使用BP神经网络模型研究逆向卸荷膜片式减压器的稳定性能

采用数据挖掘中BP(back propagation)神经网络模型来研究逆向卸荷膜片式减压器的结构参数与稳定性能之间的依赖关系,得到结构参数变化,尤其是多结构参数耦合变化下减压器的稳定性结果.其中稳定性对阻尼孔直径、膜片刚度非常敏感,对弹性元件材料的阻尼系数、低压腔有效长度较为灵敏.由此提出减弱振荡的各种措施:增大阻尼孔直径、增大膜片刚度、在一定范围(标准值的6.5倍)内增大弹性元件材料的阻尼系数、增大低压腔有效长度、减小阀芯质量.数值实验误差分析表明:该模型不存在过拟合、局部最优的情况,其预测结果是可靠的,可为减压器的设计和系统分析提供决策支持.而且,该模型对不同类型的数据集具有通用性,可以用来研究其他部件的结构参数与性能指标的依赖关系.      

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

Impact of the thermal effect on the load-carrying capacity of a slipper pair for an aviation axial-piston pump

A thermal hydraulic model based on the lumped parameter method is presented to analyze the load-carrying capacity of a slipper pair in an aviation axial-piston pump under specified operating conditions. Both theoretical and experimental results are presented to demonstrate the validity of the thermal hydraulic model. The results illustrate that the squeezing force and thermal wedge bearing force are the main factors that affect the film thickness and load-carrying capacity. At high oil temperature and high load pressure, the film thickness decreases with increasing clamping force due to a combined action of the squeezing bearing force and the thermal wedge bearing force, but the load-carrying capacity will increase. An increase of the film thickness is proven to be beneficial under high shaft rotational speed but especially dangerous as it strongly increases the ripple amplitude of the film thickness, which leads to decreasing the load-carrying capacity. The structural parameters of the slipper can be optimized to achieve desired performance, such as the slipper radius ratio and orifice length diameter ratio. To satisfy the requirement of the load-carrying capacity, the slipper radius ratio should be selected from 1.4 to 1.8, and the orifice length diameter ratio should be selected from 4 to 5.     

定压活门稳定性定量分析

提出了一种定压活门(CPV)稳定性的定量分析方法.首先通过稳态分析,得到影响定压活门稳态性能的主要参数.通过小偏差动态分析,获得定压活门闭环极点根轨迹图.提出临界进口压力概念,得到5个主要结构参数对定压活门稳定裕度的定量影响:弹簧刚度对稳定裕度影响很小;而增大阀芯直径,提高阻尼系数,增加负载,减小定压腔容积都分别能够明显提高定压活门的稳定裕度,计算结果与实际工程经验及AMESim仿真结果基本一致.最终,得出增强定压活门稳定裕度的改进措施和设计方法:①定压活门改进问题,最有效的方法为改动出口流通面积;②定压活门设计时,首先应根据其工作进口压力要求及最小负载,确定临界进口压力,然后通过动态分析,以阀芯面积和定压腔容积作为主要的设计参数.      

航空减压器输出特性回归分析及参数优化

为研究某型航空双级气体减压器设计参数对输出特性的影响规律,建立减压器AMESim模型并与测试结果对比验证;采用响应面法获得减压器设计参数与输出特性的二次回归模型,分析减压器设计参数的影响;利用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对二次回归模型进行优化,得到最优设计参数。响应面结果显示:反馈孔面积是影响输出压力超调量的关键因素,与阀芯密封处动泄漏面积的交互作用对超调量影响显著;阀芯质量是影响输出压力脉动强度的关键因素,与弹簧刚度、膜片刚度的交互作用对脉动强度影响显著。优化结果表明:减压器二级结构的阀芯质量、反馈孔面积、主弹簧刚度、副弹簧刚度、阀芯密封处动泄漏面积和膜片刚度分别为52.26 g、9.06 mm2、67.27 N/mm、10.68 N/mm、0.64 mm2和89.49 N/mm时输出特性达到最优,优化后输出压力超调量降低了28.72%,脉动强度降低了40.63%。      

