航空发动机承力结构隔振设计方法及试验

基于先进航空发动机承力框架的结构与力学特征,通过理论分析与仿真计算验证了高隔振性承力框架结构动力学设计方法。通过对承力结构刚度/质量分布及几何构形突变的优化设计,提高转子支承结构在宽频域内的机械阻抗,实现在转子工作转速范围内的高隔振性。根据承力结构刚度/质量分布对隔振性的影响,采用折返式非连续结构,设计并搭建了转子-承力框架试验系统,通过试验进一步验证了高隔振性承力框架设计方法。试验结果表明:在承力结构中采用非连续性设计可在宽频域内对不同位置支点处激励具有良好的隔振效果。      

红外导引头平台底座拓扑优化设计

为了提高红外导引头动静态性能,以底座轻量化为设计目标,静刚度和基频为限制条件,采用变密度法的拓扑优化理论,利用三维设计软件和有限元分析软件对红外导引头平台底座进行拓扑优化设计。并对比分析了拓扑优化前后底座结构的各项指标,结果表明优化后的底座在质量减小了26.3%的情况下,最大变形量减小了7.6％,最大应力基本不变,基频提高了11％,有利于红外导引头轻量化水平的提升和整机性能的提高。最后,通过冲击振动试验,验证了红外导引头的跟踪性能,说明了红外导引头平台底座拓扑优化的可行性。     

共用支承-转子结构系统振动耦合特性分析

针对带有涡轮级间共用承力框架的转子系统,为准确描述转子-共用支承-转子（简称共用支承-转子结构系统）之间的振动特性,采用转子截面横向和角向振动特性耦合动力学模型,振动耦合产生机理及影响规律进行研究。理论分析结果表明:转子支点的动态响应对其他转子的支点动刚度特性及转子振动响应特性具有一定影响,共用支承结构振动响应对转子系统振动特性的计算误差超过10%,因此,在共用支承-转子结构系统的临界转速和振动响应计算分析中,需要考虑2个转子与共用支承结构的振动耦合影响。对于涡轴发动机共用支承-转子结构系统的有限元仿真计算结果表明:由于存在共用承力框架,2个转子之间将发生振动耦合,系统产生耦合振型,某一转子转速将会影响另一转子所激起的系统共振临界转速;并对共用承力框架结构的隔振特性也有影响,2个转子共同激励下振动响应与转子单独激励相比,在承力框架安装边上的动载荷以及载荷传递系数均大幅度提高。      

空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验

针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题, 提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想. 以桁架杆重量最低为优化目标, 桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件, 桁架杆截面的内外径为优化变量, 建立了基于满应力准则的优化模型. 经过优化, 桁架杆截面的外径为50mm, 内径40mm, 质量6.1kg, 一阶固有频率121Hz. 采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核, 同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性, 对桁架组件进行了热变形分析, 得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求. 对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验. 试验结果表明, 桁架组件一阶固有频率119Hz 与理论分析结果基本吻合; 在45N外力载荷和15°C均匀温升载荷的作用下, 桁架稳定性能良好, 次镜的偏心和偏转均小于5", 满足光学设计要求. 优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点, 这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.      

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

大型碳纤维桁架结构模态试验及特性

基于随机子空间识别方法,采用自然脉动试验研究了大尺度、轻质高强承力型碳纤维复合材料桁架结构的模态特性.基于该桁架结构本身的特点,提出了3个基本假设,结合实际应用中桁架结构的约束条件,设计了大型碳纤维复合材料桁架的模态试验方案,并对试验结果进行了详细分析,总结了其频率特性、阻尼特性及振型特点.结合锤击法试验和有限元方法,对试验结果进行对比分析,结果表明3个基本假设合理,试验方案有效,试验分析结果可靠.研究结果可应用于浮空器结构设计和健康监测.      

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板三个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时,可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三个方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的三个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过了8G重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。     

微振动成像检测光学验证系统研究

针对高分辨率空间相机的系统特性,选用平行光管系统作为光学系统,模拟来自无穷远的特征目标.运用LIGHTTOOLS软件对光路进行模拟,确定较优的光学结构.主要通过4种试验进行研究,即相机激振抖动试验,靶标运动模拟光轴抖动试验,波前畸变测量试验,离焦测量试验.通过离线图像复原对空间相机的光学误差进行分析及补偿.试验结果表明,在未给相机施加激振的情况下,经过平行光管系统输出,相机成像出的40LP·mm-1（LP表示线对）及20LP·mm-1清晰,满足微振动成像检测试验要求.在微振动成像检测试验中,波前像差达到0.21λ（RMS<λ/4）,1.28λ（PV）以及0.23λ（RMS<λ/4）,1.34λ（PV）时,该平行光管系统成像均可满足复原软件处理需求,可以有效应用于微振动成像检测系统并具有验证微振动成像检测试验的能力.      

