火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响

在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器,可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物,从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置,对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明:当相对高度$H>\mathrm{1}$时,燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时,在一定范围内,随着相对高度$H$减小,火焰稳定效果增加,且存在较优的相对高度($H=\mathrm{1}$)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度$H=\mathrm{1}$不变的情况下,综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能,$L=\mathrm{0.5}$是较为理想的火焰稳定器相对位置。      

气动量仪锥度管内流场对浮标稳定性分析

从绕流问题入手,通过流场分析研究发现气流自下而上经过浮标后会引发尾部紊流和涡旋。随着涡旋移动脱落,湍动流场就会呈现脉动压力以交变形式作用于浮标两侧,引发浮标左右摇摆,示数不稳。进一步在浮标尾部设计增加不同长度和角度的导向面,通过对尾部流场引流来降低尾部旋涡的影响;同时增强引流导向区局部气阻提高浮标的工作稳定性。研究发现:当导向面长度增大至2 mm时,浮标与锥度管道内壁气流刚度增强,浮标偏转角由$\mathrm{8}°$降低至$\mathrm{0.5}°$。当导向面角度超过$\mathrm{10}°$时,受科恩达效应的影响,浮标出现相对低压区,偏转角超过$\mathrm{15}°$。      

安装误差下弧齿锥齿轮齿面6σ稳健优化设计

由于航空弧齿锥齿轮传动过程中存在安装误差,其不确定性对齿轮传动中的噪声和稳健性有较大的影响,利用Monte Carlo模拟描述抽样方法与多岛遗传算法对弧齿锥齿轮的2阶接触参数进行设计,将局部综合法和$\mathrm{6}\sigma$分析法结合形成了弧齿锥齿轮的稳健性优化设计方法,并展开了对安装误差不敏感的稳健性优化设计。结果表明:给定工况下,合理地预设2阶接触参数的取值与容差量可将齿轮传动中安装误差不确定性的稳健性提高至99.9%以上;同时可有效降低弧齿锥齿轮接触印痕、传动误差的灵敏度30%以上,改善弧齿锥齿轮传动的接触性能。验证了文中基于$\mathrm{6}\sigma$稳健优化设计技术的弧齿锥齿轮稳健性设计方法的可行性。      

基于Armijo准则和BFGS算法的运载火箭控制重分配

以某型运载火箭为研究对象，研究了伺服机构故障下的重构控制问题。将该问题转化为有约束二次规划问题，采用一种Armijo准则和BFGS算法相结合的控制分配方法来求解。Armijo准则可以保证优化算法的收敛性，而BFGS算法则避免了迭代过程对Hesse阵的求逆运算，且具有收敛快的优点。将该重构方法与不动点迭代算法进行了对比，该算法经过8次迭代收敛，目标函数值和误差值分别收敛到${\mathrm{10}}^{\mathrm{2}}$量级左右和${\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}$量级；而不动点迭代算法经过30次迭代尚未完全收敛，目标函数值和误差分别收敛到${\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}$量级左右和${\mathrm{10}}^{-\mathrm{2}}$量级。结果表明该重构方法比不动点迭代算法收敛快且收敛精度高。以单台发动机发生卡死故障为例对该方法进行了仿真验证，得到了与无故障情况下相同的控制效果，验证了该重构方法的有效性和正确性。      

基于多目标的二冲程发动机换气过程优化

二冲程航空活塞发动机的换气过程直接影响燃烧效果和发动机性能,以某二冲程航空活塞发动机为例,建立仿真模型,基于动力性能、经济性能、扫气性能进行多目标优化,对扫气道、排气道结构参数的不同组合优化分析。另外,还对不同海拔工况点下（转速为5 600 r/min,100%节气门开度）的气道结构参数进行优化。结论表明:使用NSGA-Ⅱ算法对发动机气道结构的优化可以有效提高扫气效率和功率,优化后（转速为5 600 r/min）分别为0.841 kW和2.712 kW,燃油消耗率降低22.08 $\mathrm{g}/(\mathrm{k}\mathrm{W}?\mathrm{h})$;另外,在不同海拔工况点中,随着海拔高度的增加扫气道长度呈现出减短的趋势,而排气道长度逐渐增加,且在海拔高度大于1 800 m时趋势变化更加明显。      