Theoretical and experimental investigation on novel 2D maglev servo proportional valve

This paper presents a novel two-dimensional maglev servo proportional cartridge valve (2D maglev valve), where a contactless maglev coupling is introduced between electro-mechanical converter and valve body to realize functions of force transmission, spool position feedback and linear-rotary motion conversion. Such configuration can effectively reduce cost of both valve manufacturing and electro-mechanical converter, while still maintain features of 2D valve such as null pilot leakage, high power-to- weight ratio and excellent anti-pollution capacity. Firstly, the characteristic equation of the valve is derived using linear theory, and the stability criterion is established for parameter determination. The influences of crucial structural parameters such as initial height of overlapping area, width of high-pressure and low-pressure holes, acting radius of magnetic force, pitch angle of maglev coupling, length of sensitive chamber and system pressure on the dynamic response are investigated based on AMESim numerical simulation. The prototype valve is then designed and manufactured and a special test rig is built. The no-load flow characteristic, load flow characteristic, leakage characteristic, amplitude and phase frequency characteristics and step response under different system pressures are measured. The experimental results are in a good agreement with the simulated analysis. As an over-damped system, the prototype valve has excellent working stability, which can reach a no-load flow rate of 105.9 L/min with hysteresis of 3.51%, amplitude bandwidth of 28.7 Hz and phase bandwidth of 42.8 Hz under 21 MPa. The research indicates that the 2D maglev valve can be a potential solution of flow rate control valve for flight control surface system of civil aircraft with high pressure and large flow rate application.     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

Theoretical study of flow ripple for an aviation axial-piston pump with damping holes in the valve plate

Based on the structure of a certain type of aviation axial-piston pump＇s valve plate which adopts a pre-pressurization fluid path （consisting a damping hole, a buffer chamber, and an orifice） to reduce flow ripple, a single-piston model of the aviation axial-piston pump is presented. This sin- gle-piston model comprehensively considers fluid compressibility, orifice restriction effect, fluid resistance in the capillary tube, and the leakage flow. Besides, the instantaneous discharge areas used in the single-piston model have been calculated in detail. Based on the single-piston model, a multi-piston pump model has been established according to the simple hydraulic circuit. The sin- gle- and multi-piston pump models have been realized by the S-function in Matlab/Simulink. The developed multi-piston pump model has been validated by being compared with the numerical result by computational fluid dynamic （CFD）. The effects of the pre-pressurization fluid path on the flow ripple and the instantaneous pressure in the piston chamber have been studied and opti- mized design recommendations for the aviation axial-piston pump have been given out.     

超声波喷嘴试验研究

对超声波喷嘴的工作原理及工作特性进行了理论分析和试验研究,利用计算机图象处理技术重点研究了压电器件材料物性参数d33、激励电压A、喷射压力p、喷孔直径d0、喷嘴腔纵向尺寸δ及激励频率f对射流液滴形成的影响。研究表明：较低的射流压力和较小的喷孔直径以及较大的d33压电器件都有利于液滴的形成和工作稳定性,而激励频率f和喷嘴腔纵向距离δ都存在着最佳值。这些结论可以指导喷印机超声波喷嘴的设计。     

损伤对平纹编织陶瓷基复合材料梁振动特性影响的试验研究

为研究平纹编织陶瓷基复合材料（CMCs）梁受损伤影响的非线性振动特性,本文分别开展了拉伸试验和振动试验。拉伸试验用于获得平纹编织CMCs受损伤影响的变刚度行为,多次正弦扫频试验用于获得振动载荷下平纹编织CMCs梁受损伤影响的非线性行为。拉伸试验得到的非线性应力-应变曲线表明材料受损伤影响变刚度行为明显。梁初始固有频率的试验值与理论值相比,相对误差小于1%。振动试验结果从两方面表明了损伤对梁振动特性的影响。一是模态参数的变化,固有频率从初始值（256.44Hz）不断减小,阻尼比呈现增大趋势,而共振位移幅值受固有频率和阻尼比的耦合作用发生非线性且非单调变化。固有频率的变化造成位移幅频特性曲线的左移现象。二是位移幅频特性曲线的多峰现象,在多处载荷频率下产生了位移峰值点。本文的试验结果可用于指导平纹编织CMCs结构动力学计算理论模型的建立。     