单元构架式抛物面天线张紧绳索多层设计方法

星载抛物面天线在轨运行时由于姿态调整或环境因素变化,可能产生振动,从而降低其工作性能。为了减弱振动的影响,需采取加装张紧绳索的方法来提升天线刚度。提出了一种新型张紧绳索多层设计方法,通过将抛物面天线划分为多层,调整各层绳索的张紧力,从而提高天线结构刚度,同时尽量降低张紧力引起的形面误差。为了验证所提方法的有效性,建立了天线的有限元模型。在此基础上进行了有限元分析,研究了不同张紧力参数配置下的结构刚度和形面误差,并以提升结构刚度的同时降低张紧力引起的形面误差为目标,对张紧力参数进行了优化设计。为了提高计算效率,采用响应面法建立代理模型参与优化迭代计算。采用非劣排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）完成优化迭代计算,优化后的张紧力参数使天线的性能得到了进一步的提升,为构架式可展开抛物面天线的设计提供理论指导。      

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.     

轻型空间相机桁架结构设计与模态分析

为设计适合轻型高分辨空间相机的桁架结构,研究了模态分析的方法和桁架设计中需要考虑的问题.通过对不同的次镜支撑结构进行模态分析和对比,提出了适用于轻型相机的三翼中心三角次镜支撑结构,并完成了整体桁架结构的设计.有限元分析结果表明,所设计的桁架结构具有固有频率高、质量轻等优点,能够满足轻型空间相机的要求,并可以作为其他大口径空间相机桁架结构的设计参考.      

火箭整流罩锥壳夹层结构不确定性轻量化设计

为分析运载火箭整流罩锥壳夹层结构不确定性对结构热稳定性的影响并指导结构的轻量化设计,建立整流罩前锥段夹层圆锥壳模型,并建立温度场模型,据此对圆锥壳开展热稳定性分析,推导力热联合载荷作用下整流罩前锥段夹层结构失稳临界轴压。在此基础上,针对主要不确定性因素,开展灵敏度分析并建立区间不确定性优化模型,采用区间可能度方法将其转化为确定性问题,并采用遗传算法-区间分析算法（GA-CIAM）实现结构优化设计。计算结果表明:考虑气动力/热载荷及材料参数不确定性影响,对整流罩前锥段结构开展优化设计,在满足设计要求的前提下,有效实现结构轻量化。      

“高分四号”卫星相机在轨温度分析及热设计优化

随着空间相机分辨率日益提升,对光机主体等核心部组件的温度稳定性和均匀性要求也越来越高,地球静止轨道（GEO）空间外热流复杂且恶劣,实现相机高精度热设计挑战极大。针对"高分四号"卫星相机热设计的难点和特点,基于结构热控一体化的设计理念,采取了入光口热流屏蔽、间接辐射控温、散热面耦合等热控技术,实现了相机高精度控温;分析了相机入轨4年的温度数据及符合情况,验证了相机热设计的正确性,并根据在轨运行情况提出了热设计优化建议,为进一步提升地球静止轨道相机控温精度、降低热控资源提供支撑。      

大口径反射镜结构参数优化设计

空间光学遥感器分辨率要求的不断提高使其主镜口径也在不断增大,从而对主镜进行轻量化设计就成为空间大口径反射镜工程的关键技术。该文介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法,利用MSCPatran软件建立了蜂窝夹芯反射镜的参数化模型;对反射镜的各结构参数进行了灵敏性分析,得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线;根据反射镜的加工工艺,合理地确定结构参数的变化范围,利用正交分解法进行参数优化。     

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。      

Design study for a three-meter balloon-borne telescope for far infrared and submillimeter astronomy

A NASA supported design study is being carried out for a three-meter balloon-borne far infrared and submillimeter telescope. The goal of this project is to provide a facility for frequent flights for photometry, spectroscopy, and imaging in the spectral region 30 micrometers to 1 millimeter. It is intended to provide a scientific and technical step on the way to a large submillimeter telescope in space in the future. The study is concentrating on areas where technical advances are required: materials and fabrication techniques for lightweight primary mirrors, telescope and gondola structure, and pointing and stabilization. We are carrying out a design optimization and environmental test program of state-of-the-art carbon fiber reinforced plastic sandwich panels in collaboration with Dornier Systems. Similar efforts are being pursued for very lightweight molded glass mirrors. Innovative approaches to the telescope support and stabilization are being explored for achieving the required 1 arcsecond pointing stability.     

升力体式浮升混合飞艇多学科设计优化

升力体式混合飞艇是全球远距离大载重运输的重要选择,随着全球贸易的发展,逐渐成为国内外的研究热点。作为航空宇航技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器,混合飞艇设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化。为了将多学科设计优化（MDO）方法引入到混合飞艇的总体设计中,将其分解为能源子系统、气动和推进子系统以及结构和重量子系统。在子系统模型构建的基础上,提出具有自适应能力的基于响应面的并行子空间优化（CSSO-RS）算法,将重量平衡和能量平衡作为实现远距离载重运输的约束条件,并提出爬升、日间巡航、滑翔和夜间巡航的多阶段任务剖面,以充分利用太阳能电池、燃料电池和锂电池的优势,实现混合飞艇的最优化设计。优化结果表明:具有自适应能力的优化算法在精确度和计算效率上均有明显的优势,同时重量分配的结果也为混合飞艇结构轻量化设计和能源系统设计提出了更高的要求。