航空发动机涡轮叶片包容试验及数值模拟

为了解断裂涡轮叶片与包容环的撞击过程,研究航空发动机的包容性能,提高飞机飞行安全。在高速旋转试验台上进行了飞断平板叶片与包容环的撞击试验,并采用基于撞击动力学理论的有限元数值计算方法模拟了撞击过程。结果表明,平板叶片撞击包容环产生两个撞击点,第二撞击点是较为危险的撞击点,撞击点处的径向凸起量随初始撞击动能的增大而线性增大,两撞击点间的距离随初撞击动能的增大而线性减小,数值模拟准确地反映了叶片与包容环的撞击过程。研究结果对航空发动机包容环结构的优化设计和包容能力的校核计算有一定的参考价值。      

静止空气中单脉冲激光能量非对称沉积实验与数值模拟

为了研究纳秒脉冲激光能量沉积减小高超声速飞行器波阻的机理和规律,首先要研究纳秒脉冲激光能量在静止空气中的沉积现象。提出一种新方法测量了激光能量吸收率。并采用高分辨率纹影系统,对纳秒脉冲Nd:YAG固体激光器(波长532nm,最大激光能量368m J/pulse)击穿静止空气后所形成的等离子体热核进行观测。基于FLUENT软件并编写UDF,结合非对称能量沉积模型和空气等离子体参数,采用层流模型、Roe-FDS通量格式对激光能量沉积后的流动现象进行了数值模拟。结果表明,激光能量吸收率随着入射激光能量的增大而不断增大,并最终稳定在0.45左右。纳秒脉冲激光能量沉积后的流场纹影序列图像很好地呈现了爆炸波的传播、等离子体热核的演变和涡环的形成。激光能量沉积后60~120μs,涡环的涡核平均直径基本不变,且与入射激光能量大小呈二次函数关系。爆炸波约在t=60μs之后衰减至近似声波,此后其波速受入射激光能量大小的影响较小。数值模拟结果表明,Richtmyer-Meshkov不稳定性和激光能量的非对称沉积,是等离子体演化出尖刺的原因。     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度,而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构,有限元分析网格数量巨大;叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析,也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法,在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析,与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%,计算机时减少99%,证明简化方法和计算方法的有效性。      

高速可拆卸转子止口连接结构稳健性设计方法

采用止口连接结构,提出了可拆卸转子结构设计方案。通过分析止口结构刚度损失模型,得到了连接机构对转子整体刚度的影响加速增加的特征。进而通过非线性有限元接触分析,得到其刚度稳健性设计方法。结果表明:增大止口局部刚度,连接结构设计时避免弯曲应变能集中,保证弯曲临界转速距工作转速有20%裕度,这样可以提高转子的刚度稳健性;止口连接设计为紧度配合,提高轴向压紧力,优化止口局部结构等方法,这样可以提高转子的接触状态稳健性。      

具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型及振动特性分析

为了更加精确地预测航空发动机高速柔性转子系统振动响应,为整机振动抑制提供技术支撑,以实际航空发动机转子系统为对象,对其主体结构特征及其连接结构所引起的弯曲刚度非线性特征进行了论述,在此之上建立了其动力学模型。针对这种具有局部非线性刚度的复杂转子系统动力学模型,结合FFT和Broyden迭代方法发展了一种数值谐波平衡法,通过频域方程中的自由度缩减,降低了方程规模,大幅度提高了求解效率。将该方法应用于试验转子的动力特性求解,结果表明:本文方法相比经典数值积分方法可以节省10倍以上时间。采用此方法对涡扇发动机低压转子系统在局部非线性刚度下的动力响应规律进行了分析,论证了论文方法的工程适用性。     

一种用于微小推力冲量测量的扭摆系统参数标定方法

扭摆系统通常用来测量航天微推力器的微推力和微冲量。为了实现扭摆的系统参数精确标定,根据扭摆系统阶跃响应的特点,深入分析稳态扭转角和极值扭转角及其对应时间等特征点与系统参数的关系,提出了系统参数标定的比例回归法,所提出方法能够同时标定阻尼比、振动频率和扭转刚度系数等系统参数,计算分析简便,适合真空环境下的扭摆系统参数标定,有助于真空环境下航天微推力器的推力性能评价工作。实验表明:相对于传统数据处理方法,利用比例回归法估计的置信区间最大可缩小61%,可有效改善系数参数的标定结果。     

压缩比对金属橡胶结构和压缩力学性能影响

加工了具有相同尺寸和质量的多个金属橡胶,而各金属橡胶对应不同高度的毛坯,引入"压缩比"概念,即毛坯高度和模压后金属橡胶成品高度之比,分析压缩比对金属橡胶结构和力学特性的影响.准静态试验结果表明:压缩比会显著的影响金属橡胶的表观结构以及各向异性力学特性,压缩比较大,到达5~6时,金属橡胶表观的螺旋丝呈现有序的竖立堆积状,同时成型方向刚度偏小;而压缩为2时,成型方向刚度很大,非成型方向刚度相比于其余压缩比试件明显偏小.试验结果表明:在金属橡胶的加工和设计过程中,需要考虑压缩比对性能的影响.      

凝胶一甲基肼/四氧化二氮雾化特性试验研究

为了研究凝胶一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)的雾化特性,在单喷嘴矩形燃烧室内进行凝胶MMH/NTO喷雾燃烧过程的可视化试验研究。试验采用两股燃料撞击一股氧化剂(F-O-F)及两股氧化剂撞击一股燃料(O-F-O)的三股互击式喷嘴,试验时先关闭中间路推进剂,采用高速摄影观测了两侧推进剂90°自击雾化图像,随后观测了燃烧条件下凝胶MMH/NTO三股互击时液相推进剂的雾场阴影图像,通过图像处理,分析了喷嘴类型及射流速度对雾化锥角及破碎长度的影响。结果表明,凝胶NTO自击雾化时雾场以细小液滴为主,而凝胶MMH黏度较高,雾化较困难,自击雾化时雾场主要是液膜和液丝,故可推断燃烧条件下凝胶MMH/NTO液相推进剂雾场阴影图像里观察到液膜和液丝主要是凝胶MMH推进剂;与90°两股撞击喷嘴相比,F-O-F形式三股互击式喷嘴的能量利用率较低,采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化锥角小于凝胶MMH推进剂90°自击雾化;相对F-O-F形式三股互击式喷嘴,凝胶MMH/NTO采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时的雾化锥角更大,破碎长度更短,故采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO的雾化性能更优。     

航空发动机结构力学性能定量分析方法

为了对航空发动机的结构特征与力学特征之间的内在联系进行有效的定量分析,根据现代航空发动机结构功能特征,基于结构效率的概念及内涵,建立了结构力学性能的定量分析方法。针对典型高涵道比涡扇发动机的整机结构系统,通过建立适当的评估参数分析了结构抗变形能力和力学环境适应能力,并得到了结构效率系数。研究结果表明:与现有设计准则不同,采用该方法可以定量评估部件及整机结构设计水平或结构改进对航空发动机力学性能的综合收益,并能指出结构薄弱点,从而指导结构优化设计。     

利用共振吸声器改善飞机壁板的隔声量

 本文根据共振吸声器的吸声原理,设计了适合于螺旋浆推进的飞机舱壁板之间安装的小体积、低频共振吸声器。对单个共振吸声器的吸声系数进行了测量,理论和实验结果的一致性是令人满意的。在飞机壁板间安装了共振频率为85Hz和160Hz的混合共振器阵,使包含该频率的1/3频程内的隔声量分别提高了4dB和6.5dB,共振频率处的隔声量分别提高了5dB和7dB。