气体静压止推轴承静动态性能及振动抑制

为探讨抑制气体轴承自激振动的新手段,研究了圆盘形单个小孔节流的气体静压止推轴承振动问题。通过两平行圆盘间的气体流动方程,推导建立了气体轴承静动态特性分析模型。通过数值分析的方法,研究并总结了供气压力和气膜厚度对气体轴承静态承载力、静态气体质量流量、静动态刚度以及动态阻尼的影响,计算得到了一系列气体轴承静动态特性变化曲线。然后针对系统出现负阻尼情况,通过引入非线性能量阱(NES)来抑制自激振动的问题。研究结果表明,提高供气压力可以有效地提高气体轴承的静态性能;气体轴承的自激振动主要源于气膜挤压的负阻尼特性;同时,当NES的阻尼超过临界阻尼时,可以使系统的振动得到有效的抑制。     

插装式二维(2D)伺服阀的理论分析与实验研究

针对传统伺服阀导控级和功率级平行放置而无法实现插装的问题,研究了一种新型的插装式二维（2D）伺服阀,其特点在于：先导级和功率级集成在单个具有双自由度的阀芯上;力矩马达与阀芯同轴连接,并安装在阀芯末端。通过力矩马达直接驱动阀芯转动,然后利用伺服螺旋机构放大功率并驱动阀芯直线运动,从而控制输出流量。同时可以采用直线位移传感器（LVDT）进行检测阀芯位移,实现位置闭环控制以提高阀的控制性能。为了探究其开环特性,首先建立力矩马达和2D阀的数学模型,求得其开环传递函数;然后,通过仿真了解关键参数对系统动态响应的影响;最后,进行实验研究,验证该阀设计的可行性。实验表明,在满量程输入的情况下,该阀开环时滞环为5%,分辨率≤ 1%,响应时间为10 ms,动态频响为35 Hz;闭环下性能显著提高。插装式2D伺服阀结构简单,尺寸小,质量轻,响应快和控制精度高,在航空航天及军工领域有广阔的应用前景。     

Evaluation of thermal effects on temperature-sensitive operating force of flow servo valve for fuel metering unit

The temperature-induced variation in operating force of flow control valves may result in performance degradation or even jam faults of fuel metering unit (FMU), which significantly affects the safety of aircrafts. In this work, an analytical modeling approach of temperature-sensitive operating-force of servo valve is proposed to investigate the temperature characteristics in varying temperature conditions. Considering the temperature effects, a new extended model of flow force is built and an analytical model of valve friction is also derived theoretically based on the dynamic clearance induced by thermal effects. The extremum condition of friction is obtained to analyze the characteristic-temperature points where jam faults occur easily. The numerical results show that flow force increases firstly and then decreases as temperature increases under a constant valve opening. The maximum friction of flow servo valve can be uniquely determined when the structural parameters and ambient temperature are given. The worst situation just happens at the characteristic-temperature points, which are linearly related to the axial temperature gradients of valve spool. Such evaluations may give an explanation for the temperature-induced jam faults of vulnerable valves and provide a reference for designers to determine a suitable working-temperature range of valves in practice.     

