基于增材制造的30CrMnSiA高速风洞试验模型设计及流固耦合分析研究

增材制造技术可针对任意复杂形状的零件进行加工,制造周期和成本较低,具有传统机械切削加工所不具备的独特优势,在风洞试验模型制造中具有广泛的应用前景。针对高速风洞模型加工中常用的30CrMnSiA材料,开展了金属粉末制备、检测及材料试件的制造研究,在此基础上,利用测试件数据作为材料性能输入参数,结合增材制造工艺,设计了机翼为中空结构的AgardB模型,利用Ansys有限元分析软件,进行了该模型流固耦合仿真分析,并开展了优化设计,结果表明,中空机翼的模型结构能够满足高速风洞试验要求。     

再入飞行器复合材料舱段极限应力强度分析

由于缺少可靠实用的极限强度分析方法,复合材料结构的设计长久依赖于试验验证手段确保设计可靠度,产品研制难度大。该文发展此前研究提出的通用强度失效准则和算法,开展再入飞行器复合材料舱段的应力强度分析方法应用研究,对设计重点关注的典型蒙皮与端框结构,建立有限元模型,预示其极限承载能力并与实测数据对比,结果表明:复合材料舱段极限强度的预示与实测结果吻合良好,对端框复杂结构预示精度能够达到-14.2%量值水平,复合材料舱段的结构强度可靠度有条件通过设计计算来保证。     

航空航天结构轻量化设计制造技术发展现状与挑战

轻量化技术是指在满足结构性能需求的前提下，通过对材料、结构和制造工艺等方面的优化，减少结构质量的技术，已经成为新一代航空航天装备发展的关键技术之一。本文首先分析了轻量化技术的发展历程。其次，从设计原理、组成方式和优化方法角度，介绍了仿生结构设计、胞元结构设计和高效拓扑优化设计三类轻量化设计方法。然后，从轻量化制造工艺和模式的角度阐述了增材制造、协同制造和复合材料制造在航空航天结构轻量化制造中的应用。最后，讨论了轻量化技术面临的挑战和未来的发展。     

一种超宽频共形天线结构的力学性能测试

共形天线结构是一种将机载天线集成到飞机复合材料结构中的集承载、维形、隐身及通信功能于一体的多功能结构。本文采用对数螺旋天线作为内植传感器件,设计并制造了一种超宽频共形天线结构,通过面内压缩试验和三点弯曲试验对该型共形天线结构的力学性能进行了考核测试。试验结果表明,超宽频共形天线结构具有更优的力学性能。相对于未植入天线的复合材料夹层结构,超宽频共形天线结构的面内压缩刚度提高了112%,面内压缩强度提高了95%,结构压缩破坏模式由单纯的面芯分离变成了多个胶接界面分离和芯体剪切破坏的复合破坏模式,且强度分散性变大;超宽频共形天线结构面外弯曲刚度提高了26%,面外弯曲强度提高了17%,弯曲破坏模式由上蒙皮与芯体间的大面积面芯分离变成了压头下部局部蒙皮折断和芯体塌陷。     

基于增材制造液压阀块及其内部流道优化设计（英文）

液压阀块是液压系统中重要的组成部分,传统液压阀块采用车铣、钻、镗的方式制造,导致其内部流道有较多直角弯和工艺孔封闭容腔结构,严重影响油液流动性能。基于增材制造技术所提供的新型设计空间,采用B样条曲线对阀块内部液压流道进行优化设计,并对液压流道进行了计算流体动力学分析,以确定压降最小的最优流道结构。通过对液压阀块拓扑优化进行减重,根据拓扑优化结果,采用选区激光熔融的方式,完成了液压阀块的打印。相比原始液压流道,经过优化后的液压流道的压力损失减少31.4%;与原始阀块相比经过拓扑优化并通过SLM制造的液压阀块减重33.9%。因此本文采用的流道优化和阀块轻量化方法为液压阀块内部流道性能提升和阀块整体轻量化设计提供了新的参考。     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹尖端场分析

蒙皮分层是复合材料浆叶疲劳破坏的主要形式.本文采用非线性桨叶结构模型,推导广义二雏下带负扭转的直升机菜叶蒙皮的位移方程及应力一应变关系;在此基础上,基于Stroh理论,采用各向异性界面断裂力学分析了蒙皮存在分层裂纹时裂尖应力场和位移场的渐近解.通过数值算例分析了离心力作用下带不同负扭转桨叶蒙皮分层裂尖的振荡系数、应力场及应力强度因子,所得结果合理,表明本文方法可以为复合材料菜叶蒙皮分层破坏提供分析依据.     