大尺度飞机螺旋桨风洞动力模拟试验系统设计

以开展某型飞机螺旋桨气动力和气动噪声研究为目的,结合5.5 m×4 m航空声学风洞实际,设计了一套动力模拟试验系统。该系统以300 kW高功率密度永磁电动机为核心,通过配套相应的电源、驱动、控制、支撑等,实现了大尺度螺旋桨的动力模拟,并开展了相关试验验证。结果表明:该系统额定转速和转矩分别高达5 000 r/min和573 $\mathrm{N}?\mathrm{m}$、转速控制精度优于±0.5 r/min,且具有较低的自身噪声级和良好的电磁兼容性能,拉力系数试验重复性精度优于0.000 7等。该系统的建立能有效地满足大尺度飞机螺旋桨相关风洞试验研究的动力模拟需求,进一步拓展了国内低速空气动力学试验模拟能力。      

基于高温瞬态热响应的石英窗口导热系数反演

提出一种利用高温加热下瞬态热响应信息来同时反演石英窗口在不同温度下导热系数的方法。结合实验测试过程,首先建立石英窗口-石墨板-石英窗口三明治结构高温非灰体辐射-导热耦合传热模型。再通过实际测试温度响应结果和材料光谱辐射特性参数,构建石英窗口导热系数的遗传算法反演辨识模型。采用1 100 K加热条件下实验数据,反演辨识获得了常温至1 100 K石英窗口导热系数介于1.35~2.58 $\mathrm{W}/(\mathrm{m}?\mathrm{K})$,并拟合出高温导热系数关联式。结果表明:该材料辐射对导热系数影响随温度升高而增大,在1 100 K下辐射影响占比16.12%。最终通过变工况的高温传热过程测试,验证了方法的可靠性及导热系数数据的准确性。      

电帆推进在等离子体环境下推力影响因素分析和试验研究

为了分析电帆推力的影响因素，根据电帆推进原理设计了电帆地面模拟装置。首先分析了真空中带电导线和等离子作用机理，得出了电帆推力公式。利用朗缪尔探针测量了电帆模拟试验环境中等离子体参数，计算产生推力的大小，最后通过微推力测量系统测量电帆产生的推力，与计算结果进行了对比。根据推力公式和仿真结果表明，提高电压、增加带电粒子密度和速度、增加电帆长度均可增加推力。在试验中电帆上电压从300V增加到800V时，推力从9μN增加到26μN。仿真和试验结果表明，电压、带电粒子密度和速度、电帆导线长度都对推力有影响。根据试验结果，电帆推力公式的经验推力系数在1～2取值。     

航空发动机高压转子“可容模态”设计及实验验证

为降低航空发动机高压转子的振动，提高高压转子对复杂工况的可容度，本文建立带双阻尼器的高压转子动力学模型，开展模态分析和响应分析，研究高压转子关键结构参数对“可容模态”的影响规律。构造了可容度评价函数η，建立了“可容模态”设计方法。设计了高压转子模拟实验器，通过模态校核实验验证了计算模型和计算方法的准确性，通过“可容模态”实验验证了设计方法的可行性。研究发现，利用当量临界转速ωˉ估计转子系统前两阶临界转速的方法可行，高压转子实验器的临界转速满足ωcr1≤ωˉ，ωˉ≤ωcr2≤2ωˉ；高压转子实验器在两阶“可容模态”下连续“共振”时长达到7125s，实验器转子关键部位的振动位移峰值不超过79.42μm，振动速度有效值不超过2.33mm/s，最大波动不超过10.59%。结果表明，所建立的发动机高压转子“可容模态”设计方法是行之有效的。     

离心力场对内燃波转子火焰传播特性的影响

为了揭示离心力对内燃波转子火焰传播特性的影响，建立了内燃波转子燃烧过程的简化模型，数值模拟了不同离心力场强度下波转子通道内的燃烧过程。研究结果表明，离心力只在一定范围内对火焰传播起到加速作用，且这种影响与预混气当量油气比Φ有关，当Φ=1.0时，作用范围为［0～250g］，在Φ=0.6，0.8时，作用范围为［0～700g］；离心力场对内燃波转子火焰传播特性的影响机制是导致火焰锋面变形，进而引起火焰传播速度变化。     

