航空发动机吞冰损伤一体化数值模拟平台搭建与验证

为了给航空发动机在进气条件下的吞冰损伤物理试验提供多方案快速优化的数值参考,建立了航空发动机叶片吞冰损 伤快速分析的数值模拟方法和流程,并形成了1套软件系统。该系统通过研究发动机进气吞冰过程中冰体6自由度运动姿态和轨 迹的流场快速模拟方法,建立了吞冰流场的数值仿真模型;通过冰体的本构模型及冰体撞击叶片损伤效应的系统研究,准确建立 了叶片损伤模型;将吞冰流场计算和冰撞击过程计算进行了一体化耦合,形成了航空发动机叶片吞冰损伤的快速分析软件系统, 建立了冰块运动姿态、冰块撞击叶片破碎过程及轨迹预测的一体化仿真流程。结果表明：数值计算方法能够有效预测冰块运动轨 迹和撞击变形量,变形量误差不大于8%;该软件系统有效地解决了吞冰损伤复杂过程有限元模型的自动生成问题,极大地提高了 分析效率,可有效节约试验成本、提高试验效率。     

基于风险评估的航空发动机设计质量控制点设置方法研究

基于风险评估技术,研究了航空发动机设计过程质量控制点的设置方法。将每项设计工作的失效视为一个风险源,根据制定的具体化风险准则确定其后果严重性、发生可能性以及风险等级大小,在设计过程中设置不同层次的质量控制点。结合航空发动机方案阶段的设计流程,采用该方法进行分析,表明了将风险评估技术应用于设计质量控制点设置或优化的可行性和有效性。     

基于光纤光栅变形光谱的疲劳裂纹扩展监测方法

为研究金属疲劳裂纹扩展的在线监测技术,基于改进传输矩阵的光谱模拟方法,建立反映光纤布拉格光栅（FBG）光谱变形机理的裂纹扩展在线监测方法。研制了疲劳裂纹扩展在线监测系统平台,提出基于平移不变量小波法的试验光谱去噪方法,解决试验光谱信号中非连续与快速变化点难以平滑的问题;提出仅与裂纹扩展状态相关的FBG光谱面积参数,克服了光谱中心波长、光谱带宽等传统特征参数仅适用于恒定外载与恒定温度或对裂纹不敏感的局限性,给出基于光谱面积曲线拐点的裂纹扩展状态判定依据。     

压气机效率计算方法的探讨

在航空发动机的各设计和试验环节,压气机效率的准确定义对正确评价压气机性能和发动机热力学设计有着重要影响。明确了压气机效率的基本定义,指出了等熵效率和多变效率的评价方法及特点。归纳了目前设计、试验中压气机等熵效率的各类计算公式,并针对三种温升效率的计算方法开展了有效性和适用范围探讨,分析了试验中温升效率和扭矩效率测量精度的影响因素。推导了考虑级间引气的效率定义公式,并利用该公式评估引气对压气机效率计算结果的影响。     

临界流文丘里喷嘴在高空模拟试车台中的应用分析

为精确测量航空发动机高空试验低雷诺数进气条件下的空气流量,减小进气导管气流附面层影响,弱化空气流量测量与被试发动机的相关性,采用数值仿真方法分析了单个临界流文丘里喷嘴(CFVN)的工作特性,阐述了组合临界流文丘里喷嘴(ACFVN)空气流量计算方法。设计了适用于高空模拟试验设备(ASTF)的ACFVN结构,并对其气动工作特性进行了仿真分析,获得了ACFVN在ASTF上的设计和应用方法。研究成果对待建高空模拟试验设备完成ACFVN设计及后续在ASTF上的实施奠定了基础。     

S?NGER Ⅱ高超声速计划推进系统综述

介绍了世界上首次针对涡轮冲压组合循环动力开展深入论证和试验的德国桑格尔(S?NGER Ⅱ)高超声速计划。详细阐述了S?NGER Ⅱ空间运输系统的总体设计、两级入轨推进系统方案的关键技术及其验证、飞发一体化、热管理系统和二动力系统。尽管因各种原因,S?NGER Ⅱ高超声速计划未能成功现实,但借助该计划研发了大量的先进技术,且在高超声速飞行器设计方案、分析方法、试验验证等方面都取得了宝贵的经验,可为我国组合动力及其他高超声速工程研制提供参考。     