考虑筋条扭转弹性支持的轴压复合材料加筋板局部屈曲分析方法

考虑筋条的扭转弹性支持作用,采用里兹能量法建立了轴压复合材料加筋壁板蒙皮局部屈曲问题的理论模型。考虑筋条下缘条对蒙皮的影响,对该理论模型提出了一种改进计算方法。对典型复合材料加筋平板轴压局部失稳临界载荷进行算例分析,通过理论分析结果、试验结果和有限元仿真结果的比较,验证了本文方法的合理性。同时实验结果表明,采用本文方法可显著提高蒙皮局部屈曲载荷计算结果的精度。本文方法可用于复合材料加筋壁板蒙皮局部稳定性前期分析设计中。     

高超声速风洞现代试验设计方法研究

现代试验设计（Modern Design of Experiments,MDOE）方法是提升风洞试验效率的一种重要技术途径。基于拉丁超立方的现代试验设计方法尽管理论效率很高,但其设计的随机采样点在与风洞模型姿态自动控制系统配合时,实际效率会显著下降。根据现有风洞试验设备控制系统走刀特点,针对多变量风洞试验设计需求,提出一种基于分层拉丁超立方的现代风洞试验设计方法,并将其应用于马赫数6的风洞模型的二变量试验和三变量试验设计。在满足精度的情况下,将MDOE方法与传统试验设计（One Factor at A Time,OFAT）方法进行对比,结果表明:二变量试验中,MDOE方法仅需OFAT方法20%左右的样本量;三变量试验中,MDOE方法仅需OFAT方法30%左右的样本量。与经典拉丁超立方试验设计方法相比,本文所发展的分层拉丁超立方试验设计方法结合现有风洞试验设备,可有效减少试验车次,提高试验效率,缩短试验周期。     

飞行器风洞模型的快速制造技术

基于快速成型技术,提出了飞行器风洞模型的快速制造技术方案.通过研究测压风洞模型的尺寸补偿、孔道设计及结构布置规律,发展了孔道一体化测压模型的快速制造技术;发展了结构相似气动弹性模型的设计与制造方法,并通过模态实验校核了精度;通过快速成型技术与电化学沉积技术的结合,发展了金属-树脂复合测力模型的快速制造方法,提高了模型的强度和刚度;论证了该技术在周期和成本等方面的优越性.该技术克服了传统加工的局限,提供轻质风洞模型制造的高精度、短周期、低成本的整体解决方案,为发展新型试验技术等提供基础,这能够提升风洞模型设计与制造的自动化水平,有助于该领域传统技术的革新,对新型飞行器的研制具有重要意义.     

光固化快速成型的轻质AGARD-B模型气动特性实验研究

传统金属制风洞模型质量大,设计加工周期长、成本高,为此笔者提出了采用一种光固化快速成型技术,设计加工轻质风洞模型的方法,并对比分析了引起光固化快速成型的轻质和金属AGARD-B模型气动特性间差异的原因.结果表明,在跨声速范围,轻质模型同金属模型的气动特性基本吻合,光固化快速成型技术的高速风洞模型设计方法基本可行.     

2m超声速风洞总体结构设计

“高速化”、“精确化”是未来飞行器一个极为重要的发展方向,是提高飞行器效能的有效手段,而先进飞行器的研制强烈依赖于地面模拟试验设备——风洞.目前我国现有的超声速风洞设备尺寸和试验模拟能力还有很大不足,主要体现在真实模拟、模拟能力、精确测量等方面.在这种背景下,开展了2m超声速风洞的建设,笔者针对风洞的特点主要介绍结构总体设计概况.该风洞为下吹一引射式暂冲型超声速风洞,采用全钢结构,主要涉及风洞总体布局、模型更换方式、支座布局、风洞洞体各部段间连接、密封和定位、风洞洞体的强度和刚度、洞体水压试验等问题.     

翼身融合布局民机PRSEUS结构制造工艺研究进展

拉挤杆缝合高效一体化结构(Pultruded rod stiffened efficient unitized structure,PRSEUS)综合利用了复合材料的一体化缝合和整体固化技术,能够满足翼身融合布局民机的传载、止裂、稳定性和维修性等结构设计要求。PRSEUS面板采用了低成本整体式结构设计制造方法,通过采用三维编织、单边缝合和可控气压树脂灌注等技术,完成纤维编织、缝合和树脂灌注过程,以低温共固化和缝合技术确保结构法向强度。通过合理选材和工艺设计,易于满足翼身融合布局民机不同部位结构的多样性设计需求。本文从翼身融合布局民机PRSEUS结构选材设计、PRSEUS结构制备核心工艺、PRSEUS工装夹具、典型PRSEUS测试壁板制造和典型机身试验件制造等方面系统阐述了翼身融合布局民机PRSEUS结构制造工艺技术的最新进展和发展现状,通过总结与展望PRSEUS结构制造工艺研究进展,为中国未来民机结构设计制造以及新型材料结构研发提供有价值的技术参考和研究方向。     

