航空发动机双转子轴间碰摩非线性动力学特性

航空发动机双转子之间通常采用封严结构,容易导致双转子发生轴间碰摩。针对双转子轴间碰摩问题,推导了轴间碰摩力模型,结合实体有限元法建立了双转子轴间碰摩动力学模型,并将固定模态界面综合法和数值方法结合,提出了此类高维转子轴间碰摩响应的一般计算流程。基于该计算流程,详细研究了轴间碰摩导致的双转子复杂非线性动力学特性。结果表明：双转子发生轴间碰摩时,主要存在持续碰摩、间歇碰摩和自激振动三种碰摩状态。持续碰摩主要引起双转子间振动耦合;间歇碰摩对转子产生较明显冲击特征,导致转子频域响应中出现多阶模态频率成分及组合频率成分;自激振动则是由切向摩擦诱发的、转子正进动模态频率成分主导的一种运动状态,此时转子呈正向涡动,但振动幅值很高,对转子危害极大。通过减小摩擦系数或碰摩刚度,能显著减小自激振动发生的转速范围,提升转子运行稳定性。     

超声ELID 复合磨削磨削力模型研究

以ELID 电解原理为基础,结合超声振动辅助磨削过程中单颗磨粒的运动学分析,建立了超声 ELID 复合磨削条件下的磨削力数学解析模型,并对模型进行了分析和仿真。对模型的分析表明:超声振动改 变了磨粒的运动轨迹,使同等条件下的未变形切屑厚度减小,砂轮的在线电解修整使磨粒始终处于锋锐状态, 而且影响砂轮的实际切削深度,进而对磨削力产生影响。磨削力随着超声振动频率、振幅、电解电压、脉冲比、 电解液电阻率的增大而减小;随着切削深度、工件速度的增大而增大。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

离轨帆弹性桅杆力学性能分析

采用有限元分析软件ABAQUS分析弹性桅杆几何参数对其力学性能的影响,为离轨帆弹性桅杆设计提供一定的理论依据。结果表明:增加壳体厚度、保持弧长不变,减小曲率半径以及增大壳体截面圆心角都能有效提高离轨帆自动展开能力及弹性桅杆支撑刚度;弹性桅杆的弯曲内部应力只与材料属性、曲率半径、缠绕半径以及壳体厚度有关;曲率半径减小、壳体厚度增加都会增大弹性桅杆的弯曲内部应力,有可能会导致弹性桅杆在缠绕时发生塑性变形。因此,在对弹性桅杆设计时,需综合考虑弹性桅杆几何参数对其展开能力以及缠绕性能的影响。     

DD5高温合金单晶叶片振动频率的试验研究

利用第二代单晶高温合金DD5,在工业设备条件下批量制备了两种结构的单晶叶片铸件,并对它们的振动频率进行了测量和分析。结果表明,叶片的振动频率随着一次晶向偏离角增大而显著提高,但受二次晶向偏离角的影响很小;叶身结构是决定叶片振动频率的另一重要因素,但对叶片总重量的影响并不显著。为严格控制叶片的振动频率,在设计上应进一步优化叶身结构,在铸造过程中应尽量减小叶片的一次晶向偏离。     

密封-转子系统气流激振问题数值仿真

对于密封中发生气流激振的故障诊断问题,基于有限元方法,应用Muzynska非线性密封力模型建立了密封-转子系统动力学模型,通过数值积分方法研究了升/降速过程的气流激振失稳规律和振动特性,并分析了在变速和稳速情况下偏心量的影响。结果表明:气流激振力会使系统固有频率升高,使发生共振时的振幅降低;发生气流激振会出现锁频现象并伴有组合频率特征;降速时由于气体的流动性强从而导致切向惯性力很弱,惯性效应不明显;当偏心量较小时频谱上只出现了锁频,随着偏心增大组合频率出现并不断丰富;稳速时气流激振频率随偏心的提高而增大,并出现了频率突变。      

