发动机进气声衬结构参数对声激励响应的影响研究

针对发动机进气声衬在声载荷作用下的结构设计选型需求,依次对简化的声衬有限元模型进行静力分析、模态分析和声激励分析,计算出声衬的应力分布,并通过改变声衬结构参数,研究腔深、面板厚度、孔径、蜂窝边长4种结构参数对全尺寸声衬在声激励下响应的影响规律.仿真结果表明,腔深改变引起的声衬总质量每增加1kg,声载应力减小0.484M...     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

热流环境下薄壁结构随机振动响应计算与疲劳分析

针对高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应变化规律与疲劳失效问题,进行了数值仿真计算与高温随机振动试验。通过对比仿真计算结果与试验结果发现模态误差小于28%,应力响应误差小于4%。结构疲劳失效时间误差小于3 430 s,验证了此仿真方法的可用性与准确性。使用该数值仿真方法,基于耦合的FEM/BEM（有限元/边界元）理论,通过Fluent软件模拟高速热流环境,实现了高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应的计算。获取了薄壁结构在不同振动量级与热流环境影响下动力学响应与疲劳失效时间。分析不同环境温度各流速下结构热随机振动应力响应及疲劳失效时间变化规律,并阐述造成这种变化的原因。完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构热随机振动疲劳失效时间预估提供参考依据。     

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

热振环境下钛合金薄壁结构疲劳寿命

由于钛合金薄壁结构长时间在飞行热振环境下结构内部产生不断变化的应力,可能引起结构疲劳失效,因此借助振动试验台搭建了高温振动疲劳测试系统,测定了20、150℃和300℃温度条件下钛合金悬臂薄板结构的随机振动S-N疲劳曲线,并建立了上述温度条件下钛合金悬臂薄板结构的疲劳寿命预测表达式,根据其计算得到的预测寿命与试验件的实际寿命相比误差较小,300℃、45.36 MPa应力水平下误差仅为3.76%。该方法可用于高温随机振动载荷作用下结构的疲劳性能和寿命预测研究。     

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命,结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

复合材料蜂窝夹芯结构修理后强度研究

对复合材料蜂窝夹芯结构受损伤之后的几种典型修理方法及修理材料、修理工艺等内容进行了试验研究。试验件分别模拟伤及单侧面板的非穿透损伤和伤及双侧面板的穿透损伤,分别采用单侧挖补、单侧加衬挖补和双面贴补法进行修理,然后进行面内单向压缩试验。给出了复合材料蜂窝夹芯结构修理前后的刚度和强度变化规律。为了同试验结果进行对比,还采用 NASTRAN软件对典型的非穿透挖补修理件进行了三维有限元应力分析,计算结果与试验结果吻合较好。     

蜂窝夹层结构稳定性模拟研究

蜂窝夹层结构随面板厚度或芯层厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。建立考虑芯层几何特征的有限元模型,研究临界失稳载荷与失稳形式的内在关系,分析了面板厚度、芯层厚度和面板-芯层厚度比对夹层结构稳定性的影响规律。研究结果可为蜂窝夹层结构的工程应用提供依据。     

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。      

排气道钛合金环形声衬声学特性试验

根据钛合金蜂窝声衬潜在的应用环境,提出了考虑温度梯度影响的环形声衬消声效果的试验方法并研制了模拟发动机风扇排气道声学试验台,开展了钛合金环形声衬的声学特性试验研究。针对2 500 Hz、2阶周向模态的入射噪声和马赫数为02的切向来流工况,设计并制备了钛合金环形声衬,分别通过管道内声模态测试和远场指向性测试研究钛合金环形声衬的声学特性。试验结果表明:设计的钛合金声衬在目标工况下管道内降噪量为319 dB,远场1 m半径、30°~120°范围内的降噪量都超过20 dB;增加切向流速会扩展降噪频谱带宽,使降噪频谱峰值由低频向高频移动;增加背板温度对降噪频谱带宽几乎没有影响,但会使得降噪频谱峰值由低频向高频移动。     

双向顺序耦合法求解动力响应的试验验证

为验证双向顺序耦合法求解的可信性,设计并建立一套气流激振下叶片结构的动力响应试验系统.通过平板叶片振动响应的计算与试验对比分析,验证双向顺序耦合法适用于非共振状态以及共振状态的动力响应求解,数值仿真结果可以准确地反映振动响应的时域变化规律和频域特征.计算求得的振动位移和振动应力具有较好的计算精度,相对误差在40%以内,...     

热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

TC4 钛合金扩散焊接头剪切疲劳性能研究

为了研究钛合金扩散焊接头在航空航天领域焊接性能的稳定性，制备了双搭接形式的接头试样，在温度为 910 ℃、压力为 3.4 MPa 条件下对 TC4 钛合金板材进行扩散连接，并对双搭接接头试样开展静强度试验，获得试样在焊缝界面处的平均剪切强度约为 199.4 MPa，试样断裂前后接头没有发生明显的塑性变形。此外，对双搭接接头试样还开展了不同载荷水平下的疲劳性能试验。结果表明：疲劳试样存在3种不同破坏模式。在高载荷水平下，试样会在切应力主导下发生基板与搭接板的完全脱焊；在低载荷水平下，试样会在正应力主导下发生基板沿厚度方向的断裂；在中等载荷水平下，试样先发生局部脱焊随后沿基板厚度方向断裂。 在上述失效模式分析的基础上，结合疲劳寿命试验数据分别得到接头的正应力 - 寿命和切应力 - 寿命曲线。     