大型季节性可移动式结冰风洞及其试验方法研究

利用冬季自然低温进行结冰试验是飞机大尺寸部件和整机结冰试验的有效方法.文章总结了法国、加拿大、美国、俄罗斯等国家季节性结冰风洞的主要参数,分析了季节性结冰风洞在大尺寸机翼、螺旋桨和飞机等方面的试验能力.基于中国航空工业空气动力研究院季节性可移动式结冰风洞开展了螺旋桨结冰和机上地面结冰试验方法研究,分析了螺旋桨结冰和冰脱...     

风洞试验模型舵机系统研制

提高试验效率一直是风洞试验的目标之一.介绍了中国空气动力研究与发展中心新研制的风洞试验模型舵机系统.地面调试与试验验证结果表明,新系统控制精度在满足国标要求的前提下,可大幅提高试验效率,降低能耗,具有很高的推广价值.     

大型回流边界层风洞的气动与结构设计

大型边界层风洞是开展风工程研究的必备装备。以浙江大学ZD-1边界层风洞的研制为背景,详细介绍了大型回流边界层风洞气动设计和立式结构设计中的关键问题,在风洞气动设计时采用了收缩比为4∶1的单回路单试验段气动轮廓,在试验段中设置了0.22°的当量扩散角,对拐角导流片外形作了特殊处理,并采用钢结构与混凝土结构相结合的立式结构。流场校验结果表明,大型回流边界层风洞的气动与结构设计能满足设计要求,某些指标甚至达到航空风洞的标准,在试验段中设置扩散角有利于降低轴向静压梯度,立式结构设计对提高试验段气流的水平均匀性有一定的作用,可为今后类似风洞的研制提供参考。     

开孔壁蜂窝器整流特性实验研究

蜂窝器是安装在风洞稳定段中用来提高风洞试验段气流均匀性、降低气流偏角及湍流度的重要整流装置。普通的实壁蜂窝器需要通过提高蜂窝器单元的长径比来达到提升整流特性的目的,但同时带来了损失系数增加等问题。设计了一种在蜂窝单元壁面开孔的蜂窝器,通过蜂窝器壁面上的开孔,实现了蜂窝器单元之间的旋涡和压力的传递,可以有效地提高蜂窝器的整流效果。在0.55m×0.4m低噪声航空声学风洞闭口试验段中,在不同来流速度条件下,使用热线风速仪对普通蜂窝器和开孔壁蜂窝器下游的速度及湍流度分布特性进行了试验研究。实验结果表明,与普通的实壁蜂窝器相比,开孔率为50%的开孔壁蜂窝器下游的湍流度可降低13.8%,蜂窝器下游的速度分布得到了改善,局部气流偏角也明显减小。在风洞设计中,使用优化后的开孔壁蜂窝器可以减少阻尼网的层数或收缩段的收缩比,从而降低风洞的运行能耗,并减少风洞的建设费用。     

气动除冰类飞机结冰风洞试验适航审定技术

民用飞机为获得型号合格证,应按照有关结冰适航规章条款进行结冰适航验证,如何解读适航条款要求并制定有效的符合性验证流程,是进行适航合格审定的关键。本文以Y12F气动除冰飞机结冰风洞试验的实际工程为例,以相关结冰适航文件为基础,结合国际最新的飞机结冰研究成果,研究并总结了目标试验状态设定、设备选择、试验状态的等效转换、模型研制、风洞试验等适航审定要求和技术。构建的结冰风洞试验适航审定方法,有效地指导完成了Y12F飞机除冰系统的适航验证工作,完成中国民用航空局（CAAC）和美国联邦航空管理局（FAA）同时审查,为获得CAAC和FAA型号合格证奠定良好基础。     

基于柱梁的片式应变天平研制技术

在飞行器铰链力矩测力和部件测力风洞试验中,常采用片式应变天平测量。受模型结构限制,传统片式天平连接端刚度相对天平元件不足,测量精准度偏低。将片式天平元件分解为多个柱梁元件,通过多个柱梁元件组成一台新型结构的片式天平,可以有效提高片式天平的测量精准度。传统力学分析和有限元软件仿真分析结果均表明该方法具有可行性。基于该技术研制了验证天平,校准结果表明该技术具有很高的应用价值。目前该片式天平研制技术已在中国空气动力研究与发展中心高速所成功应用于多个试验项目。