液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

一种摩擦阻尼器在整体叶盘结构的应用

介绍了一种应用于整体叶盘结构的摩擦阻尼器,即在轮缘下方加工销孔,安装阻尼销.工作时,由于离心载荷的作用,阻尼销与轮缘相互摩擦,从而消耗振动能量.这种阻尼器被应用于两台发动机的涡轮整体叶盘减振方案中,试验结果显示:其减振效率差异较大.数值模拟分析证明,这种阻尼器的减振效率和振动能量在叶-盘间的传递有关.对于叶-盘强耦合振型,这种阻尼器可以获取较高的减振效率,叶片振动应力水平下降了约70%;但对于叶-盘弱耦合振型,叶片振动应力幅值没有明显下降趋势.      

超微型高速空气轴承的动态特性

对微型转子（半径为1985mm）动态特性进行了数值模拟和实验研究。在数值模拟中,利用ANSYS对空气轴承 微转子系统进行了双向瞬态流固耦合研究;模拟了启动阶段转子在空气轴承调节下的运动过程。结果表明:转子的动态过程为一运动幅度逐渐减小的振荡过程,最后将稳定于某一平衡位置;在轴承供压越大时,转子运动幅度越大,且达到稳定所需时间更长。计算结果发现了轴承间隙宽度与轴承流量的正相关关系。在对应实验中,实验结果与模拟结果很好的相符。由数值模拟和实验研究,说明了在较大止推轴承供压下由于转子轴向运动幅度大,有更大发生碰撞的风险;而在70927Pa的供压下进行启动则更为合适。      

基于有限元法的输液管路稳定性可靠性研究

为分析航空发动机空间管路系统的稳定性可靠性问题,提出了一种采用有限元法和蒙特卡洛法相结合的分析方法。方法中采用有限元法建立空间管路系统流固耦合模型,定义了稳定性失稳的极限状态函数,采用蒙特卡洛法进行稳定性可靠度计算。典型工程算例的计算结果表明:给定流体流速的均值,发散失稳的概率随流体流速的变异系数可能增加或减小;给定流体流速的变异系数,随流体流速均值的增加,管路系统稳定性极限状态函数由服从连续概率密度函数变为服从混合概率密度函数。研究结果对于航空发动机输液管路的稳定性可靠性设计和评估具有参考价值。      

桨根弹性约束刚度对无人直升机飞行品质影响

基于美国陆军航空设计标准ADS-33E-PRF,从稳定性、操纵性和轴间耦合3个方面,对“跷跷板”式旋翼桨榖加装弹性支承件后的“翼扇涵体”无人直升机进行飞行品质评价。简要介绍了样例无人直升机的飞行动力学模型;结合无人直升机的飞行操纵特点,对ADS-33E-PRF中有关稳定性、操纵性和轴间耦合的内容做了适应性剪裁;以旋翼桨根加装了弹性支承件的样例直升机为例,计算不同弹性约束刚度下的配平特性和飞行品质参数,结合飞行品质评价方法,对样例无人直升机的飞行品质进行评价和比较分析。结果表明:桨根弹性约束刚度对飞行品质中的稳定性、操纵性和轴间耦合3个方面均有影响,并且刚度系数取1左右比较合适。      

传输激光能量的光纤滑环结构设计与试验研究

本文设计了一种光纤滑环结构,可实现将激光能量从固定平台传输到旋转平台。该光纤滑环结构可精确控制对接光纤的端面间隙,有效保护传能光纤。实验表明,光纤耦合效率可达90%左右,可满足科研及工业应用需求。     

金属膜盘联轴器轴向振动特性研究

为研究金属膜盘联轴器的轴向振动特性,分别通过有限元计算和试验方法分析了金属膜盘联轴器的轴向拉伸刚度、轴向压缩刚度和轴向固有频率。根据分析结果,对某型膜盘联轴器开展了在运转条件下的轴向振动测试。结果表明:金属膜盘联轴器的轴向拉伸刚度和压缩刚度均呈现明显的非线性特性。在某型联轴器的工作转速范围内存在轴向振动固有频率,但仅在使用转速激励,且在联轴器的轴向固有频率下运转,联轴器才不会发生轴向共振。     

联轴器螺栓紧固件循环载荷作用下的应力分布

循环载荷作用下联轴器螺栓紧固件的应力状态对联轴器的失效分析具有重要意义。本文采用螺纹精确几何结构建模方法以及商用有限元软件ANSYS对联轴器的螺栓螺纹进行了有限元建模,对螺栓循环载荷作用下的自松弛进行了分析,并进一步分析了循环载荷作用下的螺栓头接触面应力分布及变化情况,通过试验进行对比验证。本文研究揭示了螺栓自松弛的原因及机理,为深入研究联轴器螺纹螺栓的预紧可靠性提供了参考。     

叶盘耦合振动转/静子叶片数与节径数关系

针对航空发动机中叶盘结构的共振分析问题,通过研究气体激励力和叶盘节径型振动在转子坐标系下的数学表达形式,利用叶盘结构共振时,气体激励力需要对叶盘系统做正功的条件,推导了叶盘发生共振时,节径数与转/静子叶片数应满足的关系式dm=kNv-nNb。通过3个数值算例对上述关系式进行了阐述:从气动功和谐响应分析的角度验证了当上述关系存在时,且激励频率等于结构固有频率时,叶盘系统会发生危害共振;同时指出,当上述变量不满足上述关系时,若激励频率等于叶盘结构的固有频率,也会引起部分叶片发生较大振动的可能。      

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。