酚醛/环氧过渡层固化特性及复合材料性能

为满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求,研究了两种树脂的过渡层配方、工艺及性能,重点研究了在酚醛树脂B30、环氧树脂TDE-85和固化剂甲基六氢苯酐（MHHPA）体系中,三者不同质量分数下的性能特点,采用了数显旋转黏度计和数显恒温水浴锅对树脂黏度测量,使用差示扫描量热仪（DSC）对不同质量分数的树脂进行热分析,求解多相体系反应机理的动力学参数,验证过渡层树脂固化工艺及性能,并与未使用过渡层的树脂配方进行性能对比。结果表明:过渡层体系中,最先反应的是B30和固化剂MHHPA,最后是B30的自固化;环氧树脂TDE-85的力学性能与酚醛树脂B30耐烧蚀性能满足结构层与功能层性能需求;与未使用过渡层的树脂相比,使用过渡层的树脂耐烧蚀性变化不大,但是弯曲强度提高了67.8%,拉伸强度提高了56.1%;与未使用过渡层的复合材料相比,使用过渡层的复合材料层间剪切强度提高了94.9%,但耐烧蚀性变化不大。综上所述,该过渡层可以满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求。      

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接接头抗冲击性能

为了研究Z-pin增强树脂基复合材料接头的抗冲击性能,制备了Z-pin增强单搭接接头冲击试样。对比不同树脂体系Z-pin/层合板界面裂纹扩展,分别通过Z-pin拔脱试验和接头剪切试验研究Z-pin冲击后拔脱强度和单搭接接头冲击后剪切强度;结合有限元模拟和超声C扫描研究搭接面分层损伤情况。结果表明,相同冲击能量下,环氧Z-pin/环氧层合板界面抗冲击性更强,冲击能量越大,裂纹扩展越显著;Z-pin增强树脂基复合材料显著减小分层损伤面积,提高冲击后剪切强度,体积分数为1.5%、直径为0.5mm的Z-pin增强层合板分层损伤面积仅为40%,冲击后剪切强度的下降率仅为24.89%。随着Z-pin体积分数增加,搭接面损伤面积逐渐减小,冲击后剪切强度先增加后降低;随着Z-pin直径增加,层间损伤面积增加,冲击后剪切强度逐渐降低。Z-pin增强接头分层损伤模型模拟结果与试验结果基本吻合。      

树脂基体的韧性对复合材料力学性能的影响

以双酚A型环氧树脂——无规羧基丁腈橡胶——2-乙基-4-甲基咪唑体系为代表,考察了树脂基体的韧性对单向玻璃纤维复合材料力学性能的影响。试验结果表明:随着树脂基体韧性的提高,所得复合材料的伉断裂性能相应地增加,但提高的幅度较树脂基体本身韧性的提高值小;复合材料的短梁剪切强度、除拉伸模量以外的横向力学性能也随树脂基体韧性的增加而提高,而弯曲性能及纵向力学性能受树脂基体韧性的影响不明显。     

有机锡化合物催化氰酸树脂的性能

采用有机锡化合物作为氰酸酯树脂的固化反应催化剂,评价了催化剂对固化树脂的力学性能、耐热性、吸水率以及对复合材料力学性能的影响。结果表明加入有机锡催化剂后,氰酸酯固化树脂和复合材料具有优良的性能,其中固化树脂的弯曲强度为124MPa,冲击强度为12 6kJ/m²,玻璃化转变温度为258℃,复合材料的弯曲强度为742 6MPa,层间剪切强度为72 3MPa。这表明在有机锡化合物的催化作用下,氰酸酯充分表现出了高性能树脂基体的特性,同时也说明有机锡是氰酸酯固化反应的有效催化剂。     

聚氨酯改性环氧树脂形状记忆材料

以甲基四氢邻苯二甲酸酐(METHPA)为固化剂,利用自制的聚氨酯预聚体(PU)改性环氧树脂(TDE-85)制备形状记忆聚合物。研究了形状记忆环氧树脂的力学性能、Tg和形状记忆性能。研究表明,形状记忆环氧树脂的韧性得到明显的提高,Tg得到了相应的下降,形状记忆性能良好,形状回复率皆在96%以上,形状固定率约达100%。     