飞机襟翼声疲劳应力的仿真与模式识别

利用回归分析方法，建立声激励下飞机襟翼振动总加速度和总应力对总声压的仿真模型，及总应力对振动总加速度的仿真模型。通过模式识别，得到结构应力响应、结构加速度响应与总声压线性和非线性关系的界限，以及结构应力响应与加速度线性和非线性关系的界限。     

低速冲击下金属蜂窝夹芯板抗侵彻性能的试验研究

利用落锤冲击试验系统,研究了金属蜂窝夹芯板在低速冲击载荷作用下的抗侵彻行为。试验获得了平头、半球形和锥形锤头冲击下蜂窝夹芯板的破坏模式和力-位移曲线,分析了锤头形状和芯材厚度对夹芯板最终破坏模式、力-位移曲线和临界破坏能量的影响。试验结果表明:夹芯板在平头、半球形和锥形锤头冲击下上面板分别产生了圆形剪切、圆形拉伸和钻石形的最终失效模式,下面板的最终失效模式分别为圆形剪切、瓣形开裂和瓣形开裂;金属蜂窝夹芯薄板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线会出现单峰模式,金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线则是双峰模式,而在平头锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板的力-位移曲线均为双峰模式;金属蜂窝夹芯薄板抵抗半球形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头侵彻的能力最差,而金属蜂窝夹芯厚板抵抗锥形锤头侵彻的能力最好,抵抗平头锤头和半球形锤头侵彻的能力较差。     

点焊钛合金蜂窝芯平压性能模拟研究

在对蜂窝芯力学性能的模拟研究中,常采用将双层壁之间的连接简化为双层壁厚的建模方法,但其不适用于点焊连接的钛合金蜂窝芯.本文提出利用LS-DYNA-EDWELD命令建立点焊连接蜂窝芯有限元模型的方法,对钛合金蜂窝芯进行平压模拟研究.同时,进行了钛合金蜂窝芯的平压力学性能试验,并将平压极限载荷值R.与模拟值进行了对比,结果显示点焊连接蜂窝芯有限元模型的平压模拟误差为6.5％,证明了此模型的准确性.最后,应用此模型得到了平压过程中焊点正拉和剪切力随位移的变化关系,研究了焊点正拉和剪切失效强度对蜂窝芯平压力学性能的影响,结果显示焊点正拉失效强度对蜂窝芯平压极限载荷的影响较大.     

薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证

为了研究航空薄壁结构高温随机振动疲劳破坏机理,得到可靠的疲劳寿命分析方法,针对根部固支的GH188薄壁结构进行了数值仿真。重点研究了不同温度和不同振动量级组合下,薄壁结构危险点位置轴向动应力响应规律。采用改进的雨流计数法绘制出雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵,结合疲劳累积损伤理论估算薄壁结构的疲劳寿命。通过高温随机振动疲劳试验对上述仿真结果进行验证。结果表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,不同温度和随机振动载荷作用下响应的计算值与试验值获得很好的一致性,响应峰值频率误差在1%~3%,结构疲劳寿命与试验结果处于同一量级,证明了高温随机振动疲劳分析方法的有效性和精度以及仿真结果的可靠性。     

高速热流下薄壁结构声振响应分析及寿命预估

现代飞行器飞行过程中发动机薄壁结构受高速热流冲击面临着极为严酷的工作环境,使结构产生大挠度动力学响应以及疲劳损伤破坏现象。为获取难以实测的热流冲击下结构声振响应规律及疲劳破坏时间,采用耦合有限元/边界元的方法进行数值模拟分析与热声疲劳试验相结合的方法,根据载荷效果构建与试验件尺寸完全一致的数值仿真模型,对热声载荷下薄壁结构进行仿真计算。采用功率谱密度（PSD）法分析频率响应峰值随声载荷变化规律,并通过改进的雨流计数法对声振响应数据进行统计分析,得到疲劳寿命时间。并对比声振响应仿真计算结果与试验结果发现误差小于2%,验证了数值仿真的可靠性。在此基础上,对高速热流冲击作用下薄壁结构进行数值仿真分析,通过分析频率响应峰值随温度和流速的变化规律获取不同温度各流速下结构声振响应及疲劳寿命变化规律,并阐述造成这种变化的原因。本文完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构响应分析和寿命预估提供参考依据。     

星载蜂窝夹层结构天线复合材料力学性能检测

针对卫星的发射力学环境、在轨温度环境和辐照环境要求,对常用的蜂窝夹层结构反射器天线,提出了天线复合材料的力学参数要求和检测内容,包括：胶黏剂、原材料和蜂窝夹层结构高、低性能要求和随炉试件的检测内容,同时针对蜂窝夹层板的结构特点,提出了拉拔力、刚度测试、模态测试的方法,总结了振动试验和热真空试验中常见的失效模式。由于复合材料测试与测试方法有很大的关系,因此文章也介绍了这些参数测试的标准,同时根据仿真分析结果给出了星载蜂窝夹层结构天线板-芯胶黏剂在高温、低温下要达到的剪切强度和剥离强度指标。