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

内螺纹低频振动冷挤压试验研究

 内螺纹低频振动冷挤压加工是通过挤压丝锥棱齿的振动挤压,将传统内螺纹冷挤压加工中的干摩擦状态转变为更有利的边界摩擦状态,从而改善传统内螺纹冷挤压加工过程中冷却润滑液不易进入挤压区的严重缺陷。通过试验可知:随着激振频率的不断增大,挤压扭矩呈不断增大趋势;随着激振力的不断增大,挤压扭矩呈现为先减小后增大的趋势;随着激振力臂长度的不断增大,挤压扭矩总体呈不断增大的趋势。在其他工艺参数相同条件下,低频振动冷挤压可以进一步提高传统内螺纹的牙高率和改善牙顶处凹陷的缺陷,从而提高冷挤压内螺纹的抗疲劳强度及获得更好的表面形貌。     

共用支承-转子系统耦合振动分析及试验

针对带有涡轮级间共用承力框架的高功质比涡轴发动机结构系统,建立共用支承-转子系统动力学方程,探究燃气发生器转子、动力涡轮转子与共用承力框架结构系统耦合振动产生条件及振动特性。基于ANSYS有限元仿真计算了共用支承-转子系统耦合振动特性。针对涡轴发动机涡轮级间承力框架,设计了共用支承-转子系统模拟试验器,运用激振器模拟转子不平衡激励,利用试验对模拟转子动力特性的相互影响进行了定量分析。理论计算结果表明,转子支点与支承结构通过力平衡和位移协调联系在一起,之间存在刚度耦合项,进而使共用支承-转子系统发生耦合振动。对系统振动响应仿真计算结果表明,共用支承会影响转子动力特性,不同转子不平衡激励均可激起相应转子的振动。通过试验验证了在发生耦合振动时,转子的振动响应频谱中同时包含两个转子转速频率,定义耦合影响系数,地面慢车状态两个转子相互之间的耦合影响系数分别为33%和6079%,最大连续状态分别为1278%和688%,最大起飞状态分别为1356%和581%,转子间的动力特性耦合影响大小与频率有关系。     

轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究

为解决某型涡轴发动机振动超标的问题,针对带有轴承共腔结构的先进民用涡轴发动机转子系统,建立轴承共腔-双转子系统非线性动力学模型,考虑滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性力,实现了耦合振动的交叉频率成分仿真,揭示了轴承共腔-双转子系统耦合振动的机理,并通过了模拟转子试验验证.研究了轴承共腔-双转子系统耦合振动特性及影响因素,...     

Solar sail attitude control using shape variation of booms

Active attitude control of solar sails is required to control the direction of the force generated by Solar Radiation Pressure (SRP). It is desirable to control the attitude through propellant-free means. This paper proposes a new method for attitude control of solar sails: A boom consisting of “smart” structural material can be deformed by the piezoelectric actuator, and Solar Radiation Pressure torque will be generated due to shape variation of sail membrane caused by boom deformation. The method has the advantages of simple structure, small disturbance and small additional load, and is not limited by the size of the solar sail. The case of rendezvous with the Asteroid 2000 SG344 is used to verify the attitude control around the pitch and yaw axes.     

太阳帆材料研究进展

太阳帆飞船由于无需动力等优势近年来引起了各国科学家的研究兴趣,并在深空探测领域具有重要的应用前景.太阳帆的结构设计和材料选择是影响其性能的重要因素,本文结合太阳帆飞行环境的特点,介绍了太阳帆的基本结构和飞行原理,重点针对目前几种比较典型的太阳帆设计,对其支撑材料以及帆面薄膜材料进行了综述,并分析了各种材料和设计的性能特点.     