CNT树脂基复合材料断裂韧性的优化设计

与碳纤维相比,碳纳米管（CNT）具有更高的力学性能和更低的密度,是理想的树脂基复合材料增强相,在航空航天领域具有广阔应用前景。提出一套CNT树脂基复合材料单边缺口弯曲（SENB）试件制备工艺以及微纳观结构和参数的测量方法。采用不同长度的多壁碳纳米管和不同时长的臭氧处理,制备出SENB试件进行断裂韧性实验,定量分析微纳观参数界面长度和C—C键密度对宏观断裂韧性的影响,提出断裂韧性优化方案。研究结果表明：界面C—C键密度和臭氧处理时间呈线性关系;相对增韧率随着臭氧处理时间先大幅增加后大幅下降,即存在临界界面C—C键密度使得复合材料的相对增韧率最大;弱界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后略微下降;强界面的相对增韧率随着界面长度先大幅增加后大幅下降;当断面的CNT拔出和拔断的占比相近（即复合材料失效形式从CNT拔出转变为拔断）时断裂韧性最大。     

失谐叶栅的受迫振动响应特性分析

采用基于计算流体力学(CFD)方法的降阶气动力模型并耦合结构运动方程,实现了存在外激励载荷时失谐叶栅受迫振动响应的快速分析。针对典型的跨声速叶栅,通过求解其位移响应幅值较系统地研究了失谐方式、失谐强度和叶片质量比对失谐叶栅受迫振动响应幅值的影响。研究表明文中刚度失谐形式可以改善叶栅振动的稳定性,同时导致系统受迫振动响应局部化程度的增加,并且受迫响应的最大振幅放大因子随失谐强度增加或者质量比降低存在先增大后减小的一个峰值,不同失谐形式则对这个峰值的大小有着明显的影响。由于该方法可高效地分析失谐叶栅受迫振动各参数对模态局部化的影响,在工程上有一定的应用价值。     

基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究

针对高空台飞行环境模拟系统的温度和压力在整个工作包线内的鲁棒性能控制问题,提出了一种基于LMI极点配置的PI增益调度控制设计方法。在考虑变比热容腔微分方程、管道热传导、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益对飞行环境模拟系统造成的建模不确定性的基础上,建立了完整、准确的飞行环境模拟系统非线性模型;对非线性模型进行了线性化,并根据线性模型推导了基于LMI极点配置的PI控制器设计算法;在飞行环境模拟系统的工作包线内选取了36个稳态点设计了基于LMI极点配置的PI增益调度控制器;设计了两种飞行环境模拟试验来验证设计的PI增益调度控制器的鲁棒性能。仿真结果表明,飞行环境模拟系统温度的稳态误差和动态误差均小于0.1%,压力的稳态误差小于0.5%,动态误差小于0.7%。     

碰摩引起的双转子系统弯扭耦合振动数值仿真

针对共腔结构的航空发动机双转子系统单点碰摩和局部碰摩引起的弯扭耦合振动问题,建立了含碰摩力、不平衡力、转 速控制力矩的弯扭耦合动力学模型。采用4阶龙格-库塔法进行数值仿真分析,结合时域图、频域图、轴心轨迹图分析了转盘偏心 距、碰摩刚度等参数变化以及碰摩类型、转速控制时延等对双转子系统弯扭耦合振动特性的影响。结果表明：偏心距和碰摩刚度 的增大,会加剧碰摩,其特征频率的最大幅值分别增大了0.1×10-4 m和4×10-4 m左右;局部碰摩的振动响应要比单点碰摩的更加剧 烈,其特征频率的幅值更大,特征频率的成分也更复杂;转速控制时延会使系统振动不稳定,且延迟时间越长,系统振动越不稳定。 在航空发动机设计时应当充分考虑转速控制时延的影响。