薄壁不锈钢管数控绕弯成形数值仿真及工艺研究

针对航天某型号薄壁弯管成形难度大、尺寸精度低等问题,提出了数控绕弯成形替代拼焊成形,分析数控绕弯工艺特点及参数确定方法。建立模型对成形工艺参数进行有限元仿真,分析弯曲速度及芯头直径缩减量对不锈钢管成形影响,并通过试验得到优化的工艺参数。结果表明弯曲速度为8mm/s、减小芯头缩减量为0.6mm时,成形零件截面畸变不超过4%,最小壁厚0.65mm,弯曲后管材产生形变强化效果,组织更为细密,成行排列的方向性更明显,提高了零件强度。     

激光选区熔化成形SiCP/AlSi10Mg复合材料工艺及性能研究

为研究激光选区熔化(SLM)成形技术制备SiC颗粒增强AlSi10Mg复合材料的成形机理,开展了SLM成形工艺参数(扫描间距、扫描速度)对致密度、机械性能等影响情况的研究。结果表明:所制备试样中SiC增强颗粒分布均匀,并与基体具有连续相容的冶金结合界面。当激光扫描速度从900 mm/s升高到2 100 mm/s时,在不同的扫描间距下,复合材料试样致密度均随之降低;当扫描间距在0.09～0.12 mm内变化时,在不同的扫描速度下,致密度变化趋势并不一致;在激光功率490 W、铺粉层厚0.04 mm、扫描间距0.12 mm、扫描速度900 mm/s时,制备的SiC颗粒增强AlSi10Mg复合材料试样得到最佳综合性能(相对密度99.1%,显微硬度198.7 HV0.2,抗拉强度341.9 MPa);在该最佳工艺参数下,成功制备出复杂结构的薄壁零件。研究为SLM成形SiCP/AlSi10Mg复合材料在航空航天和空间领域的应用提供了理论基础和实验依据。     

相对流速对非球形铝滴旋转受力的影响

针对固体火箭发动机中非球形铝滴的旋转受力问题进行数值模拟,详细分析流速变化对颗粒的受力影响。计算结果表明,非球颗粒在流场中的升力系数与无量纲转速之间已经不再满足经典的理论关系式。雷诺数Re1时,周向升力系数存在着交替出现的2组极大值与极小值;升力系数均为正值,且周向变化较为平缓。随来流速度增加,阻力系数变得均衡,系数值向0值逼近;升力系数也急速降低。当相对流速由0.5 m/s提高到5 m/s时,颗粒所受阻力锐降89%。颗粒的阻力系数与雷诺数之间满足新的关系式。     

航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估

用北京卫星环境工程研究所的18mm口径二级轻气炮(TLGG)和20 J激光驱动微小飞片装置(LDFF-20)对用作航天器舷窗玻璃的熔融石英玻璃的超高速撞击损伤特性进行了实验研究和分析.其中,TLGG发射的球形铝弹丸直径分别为1 mm和3 mm,速度2～6.5 km/s;LDFF-20发射的圆柱形飞片厚度7 μm,直径1 mm,速度1～8.3 km/s.撞击结果为:对12 mm厚的熔融石英玻璃,直径为3mm的弹丸甚至在2.8 km/s的低速下就将其穿透,而直径为1 mm的弹丸在6.5km/s的高速下没有穿透,这说明弹丸直径对撞击损伤特性有很强的影响;LDFF-20发射的微小飞片的撞击仅在玻璃表面产生很浅的凹坑,没有裂纹产生,但微小飞片的累积撞击损伤明显地降低了玻璃的透光性.实验初步获得了侵彻深度PC、侵彻直径D1与弹丸撞击速度Vp、弹丸质量Mp之间的经验关系.依据实验结果和目前的微流星体/空间碎片(M/OD)环境工程模型,建议对于高度为400 km、轨道倾角42°、寿命为3年的典型航天器,其舷窗玻璃的临界安全(非穿透)厚度至少为12mm.     

筒形件模环旋压隆起和旋压力的有限元模拟分析

在分析筒形件强力模环旋压工艺变形特点的基础上,采用三维弹塑性有限元法对筒形件模环旋压进行了数值模拟,分析了旋压成形时的应力分布、旋压成形中的隆起现象及工艺参数对隆起和旋压力的影响.结果表明,在所描述的工艺条件下,采用成形角为20～25,牵引速度范围为0.4～0.6mm/s是合理的.模拟分析结果为模环旋压工艺参数的优化提供了依据.     