液体火箭发动机动态特性数学模型的验证

用试车数据检验某泵压液体火箭发动机动态特性非线性数学模型的准确度,考虑了发动机参数实际测量的误差范围。计算结果表明：在整个过渡过程中,所有可以实际测量的发动机参数的计算值与实测值之间的偏差均在±７．１％以内。     

基于CFD/CSD紧耦合的旋翼翼型气弹分析

采用CFD/CSD（计算流体力学/计算结构力学）紧耦合的方法,以Fluent软件作为主控平台,通过UDF（用户自定义函数）及I/O（输入/输出）文件读写的方式实现结构响应和气动载荷的数据交换,耦合求解了旋翼桨叶剖面的气动力和振动响应.在此基础上研究旋翼桨叶剖面在变距、沉降（挥舞）和周期交变来流条件下的气动特性和振动响应特性.结果表明:桨叶剖面在轻失速情况下,气动载荷周期性比较好,表现出光滑的迟滞环曲线,结构沉降响应也表现出光滑的周期性现象,扭转响应出现局部轻微振荡.深失速情况下,气动载荷及结构响应都表现出强烈的非线性振荡,高频成分较为明显.      

气动阀门自激振动机理及动态稳定性

基于弹簧振子的扰动响应特性,提出了气动阀门气固耦合自激振动的稳定性机理.以单向阀为例,根据小扰动原理,构建系统的气固耦合动力学模型及稳定性模型,通过求解线性方程组的特征根,得到了单向阀系统的稳定工作区间及参数影响特性,稳定性分析模型的有效性由单向阀气动试验验证.对于单向阀,存在压力-流量的临界稳定性曲线.工作压力一定时,当单向阀工作流量小于相应压力下的临界稳定流量,单向阀处于不稳定状态,一个微小的扰动都将会导致阀芯周期性振荡;反之,单向阀工作稳定,阀芯将处于稳定开度.增加单向阀阀芯阻尼、弹簧刚度及减小阀门进口直径在一定程度上将有助于提高单向阀的工作稳定性.     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

侧载和管径对管内沸腾两相流性能影响实验

为研究飞行过程中侧向载荷对不同管径内沸腾两相流流动和传热的影响,在自行搭建的实验平台上做了多次实验.通过对实验段内流体的压差、雷诺数、孔隙率、热流密度及传热系数等参数数据的处理分析,研究了侧载和管径对管内沸腾两相流性能的影响.结果表明,动载越大,管内压差越大,管外散热越强,流体流量越小,空隙率越低,流体得热的热流密度越低.动载荷加强了单相流的表面传热系数;但对于沸腾两相流有一个先抑制再增强最后削弱的过程.管径对雷诺数、压差、孔隙率、散热能力等也有显著的影响,较小的管径流动阻力较大,而换热能力则有所提升.      

考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性

为研究双自由度（2D）压力伺服阀工作时的气穴现象对阀芯稳定性的影响，利用AMESim中的基本库和HCD库建立2D压力伺服阀各组件仿真模型。理论分析得出气穴现象会降低阀体中含气油液的有效体积弹性模量，得出考虑气穴影响的阀芯稳定性条件。仿真结果表明气穴现象会导致主阀芯到达稳定位置后出现振荡现象，影响主阀芯的穿越频率从21 Hz降低至6 Hz，限制主阀芯的频宽，适当增加主阀芯阻尼比能提高主阀芯工作稳定性。提出一种新型阻尼活塞结构，建立模型分析得出其能在不影响伺服阀频响、阀芯位移和抗污染能力情况下提高主阀芯阻尼比以提高阀芯工作稳定性，并且设计实验进行验证。实验结果表明，应用阻尼活塞将2D压力伺服阀压力输出波动从9%降低至2%，能够提高飞行器制动时刹车阀工作稳定性。     

无人直升机旋翼桨叶设计及动力学特性分析

复合材料在桨叶上广泛应用的同时使桨叶的受力、刚度特性比传统的桨叶更为复杂。为了降低桨叶工作时动应力和旋翼的振动水平,有必要对旋翼桨叶进行动力学特性分析。对旋翼总体参数及桨叶气动参数进行设计,采用CFD 方法对旋翼悬停状态进行气动特性分析,将桨叶三维非线性弹性模型分解为二维线性剖面模型和一维非线性梁模型进行动力学特性分析。结果表明：该旋翼能够成功拉起230 kg 级无人直升机,悬停效率大于0.65,工作转速下桨叶的固有频率与8 阶以下的气动激振力频率保持一定的范围,避开了转速共振区,满足桨叶动力学设计要求。