Dynamic analysis of spinning solar sails at deployment process

The spinning deployment process of solar sails is analyzed in this study.A simplified model is established by considering the out-of-plane and in-plane motions of solar sails.The influences of structure parameters,initial conditions,and feedback control parameters are also analyzed.A method to build the geometric model of a solar sail is presented by analyzing the folding process of solar sails.The finite element model of solar sails is then established,which contains continuous cables and sail membranes.The dynamics of the second-stage deployment of solar sails are simulated by using ABAQUS software.The influences of the rotational speed and out-of-plane movement of the hub are analyzed by different tip masses,initial velocities,and control parameters.Compared with the results from theoretical models,simulation results show good agreements.     

Structural dynamic responses of a stripped solar sail subjected to solar radiation pressure

The stripped solar sail whose membrane is divided into separate narrow membrane strips is believed to have the best structural efficiency. In this paper, the stripped solar sail structure is regarded as an assembly made by connecting a number of boom-strip components in sequence. Considering the coupling effects between booms and membrane strips, an exact and semi-analytical method to calculate structural dynamic responses of the stripped solar sail subjected to solar radiation pressure is established. The case study of a 100 m stripped solar sail shows that the stripped architecture helps to reduce the static deflections and amplitudes of the steady-state dynamic response. Larger prestress of the membrane strips will decrease stiffness of the sail and increase amplitudes of the steady-state dynamic response. Increasing thickness of the boom will benefit to stability of the sail and reduce the resonant amplitudes. This proposed semi-analytical method provides an efficient analysis tool for structure design and attitude control of the stripped solar sail.     

翼梢帆片－机翼非定常气动力计算研究

本文应用偶极子网格法，数值研究矩形机翼与它三对翼梢帆片的干扰非定常气动力。数值结果表明，由于帆片的干扰效应，使翼梢区域剖面的升压系数分布发生畸变，在１／４弦长附近出现凹坑。干扰升压随振荡频率的增大而增大。在定常和低频振荡的范围内，帆片对机翼气动力的干扰贡献比帆片本身的贡献大，随着振荡频率的增大后者的贡献逐渐变得重要起来。     

RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

基于Monte Carlo的聚焦型X射线脉冲星望远镜多物理场耦合分析方法

聚焦型X射线脉冲星望远镜(XPT)是涉及光学、机械学、热学等多学科的复杂航天载荷,多物理场耦合分析对提高其在轨性能和可靠性至关重要。传统的光机热多场耦合分析(MCA)方法并不能考虑X射线能量及其反射率信息,而且存在学科间数据传递困难的问题。为此,首先基于Monte Carlo和X射线全反射理论提出了一种高效的多物理场耦合分析方法。该方法同时考虑X射线能量和反射率两大特征信息,基于有限元分析(FEA)法建立了XPT热-结构物理场耦合方程和有限元分析模型,针对不同工况进行热分析、结构分析以及热-结构物理场耦合分析。其次,采用Construction Geometry函数分别提取不同工况下光学镜头面形的形变量,并基于多项式函数对变形后的镜头面形进行拟合和误差分析。然后,基于所提方法对变形后的光学系统聚焦性能进行分析与评价,得到镜头形变对XPT光学聚焦性能的影响规律。最后,以多层嵌套的XPT为例,对不同视场角和形变的X射线光学系统聚焦性能进行了仿真分析。结果表明,在全视场时热-结构耦合形变、热形变及结构形变导致XPT聚焦性能分别下降30.01%,14.35%和7.85%,弥散斑均方根依次为2.9143 mm,2.6038 mm,2.5311 mm。通过与试验结果对比分析,验证了所提方法的有效性,可用于XPT的可靠性设计。     

翼尖帆片的优化设计

本文提出了带翼尖帆片的非共面机翼气动力计算以及帆片参数优化计算方法。文中采用涡格法研制了一种有效的非共同气动力计算程序，采用Ｐｏｗｅｌｌ方法进行优化计算，以获得最优的帆片配置方案。设计了某运输机的翼尖帆片，计算了升力和阻力系数，其结果与风洞试验值基本一致。计算和风洞试验结果表明，翼尖帆片对减少机翼的诱导阻力具有明显效果，本文的方法可供翼尖帆片初步设计应用。