两种物态方程在超高速碰撞数值模拟中的比较

材料在超高速碰撞下将发生熔化甚至气化相变。为反映超高速碰撞中材料相变带来的影响,文章采用GRAY三相物态方程与Tillotson物态方程,对超高速碰撞进行数值模拟对比研究。研究表明:当碰撞速度在3 km/s以下时,除了靶板穿孔直径外,两种物态方程所给出的碎片云的结果基本一致;但当碰撞速度在3 km/s以上时,两种物态方程给出的数值模拟结果有较大差异,这说明在超高速碰撞中相变的产生对碎片云形状参数有较大影响。     

超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。     

航天铝合金深腔零件整体成形预制坯优化设计

提出航天铝合金深腔零件整体成形方法,开展预制坯优化设计。对比分析直筒和变径筒两种预制筒坯结构变形规律,数值模拟研究了底部圆角对开口球形件液压成形的影响规律。以直径D=450 mm的球形整体零件为验证对象,进行底部圆角r=60 mm的变径筒形件的液压成形试验验证。结果表明:直筒坯液压成形时,赤道位置发生破裂;变径筒坯液压成形时,当胀形压力为16 MPa即发生贴模;液压成形时,筒端口自适应补料,所以上半球的壁厚分布均匀;随着底部圆角越大,筒底部减薄越小,筒壁厚越均匀;当底部圆角为r=60 mm时,开口球壳赤道位置壁厚减薄最严重,减薄率为11.1%,球底部减薄率为9.8%,开口球壳上半球壁厚差为0.17 mm,下半球壁厚差为0.43 mm。     

NEPE推进剂破片冲击数值模拟研究

为研究NEPE推进剂破片冲击响应特性,利用有限元动力学软件对NEPE推进剂受破片冲击的动力过程进行数值模拟,并进行试验验证。分析不同规格破片冲击起爆NEPE推进剂的情况,计算其临界起爆速度。结果表明,随着破片速度增加,NEPE推进剂受冲击响应情况有所不同,即破片速度在0～1121 m/s时,推进剂不发生反应; 1121～1247 m/s推进剂开始发生反应; 1247～2508 m/s推进剂响应情况由快速反应转为爆轰;破片速度大于2508 m/s时,破片直接引爆推进剂;破片质量和体积的增加都会使推进剂临界起爆速度减小,但影响程度递减;圆柱形和立方体破片冲击推进剂的临界起爆速度相近,都小于球形破片;钨合金破片和钢破片的临界起爆速度与破片质量和体积有关,但都小于铝合金破片。文中采用的破片冲击数值模拟研究方法可有效解决NEPE推进剂破片冲击特性研究的难题。     

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金whipple防护结构进行了试验研究.根据试验结果分析了铝合金whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0-5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5film、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律.根据高速x光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析.     

TC4激光拼焊板超塑成形试验研究

利用2kW YAG激光机,拼焊了厚度0.93mm细晶Ti6Al4V(TC4)板材,焊缝强度高于母材。焊接熔池区未出现裂纹或大的气孔,焊缝热影响区宽度约为0.3～0.4mm。在温度880℃和应变速率10-3s-1下,模拟分析了TC4激光拼焊板超塑成形过程,获得了压力时间加载曲线。对比研究了TC4激光拼焊板和其母材的超塑成形极限,结果表明:TC4激光拼焊板与TC4母材超塑成形性能无明显差别。微观组织观测显示:随着超塑变形量增大,激光拼焊过程中产生的针状α′马氏体,先转变为板条状马氏体,再因动态再结晶而破碎,同时α+β组织分数逐渐增多。     

微流星体高速撞击航天器Whipple防护结构损伤特性研究(英文)

采用金刚石模拟高脆性、高熔点微流星体材料,对航天器典型Whipple防护结构进行高速撞击试验.试验表明,撞击产生的高温高压效应导致金刚石部分或全部转化为石墨,金刚石对防护结构的损伤主要体现在中低速阶段,当撞击速度大于4.3km/s时,对后板的灼烧损伤极为显著。     

Whipple防护屏弹道极限参数试验

在中国空气动力研究与发展中心FD-18A超高速碰撞靶上进行了Whipple防护屏的超高速撞击试验。弹丸为LY12铝球,撞击速度为4.5km/s,撞击角为0°。通过固定弹丸速度、变弹丸直径、寻找弹丸临界直径的办法获得了该Whipple防护屏在试验条件下的弹道极限参数。试验结果表明速度为4.5km/s时的弹丸临界直径为0.35cm,大于用Christiansen方程预测的0.27cm。     

固体推进剂装药枪击试验数值模拟与试验

固体推进剂的枪击试验是评价固体推进剂及装药在受到枪击的情况下,是否发生燃烧、爆炸及爆轰等剧烈反应的重要试验方法。采用LS-Dyna有限元仿真软件研究了枪击试验推进剂的反应过程,并采用12.7 mm枪击试验验证了LS-Dyna的计算结果。结果表明,以点火增长模型、Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程分别赋予推进剂、子弹及推进剂壳体,计算结果表明,推进剂发生明显的燃烧反应,且推进剂燃烧在壳体内部产生的压力显著增大。采用12.7 mm枪击试验验证的试验结果表明,推进剂装药在12.7 mm子弹以约850 m/s速度撞击下,推进剂发生燃烧,此结果与模拟结果相一致。     