端羧基丁腈橡胶改性环氧形状记忆聚合物

以甲基四氢邻苯二甲酸酐(METHPA)为固化剂,利用端羧基丁腈橡胶(CTBN)改性环氧树脂(EP)制备形状记忆聚合物。研究了形状记忆环氧树脂的力学性能、玻璃化转变温度和形状记忆性能。研究表明,形状记忆环氧树脂的韧性得到明显的提高,Tg得到了相应的下降,形状记忆性能良好,形状固定率皆在97%以上,形状回复率约达100%。     

空间光学结构用改性氰酸酯树脂及其复合材料性能

以空间光学结构应用为背景,对新研制改性氰酸酯树脂低温固化体系开展评价研究,包括树脂体系的固化特性、力学性能、耐湿热性以及工艺性能等;与HS40高模量碳纤维复合制备了复合材料,对其主要力学性能进行了研究。结果表明,改性氰酸酯树脂催化体系具有优异的固化反应特性,起始固化温度为101.2℃,较未催化的氰酸酯树脂降低了97.4℃;拉伸性能以及弯曲性能均有提高,同时其沸水饱和吸水率仅1.3%左右,明显低于双马（4%）和环氧树脂（5.8%）;树脂的工艺性良好,适合热熔法制备预浸料;应用热熔浸渍法制备的HS40碳纤维/氰酸酯树脂预浸料经层合固化后力学性能优异：纵向拉伸强度和模量分别为2 244.5 MPa和248.0 GPa。     

双酚A型环氧树脂紫外光固化工艺及其力学性能

为了推进紫外光固化技术在环氧树脂及其复合材料制备中的应用,以双酚A型环氧树脂E51为基体,采用自行研制的紫外光设备固化,利用红外光谱法测定固化后树脂的固化度,研究了树脂体系中光引发剂和稀释剂含量对树脂固化速率的影响以及环氧树脂的紫外光固化特性,获得的树脂体系的最优配方为：双酚A型环氧树脂E51:活性稀释剂660A:光引发剂1176=100:10:5（质量比）,并对紫外光固化树脂浇铸体的力学性能进行了测试,其拉伸强度和模量分别可达到32.34 MPa和1.80 GPa,弯曲强度和模量分别为60.64 MPa和1.73 GPa。结果表明,紫外光固化速率随树脂体系中光引发剂含量的增加而上升,随活性稀释剂含量的增加先上升后下降;与传统热固化相比,紫外光固化不仅可以大幅度缩短树脂体系的固化时间,同时,制得的树脂浇铸体具有良好的综合力学性能。研究结果对紫外光固化技术在实际生产中的应用具有重要意义。     

高性能M40J/BADCy复合材料的研究

对E51环氧树脂改性双酚A型氰酸酯(BADCy)体系的力学性能及热性能进行了研究,发现当E51环氧树脂的质量含量为5%时,改性体系的弯曲强度和冲击强度分别由原来的95.6MPa和9.24kJ/m²提高到了117.8MPa和12.6kJ/m²,而热变形温度仅下降8℃。以该改性体系为基体制作的M40J复合材料,其弯曲强度、模量和剪切强度分别高达:1270MPa,172GPa,68 9MPa。消泡剂BYK141能提高M40J/BADCy复合材料的力学性能,层间剪切强度可提高到77.1MPa。M40J/BADCy复合材料还具有良好的耐环境能力,是一种理想的航空航天结构材料。     

新型高强高韧环氧基体树脂体系研究

针对航天用碳／环氧大型复合材料结构件的特殊要求，开展了高强高韧耐高温环氧基体树脂体系的研究。在分子水平上，系统研究了环氧树脂体系中各化学组份的化学结构对其综合性能的影响规律，获得兼具高强高韧与耐高温性能的新型环氧基体树脂体系，其树脂浇铸体的拉伸性能和断裂伸长率等较目前商品化的环氧树脂体系有较大程度的提高，并且具有较好的工艺性能，可以满足航天用高性能复合材料的使用需求。