航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法，聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结；针对薄壁结构，分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向；针对连接结构，总结了传力路径与区域应力调控两大类设计方法。此外，就轻量化结构的高精度实验方法与数字孪生模型等共性关键问题进行梳理，并展望了未来航空航天结构轻量化设计方法发展前景，为未来研究工作和装备研发提供参考。     

基于缩比模型的薄壁结构声振响应等效研究

声振试验是研究强噪声作用下结构动力学响应的一种有效方法。然而，高声强、宽频率噪声环境的试验室模拟是声振试验面临的挑战之一。为了降低声振动试验对严酷噪声环境的依赖性，本文提出了一种等效方法。根据该等效方法，缩比模型在等效外力作用下，可获得和全尺寸结构完全一致的结构响应。提出的等效方法可以评估不同类型的噪声激励，包括集中力、点声源、面声源和混响声场等激发的结构振动，而不需要模拟更宽频率的外激励。为了验证该等效方法的可靠性，研究对不同方法，包括数值计算、地面试验和等效方法等获得的结构频域响应结果进行对比，对比结果表明基于缩比模型的等效方法能准确地预测全尺寸结构的动载荷响应。此外，本研究还讨论了不同支撑边界和材料效应对等效方法的影响，进一步扩展了等效方法的适用范围。     

基于等效间隙的机匣安装边泄漏量定量计算方法

结合平行平板流动理论，结合流量因子法和粗糙面接触压力与接触间隙的关系，提出了一种基于等效间隙、能够考虑微观粗糙形貌及受不均匀分布载荷的机匣安装边泄漏量定量计算方法；采用有限元计算方法，研究了内部气体压力和轴向力对机匣安装边气体泄漏量的影响规律；研究表明，随着内部气体压力的增加，泄漏量增大，随着轴向力的增加，泄漏量略微减小；最后将计算结果与泄漏量实验结果进行对比，在内部气体压力和轴向力作用下的泄漏量最大误差分别为3.5%和3.6%，证明了本文计算方法的有效性。     

基于几何设计法的航空发动机内外机匣减振控制新方法

航空发动机在运行过程中，由于其结构的复杂性和外部气流的不稳定性，不可避免地会产生大量的振动问题。针对航空发动机整机振动问题，首先根据航空发动机的实际结构并结合经验总结，建立了一种通用的转子-支承-机匣振动传递动力学模型，并从航空发动机内外机匣减振控制问题出发，利用一种新型的控制算法（几何设计法），在有限频域内来设计减振控制器，在传感器和执行机构受限的情况下，尝试对多个输出量（即航空发动机的内机匣和外机匣）进行减振控制，并与经典控制理论法比例、微分、积分（Proportional integral derivative,PID）设计的减振控制器进行减振效果对比，最后通过Matlab/Simulink搭建仿真模型并进行仿真验证。结果表明，几何设计法在有限频域内可以直观地获得最优控制器的存在性、唯一性、最优性，对于主控对象的减振控制最优可高达25 dB，相较于传统控制方法形成明显优势。     

骨架式压气机机匣仿真计算分析

为了实现通过改变压气机机匣材料、结构形式和加工手段,达到减轻压气机机匣质量的目标,依照骨架式结构设计思想,对某型压气机的机匣进行了骨架式结构的改进设计,即"桁架"式结构机匣,并针对这3种典型的结构机匣分别从静强度、模态和包容特性等角度进行了仿真计算和对比分析,得到了现阶段最优方案为圆形开孔机匣。结果表明:该类骨架结构可以实现在不影响机匣使用要求的前提下,将压气机机匣质量减轻10%~20%,有效提高发动机推重比。     

TC2钛合金薄壁型材下陷成形工艺参数分析及优化

采用试验和计算机模拟相结合的方法，对TC2钛合金薄壁型材的单边下陷成形工艺开展研究。通过在室温至600℃范围内对TC2合金型材的热拉伸变形行为进行分析，建立了该型材热拉伸的Johnson-Cook本构模型。在此基础上，对L截面TC2钛合金型材的单边下陷过程进行计算机模拟，分析了下陷过程中型材应力、应力三轴度的分布。结果表明，下陷区L拐角处容易产生应力集中，由于变形前段该区域的应力三轴度R_d>0，呈拉应力状态，因此微裂纹容易在应力集中处形核并沿型材纵向扩展。通过对成形温度、下陷段长度和过渡圆角半径进行优化，得到最佳工艺参数条件为成形温度300℃，下陷区长度21 mm，过渡圆角半径49 mm。     

复合材料薄壁机匣热内压试验技术

针对航空发动机复合材料薄壁机匣的热气流压力载荷试验问题，研制了一种可满足370℃，1.34MPa的机匣热内压试验技术，并通过试验验证了技术的有效性。受试腔体由机匣试验件和所设计的试验装置合围成一套可以施加温度和压力载荷的被试腔体结构，能够有效解耦腔内压力对装置产生的轴向力，避免轴向力传递至机匣试验件。试验装置中的关键密封结构承载活塞密封采用FFKM全氟醚O型密封圈，可耐高温330℃。对承载活塞盘进行了一维简化热传导解析分析和三维热传导仿真分析，三维仿真结果相比一维简化解析解能够更准确的反应承载活塞盘的内部温度场。经试验验证，所研制的试验装置有效利用了结构传热的梯度降温性能和与环境的对流散热作用，突破了密封材料的适用温度局限，可以满足机匣件热内压试验密封要求。     

薄壁扁平不锈钢管的涡流检测工艺

针对航天专用不锈钢薄壁扁平管涡流检测过程中存在的工艺难题,通过分析管材扁平成型工艺特点,采用涡流检测线圈的等效填充系数计算方法,结合涡流分布特性制作异型外穿过式涡流检测线圈,根据型面检测灵敏度差异制定合理的检测工艺,有效实现了不锈钢薄壁扁平管的涡流检测。通过破坏性试验及飞行试验,对检测工艺的可靠性进行了验证。该检测工艺已成功应用于各型号不锈钢薄壁扁平管的涡流检测中。     

筋的截面形状对薄壁结构振动疲劳性能的影响

筋条的截面形状对薄壁结构的振动疲劳性能具有重要影响。对L型和T型加筋薄板进行振动试验,研究固支条件下L型筋和T型筋对薄板频率和振动疲劳寿命的影响,并从理论角度分析其原因;利用MSC有限元软件研究在正弦分布载荷下六种不同截面形状(矩形、L型、T型、I型、Z型、∏型)的筋条在给定边界条件(固支、简支)下,对薄板的频率、应力和振动疲劳寿命的影响,并对加筋板的寿命进行预测。结果表明:六种加筋构型中,Z型加筋板的第一阶固有频率最大,加筋板Von Mises应力最大点出现在同样的位置;固支条件下,加筋板的破坏位置在板的左右两侧,Z型加筋板寿命最长;简支条件下,破坏位置出现在板的中央,L型加筋板的寿命最长。