金属激光增材制造过程数值模拟

金属激光增材制造过程中,热应力导致零件发生形变;气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能;熔池内的凝固微观组织,尤其是柱状晶等轴晶转变(Columnar to Equiaxed Transition,CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个方面,回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史,对其研究现状和存在问题进行了评述,阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法,包括热应力分析的有限元(Finite Element Method,FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),以及凝固微观组织模拟的相场法(Phase Field,PF)和元胞自动机方法(Cellular Automaton,CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。     

搅拌摩擦焊技术在弹箭体贮箱锁底环缝上的应用

明确了搅拌摩擦焊技术应用于贮箱锁底环缝需要解决的关键问题。首先对熔焊锁底接头结构进行了搅拌摩擦焊工艺适应性设计,取消了背部焊漏槽和正面焊接坡口。结果表明:当叉形环位于焊缝前进侧,搅拌针长度与短壳板材厚度相当时锁底接头力学性能最优。锁底接头超声相控阵分析结果表明:存在于装配界面与焊核交界处的信号显示可以不当作缺陷信号判读。提出了采用立式帽装方式实现锁底环缝的装配焊接方案,并研制了可以保证锁底环缝装配间隙、错边、环缝平面度、贴合度以及叉形环大端周长的成套工装。实现了搅拌摩擦焊技术在Φ3 350 mm贮箱锁底环缝上的工程化应用,无损检测结果、形位尺寸符合设计要求。     

基于弯曲叶片的燃气涡轮导叶数值研究

采用三维数值方法,对小展弦比、考虑冷却的燃气涡轮弯曲导叶进行了三维流场模拟,通过对比分析不同的叶片弯曲方案,以探讨叶片弯曲控制二次流动、减小损失的机理。结果表明,由于导叶的径向二次流影响范围较小,正弯设计对叶栅气动性能的改善效果优于反弯;正弯设计能有效降低上端区的损失,最大降幅接近5%,而正弯和反弯设计都对下端区流动和损失影响较小。采用正弯设计后叶片吸力面的冷却效果变化不大,但显著降低了压力面的冷却效果,使得高温区域增加。     

点火参数对煤油活塞发动机燃烧影响的数值模拟

为了了解点火参数对某2冲程航空活塞煤油发动机燃烧及温度场的影响,利用GT-Power和Fire软件对该发动机整机及燃烧室分别建立了仿真模型,选取扭矩、功率以及缸压数据验证了该模型的正确性,并对发动机在6000 r/min、全负荷工况下的燃烧和温度场分布等特性进行分析.结果表明:当点火时刻由335°CA变化至331°CA时,缸内混合气燃烧放热量增多,放热率峰值增大,放热率峰值对应曲轴转角的提前量变大,燃烧放热速率加快,混合气温度和压力上升变快,高温区范围增大;当点火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ时,双火花塞附近的温度升高,火花塞点火产生的火核尺寸增大,缸内燃烧温度与压力升高,燃烧放热速率加快,缸内高温区分布范围增大.     

攻击角度约束下打击机动目标的制导律

针对某些导弹要求限制末端攻击角度的作战要求,基于滑模变结构控制理论,面向机动目标,设计了一种同时满足脱靶量和攻击角度约束要求的制导律.采用自适应滑模趋近律,并将目标机动视为干扰,利用线性变结构制导律推导出目标加速度的估计方程,并通过仿真证实了其有效性.所设计的制导律形式简单、实用.仿真结果表明,该制导律能够以期望的攻击角度命中目标,并对所提出制导律的性能进行了分析,具有一定的工程应用价值.     

旋转状态下方形通道内部流场特性热线实验

为了解决旋转条件下热线技术应用问题并且在此基础上精确测量旋转方形通道内部流场特性,搭建了用于旋转通道流场测试实验平台,采用了两种连线方式对热线进行了标定实验,获得了热线测量旋转通道内部平均速度的相对误差为±6%,对雷诺数和旋转数范围分别是5000~10000和0~0.222的旋转通道流场进行了测量,结果表明:旋转导致速度型整体向后缘面（Y/D=-0.5）偏转,X/D和旋转数越大,速度型偏转越明显;旋转数为0.222时,后缘面附近边界层速度型出现了一个拐点,可能与由哥氏力不稳定性引起的二次流有关.      

基于起飞分析的机场障碍物评估软件的设计

机场障碍物主要影响起飞越障限制重量和起飞安全,同时机场障碍物评估是航空公司性能工程师日常主要计算工作。针对机场起飞航径区内的所有障碍物,按照CCAR121部的规定,建立民用机场障碍物信息数据库,利用编程语言设计障碍物评估软件,识别附近的障碍物是否为重要障碍物,同时将重要障碍物信息自动转换为飞机性能软件对应的输入接口文件,便于后续的起飞越障计算,可以快速提高性能工程师的计算效率。     

基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

涡轮叶顶间隙自适应控制的研究

为了达到减小涡轮叶片叶顶间隙泄露的目的,应用数值模拟并辅之试验的方法对叶顶间隙泄漏流动形成机理、涡轮自适应叶顶喷气控制机理及其对间隙流动的控制作用进行了研究。在此基础上,着重研究了进口位置、出口位置、喷气孔直径等自适应叶顶喷气孔参数以及叶顶间隙大小,对叶顶喷气效果的影响规律。结果表明:自适应叶顶喷气孔进口位置对叶顶喷气性能影响不大;出口位置在叶顶中部,靠近压力面时,叶顶喷气效果最佳;喷气孔直径为2mm(d/H=4.8%相对叶高)时效果较好;叶顶间隙越大,叶顶喷气效果越差,当间隙取到2mm(t/H=4.8%相对叶高)时,叶顶喷气已经失去控制间隙泄漏的作用了。     

采用近似边界求解壁板颤振的CBS有限元算法

为了简化Euler方程求解壁板颤振问题,将近似边界条件成功地推广到CBS(characteristic-based split)有限元方法求解壁板颤振领域,把运动壁面的影响转化为Euler方程的边界条件,避免了对动网格的处理.通过对近似边界方法、动网格方法以及3阶活塞理论的数值模拟结果进行对比发现:首先,加载近似边界的CBS有限元方法操作非常简便,且模拟结果与动网格方法完全吻合;其次,Euler方程可以准确捕捉到壁板前后两端不光滑尖点所引起的压力突跳,而3阶活塞理论则无法做到;最后,采用近似边界的CBS有限元方法在求解无黏可压缩流动中细长体小变形的流-固耦合问题上具有潜力和优势.