粉浆浇注熔硅天线罩结构淋雨滑车试验

对粉浆浇注熔硅天线罩结构在3.7～5.0M时淋雨滑车试验结果作了最后评估.其结果为:在霍洛曼空军基地利用滑车轨道设备进行的试验证明,对相同的法向速度分量来说,粉浆浇注熔硅材料的最大冲蚀率变化系数为3;高纯度粉浆浇注熔硅的雨水冲蚀极限速度约为500m/s;法向速度分量超限时,天线罩出现重大损伤;硅树脂防潮密封胶DC808和DE SR80可能不会严重影响雨水冲蚀性能;建议在自然雨区中飞行的导弹,其碰撞角应受控制,以使天线罩上的自由流的法向速度小于500m/s.     

固体火箭发动机撞击靶板安全性数值分析

为研究固体火箭发动机撞击安全性,建立了固体火箭发动机撞击靶板的计算模型,模型中发动机的推进剂装药采用点火增长反应速率方程.采用非线性有限元流体动力学方法,对发动机径向撞击靶板过程进行了数值模拟,分析了不同撞击速度下发动机中推进剂装药的反应情况.计算结果表明,发动机径向撞击靶板爆炸的临界速度范围为150～200 m/s;低强度多次撞击过程中推进剂会发生延迟爆轰情况.     

光伏玻璃表面微织构柱体抗颗粒冲击性能研究

为分析光伏电池玻璃表面微织构形状和颗粒碰撞方式对表面微织构损伤的影响,建立模拟月尘颗粒碰撞表面微织构仿真模型,结合实验验证,探究表面微织构损伤情况。结果表明:30 μm直径的模拟月尘颗粒以5 m/s的速度撞击表面微织构时,损伤形式主要包括边缘破损、劈裂破损和断裂,损伤面积与表面微织构整体相比较小,损伤深度在0.06～0.29 μm之间,仅为表面微织构柱体高度的1%～4.8%;中心正碰时,四棱台表面微织构的抗冲击性最好,圆台表面微织构次之,六棱台表面微织构最差;颗粒以4种碰撞方式撞击圆台表面微织构时,损伤程度从大到小依次为边缘碰撞、45°边缘碰撞、中心正碰、45°中心碰撞。研究结果可为玻璃表面微织构的工艺改性提供参考。     

火箭煤油降阻技术研究

对3种火箭降阻煤油在管路中流阻特性进行试验研究。与火箭煤油相比,试验用降阻煤油的密度相近(20℃,0.832 3 g/cm3),粘度升高(20℃,2.17~2.77 m Pa·s)。通过管路流阻特性理论计算和试验,验证了降阻煤油在流阻测试试验系统各组件时的实际降阻效果,并对影响降阻效果的因素包括降阻煤油类型、直管管径、流体流速及降阻剂浓度等进行试验考察。试验结果表明,使用相同降阻煤油,在同样流量下,直管管径越小,流速越高,降阻率越高;在同样管径下,流速越高,降阻率先快速升高后缓慢降低;使用相同降阻剂,随着煤油中降阻剂浓度的升高,降阻效率先快速升高后趋于平缓;3种降阻煤油中配方为JZM-7的降阻效率最高,与火箭煤油相比,JZM-7在Φ4直管中流速为54.748 m/s时降阻率为75.05%。     

微波等离子体推力器流动模拟(英文)

采用N-S方程求解了100 W微波等离子体推力器(MPT)选用不同推进工质时的性能参数;并采用直接蒙特卡洛模拟方法(DsMC)对MPT羽流进行了数值模拟.结果表明,几种工质的推力变化不大,氮气为23.6 mN,氮气为24.8mN,氩气为24.8 nuN;但比冲区别较大,氮气为565.2 s,氮气为243.7 8,氢气为180.2 s.羽流场中,密度、压强及温度沿轴向和径向均逐渐减小;轴向速度在轴线附近变化不大,采用氩气工质时,约1 700 m/s,在远离轴线区域,沿流动方向逐渐增大,沿径向逐渐减小;径向速度沿轴向变化不大,沿径向逐渐增大,并在接近流动区域边界时迅速减小.     

凝胶模拟液直圆管流动特性数值模拟

采用POLYFLOW软件,对幂律型凝胶模拟液在直圆管内的流动和流变特性进行了数值模拟研究。结果表明：在流速和管径不变时,压降随管长的增加成线性增加;在流速和管长不变时,压降随管径的增大急剧减小;随着流变指数的减小,直圆管轴线附近出现明显的柱塞流动区,在此区域内,速度和剪切速率变化较小,剪切粘度值趋于最大;在管壁附近．速度和剪切速率变化较大。剪切粘度降低明显。