运载火箭整流罩内声场空间相关特性研究

运载火箭起飞段发动机喷流经过导流槽、发射台产生的噪声载荷会对地面发射设备造成一定的破坏,由噪声引发的振动对于运载火箭自身也会造成严重影响。总声压级、声功率谱密度及空间相关系数3个参数可描述完整的噪声场,但空间相关系数关注很少。由于空间相关特性的差异,同一声压级不同性质的噪声场在结构上产生的振动响应不同。从噪声场空间相关的基础理论出发,给出了空间相关理论曲线,研究了混响室空间相关特性;以某型号运载火箭整流罩为研究对象,开展星箭系统级噪声试验,获取了运载火箭表面声场分布规律,并基于试验数据研究了空间相关归一化表征方法,对比分析了混响室和整流罩内声场特性,结果表明整流罩内声场与混响声场空间相关特性接近,为运载火箭载荷与环境设计提供输入,为整流罩及有效载荷噪声环境试验方案设计提供支持。     

超临界压力航空煤油不稳定流动实验

对竖直上升圆管内超临界压力航空煤油的不稳定流动开展了实验研究。考察了管内壁温度、质量流量、出口温度、进出口压差等参数随时间的振荡情况,阐述了不稳定流动的诱发原因和反馈机制,建立了不稳定流动临界热负荷的预测关系式。结果表明:不稳定流动工况中发现了管内壁温度和进出口压差的异常波动。边界层发展过程中传热恶化形成类气膜是不稳定流动的诱因,存在两种类型的反馈机制:一方面,类膜态沸腾和类核态沸腾交替引发恶化换热和强化换热,导致热力不稳定;另一方面,压力扰动出现声波,压缩波使类气膜厚度减小且传热改善,膨胀波使类气膜厚度增大且传热变差,导致声波不稳定。两种反馈机制的综合作用形成热声振荡现象。      

高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%~2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%~3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3~3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。      

基于声阵列信号的风扇喘振先兆特征识别

提出了一种基于麦克风声阵列信号的航空发动机风扇喘振先兆特征识别方法,有效避免了传统侵入式传感器在测量过程中对管道流场产生的外来干扰。开展多级风扇试验器由稳定旋转至喘振的瞬态测试试验,利用短时傅里叶分析、频谱分析和声模态分解的方法,对喘振先兆特征实现了辨识。结果表明:风扇在进入喘振前有非同步共振频率的强烈单音噪声,约为叶片通过频率的70%,是由多个模态波在转静叶排间共振产生。通过对特征频率和声模态谱的监测可以实现喘振的预警。      

混响载荷的建模方法及其空间相关性影响研究

针对航天器混响声场中的声振预示问题,提出了一种满足声场载荷空间相关性的混响载荷建模方法,该方法能够简化声振分析的建模过程,提高分析效率。首先基于波动理论给出了混响载荷空间相关性的理论模型;随后结合工程需求,提出了基于Rayleigh积分和互易关系的混响载荷建模方法,并从理论上证明其满足混响载荷的空间相关性理论模型;最后采用典型算例对建模方法的正确性进行了验证,并研究了声场载荷空间相关性对声振预示结果的影响。     

航天器在轨泄漏声发射信号特征分析

载人航天器的防护要求不断增强, 在轨泄漏检测的重要性日益凸现。文章阐述了航天器在轨泄漏声发射检测的基本原理, 介绍了泄漏检测系统的基本组成及性能参数。通过泄漏声发射检测实验, 利用频谱分析法和特征参数分析法对不同孔径圆形漏孔泄漏产生的声发射信号进行研究, 得到了泄漏声发射信号的频谱和特征参数。实验结果表明, 机械泵运行产生的背景噪声信号主要分布在10 kHz以下, 而气体泄漏产生的是高频声发射信号, 且漏孔越小, 信号能量越小, 高频成分所占比例越大。该研究对于航天器在轨泄漏的检测及泄漏量评估等具有实际意义。     

基于不相干平面波叠加以模拟混响声场的航天器低频声固耦合分析

文章针对航天器在混响声场中的随机振动问题,提出一种通过多个不相干的平面波线性叠加以模拟混响声场的实现方法,给出了每个平面波的具体参数并从理论上证明其满足理想混响声场假设。在此基础上利用有限元-边界元耦合方法对整星低频声固耦合问题进行分析,并用混响室噪声试验响应数据进行了验证。研究结果表明:该方法理论推导正确,为航天器低频声固耦合分析及声振力学环境预示提供了一种新的有效手段。     

基于声发射非线性模型的损伤状态转变的评估

建立了声发射非线性模型来监测和评估16Mn钢试样在拉伸过程中的损伤状态的转变.首先,建立声发射突变模型,判断试样在拉伸过程中从弹性损伤状态转变为屈服损伤状态可能的时间点.然后,根据声发射参数的特点和突变量的变化,建立声发射突变复检模型,从而得到试样在拉伸过程中从弹性损伤状态转变为屈服损伤状态确切的时间点.试验结果表明:应用声发射非线性模型可以快速、预先预测出材料损伤状态的转变.     

一种小口径火箭弹弹头超声检测方法

针对小口径镁合金火箭弹弹头的结构和存在缺陷的类型,采用水浸式的超声检测方法,分析了偏心距和水声程对检测灵敏度的影响,推导出了偏心距和水声程的计算方法。通过与X射线对弹头检测结果的对比分析可知,采用中心频率为5 MHz的水浸式聚焦探头,能准确检测出弹头内部存在的夹杂和裂纹缺陷,并对表面的划伤缺陷也有很高的检测灵敏度。通过C扫描方式对缺陷特征的重构,能直观地判定缺陷的位置、形状和大小。为小口径火箭弹弹头的缺陷检测提供了一种有效的检测手段。     

裂纹故障齿轮结构声振特性与模拟研究

将齿轮结构按照圆盘来等效处理,建立了故障齿轮的动力学分析模型与声学模型,分别分析了径向裂纹和弧向裂纹情况下齿轮体的振动辐射声压与声场指向特性,研究了裂纹对齿轮结构辐射声场特性的影响.综合利用ANSYS及MATLAB软件模拟计算得到裂纹齿轮结构在r=0.5 m球面上的声压指向分布及轴向声压分布,探讨了不同的裂纹类型和不同的裂纹大小对齿轮结构振动声特性的影响程度,通过对模拟研究结果的分析比较与评价来说明裂纹的位置、形状以及裂纹大小对齿轮结构声场特性的影响大小和影响规律,为采用声学方法来诊断齿轮故障奠定了基础.