发生在39%～81%R_c的环形区域。经热试考核,燃烧室点火可靠,工作稳定,燃烧效率达0.91;形成了有效的气膜冷却,壁面和头部热防护可靠,充分验证了内外双漩涡结构的存在。     

发动机用特种油滤网冲压过程质量控制

W型特种油滤网具有弹性好,抗冲击能力强等优点,在发动机管路系统广泛应用,然而,W型油滤网为薄壁、复杂横截面结构,冲压成形过程极易出现拉裂、起皱缺陷以及尺寸超差等问题,导致零件合格率低,批量报废。为解决W型油滤网冲压过程成形质量问题,基于ABAQUS有限元仿真平台,建立了W型油滤网冲压过程三维有限元模型,获得了优化工艺参数和模具结构尺寸。针对试验和试生产出现的质量问题,开展质量问题统计,获得质量控制措施,试验结果表明,采取的质量控制措施有效解决了油滤网冲压过程的缺陷问题,产品合格率提升至99%以上。优化后的加工工艺稳定,满足批量生产交付要求,说明采取的质量控制措施是合理的。该研究方法应用于"C型"特种油滤网生产,产品合格率达99%以上,研究方法具有普适性。     

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。      

飞机动态推出控制策略仿真优化模型

机场离港运行的无序化造成滑行过程中的长时间排队等待及大量燃油浪费。为了减少燃油消耗和废气排放,在已有的动态推出控制策略基础上提出了阶梯函数控制策略(Step function,SPC)和非线性函数动态推出策略(Nonlinear function,NPC)的一般形式,以离港成本为目标,建立了基于停机位等待惩罚的动态推出控制模型,在不延误的前提下提出了一种基于网格参数优化的蒙特卡洛仿真优化算法。通过北京首都机场实际运行数据对推出过程进行仿真计算,并与无控制策略以及传统N-control策略的最优可达解进行仿真对比,结果表明:在不延误的前提下,提出的推出策略可以更加有效地降低平均滑行道滑行时间,NPC策略的离港运行成本和燃油成本可降低45.52%和54.23%,SPC虽然成本节省劣于NPC策略,但是其简单的操作方式可以为离港推出调度方式的改进提供决策支持。     

钛合金裂纹产生原因及改进工艺

针对某型号发动机壳体组件水力试验后进口段荧光线性缺陷问题,通过对缺陷进行宏观观察、金相组织检查、断口分析、材料成分分析和硬度检查,确定了缺陷类型产生原因。运用Procast铸造仿真模拟软件开展了针对性的改进工艺研究。结果表明:进口段荧光线性缺陷为裂纹,呈典型的准解理断裂特征。表层脆而硬的富氧层是导致壳体开裂的诱因,其形成与补焊有关。基于仿真模拟的改进工艺成功将缺陷转移至冒口,减少铸件内部缺陷数量,降低补焊量;使用氩气保护箱改善气体保护效果,提高补焊质量。改进措施实施后,铸件、零件以及组件的荧光检查均一次合格,并且顺利通过地面试车考核,解决荧光线性缺陷问题,消除了薄弱环节,提高了发动机的可靠性。     

飞机电动滑行系统驱动特性及节能减排性能分析

针对某中程飞机设计了基于主起落架机轮驱动的飞机电动滑行系统（AETS），并对其进行了仿真分析。利用MATLAB/Simulink对AETS进行了建模，分别构建了驱动电机模型、机械系统模型和排放性能评估模型；在此基础上进行了驱动能力、稳定性及节能减排性能的仿真。结果表明:所设计系统驱动能力良好，稳定性优异，节能减排效果明显。利用所设计系统驱动目标飞机在地面上滑行最大速度可达4.91 m/s，基本满足滑行要求；当外在负载波动时，其滑行速度能够平稳调节；在相同条件下，当滑行距离为1 500 m时，利用AETS代替主发动机驱动飞机滑行可节省燃油75%以上，减排CO、HC、NO_X等有害气体67%以上。      

宇航用反激电源通过控制变压器漏感提高抗辐射能力研究

宇宙中辐射粒子的遂穿效应会造成反激电源中输出整流二极管反向击穿电压降低，若降低到低于反向尖峰电压，则会击穿二极管，导致电源损毁。因此，通过降低整流二极管反向尖峰电压，可提高宇航用电源的抗辐射能力。通过理论分析和Saber软件仿真分析，验证了变压器漏感是整流二极管反向尖峰电压产生的主要因素之一。采用不同的变压器绕制方法来减小漏感，可使整流二极管的反向尖峰电压得到有效抑制，可靠性得到大幅提高，并成功应用于宇航反激电源的设计。