冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

基于结构和数据特征的V2500扇形板烧穿孔识别法

通过对V2500燃烧室扇形板结构以及烧伤、烧穿孔等损伤形式的分析,提出扇形板烧穿孔的结构特征识别途径和数据特征识别途径。利用该识别途径的排他性,提出基于结构和数据特征的V2500扇形板烧穿孔识别的评价方法,给出判断逻辑。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了航空复合材料加筋板压缩试验,得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及破坏模式.加筋板平均屈曲载荷和平均破坏载荷分别为587.5,968.25kN,后者是前者的1.65倍,表明加筋板在压缩载荷下存在较强的后屈曲承载能力,其破坏模式主要是筋条的脱黏、断裂以及壁板的撕裂,破坏位置通常在加筋板中部.应用有限元软件得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及后屈曲损伤过程,其中屈曲载荷、破坏载荷与试验结果较吻合,误差分别为-9.97%和8.45%,验证了有限元模型的有效性.研究了加筋板纤维和基体出现损伤的先后顺序,结果表明在后屈曲过程中加筋板纤维先于基体出现损伤,尤其是筋条中部纤维的损伤最为严重,加筋板破坏之前基体基本不存在损伤.      

膜片翻转过程中的偏心问题及改进方法

金属贮箱膜片翻转试验中出现的偏心问题,易造成气液掺混、推进剂泄露等严重后果.为解决膜片的偏心问题,数值计算膜片翻转过程,通过加入弹塑性本构模型引入了显著的数值偏心现象,膜片的最大偏心量约为60mm,且其偏心表现形式与试验中的偏心形式一致性好.提出了改变锥段高度与膜片厚度、环向加筋等方法解决偏心问题,得出了不同方法对数值偏心现象的改善结果.研究表明:增加膜片厚度改善偏心问题效果最好,但同时会显著提高膜片的屈曲载荷与结构质量;改变锥段高度方法次之,但最优锥段高度需根据膜片圆弧旋转段半径进行相应调整;环向加筋方法稍差,但通用性好,且不会显著提高结构质量.     

先进涡轮盘结构强度对比分析

为减小航空发动机涡轮盘应力,减轻质量,提高发动机推重比,介绍了3种先进涡轮盘,即纤维增强涡轮盘、双辐板涡轮盘和整体涡轮叶盘的结构特点和工艺难点,提出其未来的研制设想;应用有限元分析软件对传统涡轮盘与3种先进涡轮盘进行了强度对比分析和质量计算.结果表明:3种先进涡轮盘在强度和质量方面较传统涡轮盘具有优势,突破相应的关键技术后,可应用于未来高推重比发动机中.     

单相液体发汗冷却规律实验

以超燃冲压发动机内支板结构的热防护问题为背景,制备了全烧结金属多孔介质支板结构,并对以液态水为冷却工质的发汗冷却特性进行了实验研究.实验结果表明:液态水发汗冷却能有效地减少支板壁面和高温流体之间的换热,当注入率为2%时,冷却效率可以高达93%;随注入率增大,发汗冷却的冷却效率趋近于100%,增幅逐渐减小;在该实验所采用的两种不同主流温度条件下,相同注入率、相同位置的冷却效率近似相等.对发汗冷却的冷却剂停止供应后的支板表面温度热响应特性进行了初步研究,根据支板内液态水蒸发的过程分3个阶段进行了分析.      

碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹腔一体化稳焰性能研究

为了提高超燃冲压发动机中支板/凹腔组合构型燃烧效率,通过数值仿真对采用支板/凹腔四种组合构型的燃烧室流场进行了研究,重点分析了不同组合构型对煤油燃烧性能以及凹腔质量交换特性的影响。结果表明:带后缘支板不仅能够提高主流与凹腔的质量交换律,并且能够扩大支板后部低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高2.8%~5.8%;采用双凹腔构型与采用单凹腔构型相比虽然不能提高单个凹腔与主流的质量交换律,但是增大了燃烧室低速回流区及燃烧区域面积,从而使煤油燃烧效率提高了4.5%~8.8%;在相同来流工况下,不同支板/凹腔组合构型燃烧室的总压恢复系数相近,随着来流马赫数增大总压恢复系数随之下降。      

高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证

为了满足高推质比发动机的设计要求,采用渐进结构优化算法对传统涡轮盘进行了拓扑优化,确定了双辐板涡轮盘的结构形式.针对拓扑优化结果对双辐板涡轮盘进行了有限元分析和尺寸优化,使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘比传统涡轮盘的质量降低了23.6%.通过三维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性.      

板类约束阻尼结构的层间厚度参数优化

将梁结构剪切中性轴的概念推广至约束阻尼板结构中,提出了剪切中性面的概念.基于变形能原理,对板类约束阻尼结构的结构损耗因子进行层间厚度参数优化理论分析,并进行试验验证.结果表明,阻尼层较薄时,阻尼层厚度和约束层厚度的优化理论分析结果与试验数据变化趋势一致,表明了理论分析方法的合理性.     

层级优化技术与壁板结构优化研究

为了实现结构优化设计中形状、位置、尺寸等设计变量的解耦,在对现有优化理论及算法分析的基础上,介绍了广义层级优化技术的思路并分析了其优缺点,并基于广义层级优化的思想,提出了基于模型的狭义层级优化技术。对PCL语言参数化自动建模技术进行研究,并结合复杂加筋壁板类结构层级优化算例对狭义层级优化技术进行了验证,优化后减重效果明显。优化过程及结果表明层级优化技术可行,具有工程使用价值。