支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

基于改进型近场动力学方法的复合材料单向板变形与破坏分析

针对复合材料单向板的变形与破坏问题,采用经典的键型近场动力学(Peridynamics,PD)理论进行建模分析,利用基体键与纤维键描述单向板宏观各向异性,同时在基体键中引入反映长程力尺寸效应的核函数修正项改进近场动力学本构模型,构建相应的准静态数值求解体系。使用传统PD模型与改进型PD模型对单轴拉伸单向板变形进行定量计算,二者所得计算结果较理论解相对误差分别为3.5%和1.7%,表明改进型PD模型具有更高的定量计算精度。开展含不同角度中心裂纹单向板单轴拉伸破坏试验与数值模拟,二者所得单向板最终破坏形式与破坏特点均吻合,表明当前模型与方法能够有效处理单向板的破坏问题。最后对纤维角度为0°单向板的拉伸破坏过程展开模拟分析,结果表明单向板在前期主要出现基体开裂,当裂纹扩展至夹持区域后,结构出现纤维断裂,最终形成贯穿整个结构的断面导致单向板发生破坏。     

面向多级加筋壳的高效变保真度代理模型

多级加筋壳结构作为一种新颖的航空航天薄壁结构,具有轻质、高承载的优势。由于其加筋结构复杂,导致基于高保真度模型的多级加筋壳后屈曲分析耗时较长,提高其后屈曲分析及优化效率对于多级加筋壳快速设计具有重要的意义。变保真度模型在复杂工程问题的设计与优化过程中得到了广泛的应用,其通过桥函数连接高保真度模型和低保真度模型,具有预测精度高和计算成本低的优点。首先建立了多级加筋壳结构的高保真度模型和低保真度模型,并基于高斯过程回归构建了多级加筋壳结构的变保真度模型,然后基于变保真度模型的最大均方根误差方法开展自适应加点。结果表明,在达到同样的较高预测精度水平时,基于提出方法构建的变保真度模型比直接采用高保真度模型构建的代理模型节约了60%的计算成本,表现出优异的效率优势。同时,还探讨了不同类型低保真度模型对于多级加筋壳结构变保真度模型预测精度的影响。分析结果表明,对于多级加筋壳承载力评估这类典型的后屈曲问题,建立可捕捉后屈曲特性的低保真度模型能有效提升变保真度模型的精度。     

热压罐工艺帽型加筋壁板长桁胶接变形问题

采用"干长桁+湿蒙皮"共胶接工艺制造复合材料帽型加筋壁板零件时,发现长桁在胶接固化后普遍存在压塌式变形及胶接面胶层厚度不均匀的现象。为改善上述问题以实现复合材料帽型加筋壁板的高精度成型,通过试验件的制造和检测收集了长桁胶接前后的变形数据及胶接后的胶层厚度数据,分析了长桁在热压罐中胶接时的受力状态及导致长桁变形的主要原因,并采用有限元模拟对分析进行了验证。结果表明：帽型长桁在胶接后确实发生了压塌式变形,长桁胶接时帽顶R区的内外压力差及长桁缘条侧边加压不充分是导致变形的主要原因。将长桁缘条侧边倒成斜边或可减小这种变形的程度。     

节流孔板位置对空心阴极特性的影响研究

为满足全电推进系统的宽放电电流范围需求,开展了节流孔板内移研究。将传统结构空心阴极的一部分发射体转移到节流孔板下游,即节流孔板夹放在两段发射体之间。对比测试发现,新结构阴极的阳极电压大约降低4V,空心阴极的内压提升约50%,供气管外壁最大温差由原来的94℃下降到25℃,阳极电压振荡小于8V。进一步,利用光谱诊断系统,对阴极羽流区进行了研究。通过对羽流区等离子体固定位置进行全谱(400nm～1000nm)扫描,发现节流孔板内移之后,阴极羽流区新出现了波长为529nm和542nm的光线。利用Kura相机拍摄的羽流区二维等离子体分布图像显示,当放电电流为4A时,阴极羽流区的Xe和Xe+的密度低于传统结构空心阴极。宏观特性测试结果显示节流孔板内置式阴极可以在更宽的电流范围内维持点模式工作。可用于需要宽放电电流范围的全电推进系统以及需要低阴极供气流量、高比冲的小型电推进平台。     

双气路内并联进气系统模态转换过程数值研究及验证

为了探究双气路内并联进气系统固定马赫数下模态转换过程中的分流板调节策略,利用数值计算与地面试验验证相结合的方法,研究了Ma3.5条件下双气路进气系统在典型分流板位置的流场干涉机制,获得了不同出口反压条件下双气路进气系统的总体性能和流场变化规律。研究结果表明：分流板高度调节影响高低速气路的总体性能,为避免高低速气路之间的流动干扰,引起流量剧烈变化,模态转换过程中提供推力气路的正激波应不被推出分流板前缘;数值预测的密度梯度与试验纹影预测的波系结构高度吻合,数值计算结果表明高低速气路出口反压比变化直接影响分流板附近高低速气路的波系结构,二元喉道段的流场具有明显的三维分布特征;采用抽吸孔和泄流缝的流场控制措施有效提高进气系统的起动性能,分流板相对高度0.702条件下进气系统抗出口反压比能力从28提升到32;采用双S弯扩压器设计,低速气路临界反压比条件下的出口平均马赫数和总压畸变度控制在0.3和0.09以下。     

时频分析在超声导波信号分析中的应用

超声导波信号是一种非平稳信号,存在频散现象,利用传统的时域和频域分析方法不能揭示其频谱随时间变化的特点.为了解决这一问题,研究了导波信号的非平稳特征,介绍了短时傅里叶变换(STFT,Short-Time Fourier Transform)时频分析原理,分别对铝板试样和蜂窝板试样内传播的导波信号进行了STFT和时频谱分析,得出了铝板内导波信号中各频率成分随时间的变化情况,分析出导波信号的模式转换现象,比较精确地计算了导波的群速度;对于蜂窝板内的导波信号,由于能量泄露比较严重,当激励频率为1.5MHz时,A0模式只能近距离传播,这就使得采用STFT不能很好地进行模式识别.研究结果表明,当导波传播距离较远时,利用STFT可以对其信号进行动态的频谱分析和模式识别,并可对实际的群速度进行较精确的测量.     

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力。就此问题,进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术（VCCT,Virtual Crack Closure Technology）模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析。通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力。     

T300/QY8911单向板湿热性能模拟与损伤分析

测试了不同湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,建立了湿热条件下复合材料单向板的弯曲有限元模型,模拟了湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,开发了复合材料损伤演化仿真模块,对湿热条件下T300/QY8911单向板弯曲损伤演化过程进行了仿真.结果表明:湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲模量具有较高的保持率,弯曲强度随湿热条件的变化差异较大,模量和强度的模拟结果与试验值的误差分别小于6%和2%,建立的弯曲有限元模型,能够比较准确地预测不同湿热条件下复合材料单向板的弯曲性能.     

板壳组合结构在随机面分布力作用下的响应分析与验证

本文用MSC／NASTRAN软件完成了板壳组合结构在随机面分布力作用下的响应分析研究,并与实验结果作了比较。在确定载荷、建立动力计算模型和模态阻尼比取值等方面进行了较详细的研究,得到了令人满意的结果：典型点加速度响应均方根值的计算结果与实验结果相近,误差低于15％。