多学科设计优化方法在飞机设计中的应用研究

多学科设计优化(MDO)方法是提高飞机设计效率,得到最优设计方案的有效手段。在飞机设计过程中,需要确保飞机静安定裕度满足使用要求,因此需要充分考虑总体、气动等学科专业的耦合效应。针对这一问题,基于MDO软件Modelcenter构建飞机外形多学科优化协同设计流程,通过对某型飞机外形优化设计的实例分析,得到该机的最优外形修改方案,证明了MDO方法在飞机设计中应用的高效性。     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

再燃室布局对基于固体火箭引射式发动机性能影响研究

为了降低靶机的生产成本,提高靶机发动机的推重比,建立了基于固体火箭引射式组合发动机模型,其结构包括固体火箭与再燃室,两者之间的布局可分为固体火箭内置式和固体火箭外置式,为了优化发动机布局结构,采用再燃室定量加热方法模拟发动机工作过程,分别对内置式及外置式布局发动机进行了数值计算。计算结果表明:在相同的入口引射面积条件下,随着加热量的增加,内、外置式发动机引射效率都降低,内置式布局发动机推力基本不变,外置式布局发动机推力逐渐增大,具有较高的推力及推力增益(最高达到39.3%);由此可知,外置式发动机具有更好的推力性能。为了进一步优化外置式布局发动机,分别计算了引射口尺寸L与固体火箭出口直径D之比(L/D)为1/6,2/6,3/6,4/6,5/6,6/6的六种工况。结果表明:随着L/D从1/6增大到6/6,引射效率、推力及推力增益呈现先增大后减小的趋势,在L/D为4/6时,发动机引射效率和推力达到最大,此时发动机性能最优。     

等增益比燃油计量活门型孔设计计算

为解决普通方形、圆形、三角形等燃油计量活门型孔流量增益比变化大的问题,提出了一种等流量增益比的燃油计量活门型孔设计思路。通过理论计算得到了等增益比活门型孔曲线函数的基本形式和详细设计计算方法,并进行了举例计算。流量增益比与计量活门开度扰动量的比值为定值,两者呈正比关系,活门开度扰动量越小,流量增益比越小,即计量精度越高。与方形型孔进行了对比分析,详细说明了等增益比型孔在小流量状态下,增益小抗干扰能力强的优点,并且通过组合型孔设计,避免了等增益比活门型孔大流量状态下的增益过大问题。      

电动伺服机构永磁同步电机的自抗扰控制

针对运载火箭电动伺服机构谐振频率过低,而传统陷波滤波器算法会降低系统的快速性问题,提出了一种基于自抗扰控制（ADRC）的微分前馈控制算法。在开环等效增益相近的情况下,比较了系统在传统PID控制和一阶ADRC控制方式下的阶跃响应和抗扰性能;对输入正弦指令的情况,比较了系统在比例+扩张状态观测器（ESO）和有限时间比例（FTP）+ESO这两种控制方式下有无输入微分前馈（IDF）的跟踪性能。仿真和实验结果均表明,在常规ADRC中引入IDF,可有效提高电动伺服机构对时变输入的跟踪精度。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

高空台进气控制系统压力PI增益调度控制研究

针对高空台进气控制系统压力在整个工作范围内的精确控制问题,提出了一种基于高空台进气系统压力的PI增益调度控制设计方法,基于管道热流动力学理论提出了一种变比热的管道容腔建模方法,相对于定比热建模方法能够减少建模存在的不确定性问题。在考虑变比热的管道容腔、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益等对进气系统造成的建模不确定性的基础上,建立了完整、准确的高空台进气系统模型;在进气系统工作范围内采用24个稳态点小偏差范围内设计的最优PI控制器作为大范围过渡态工作的基底进行控制增益调度。数字仿真表明,采用这一方法一致性好,性能明显地优于传统PI控制方法;半物理仿真进一步验证了本文提出设计方法的有效性,稳态误差不大于0.1%。     

永磁同步电机滑模调速系统新型趋近律控制

基于传统指数趋近律的滑模控制(SMC)系统在永磁同步电机(PMSM)调速系统中应用广泛。但是该算法在SMC系统做趋近运动时,存在明显抖振,控制精度无法应对复杂情况。为了抑制系统抖振,提高PMSM调速系统的动态和稳态性能,在传统指数趋近律的基础上引入加权积分型增益,提出了一种新型趋近律。加权积分型增益的引入使系统在滑动模态阶段滑模面函数和积分结果可以同步趋近于零,从而有效抑制系统抖振。依照所提出的新型趋近律,设计了速度控制器,并应用到PMSM矢量控制系统中。分别利用软件仿真和硬件试验与传统指数趋近律控制进行了比较,验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

一种槽道式处理机匣设计及实验验证

对实壁机匣的实验转子进行了定常雷诺平均N-S方程(RANS)模拟,考察了实验转子叶尖端区流动状况,并基于转子叶尖端区在设计状态和近失速状态下的若干主要流动特征设计了一个带气室的轴向斜槽式处理机匣.在高速压气机试验台上对处理机匣的性能测量结果表明,设计的处理机匣有很好的扩稳效果,效率损失也可接受.这说明通过对实壁机匣的转子其流动结构的分析和把握、进而完成处理机匣的设计在一定程度上有可行性.      

引射器轴向位置对PDE的性能影响实验

根据脉冲爆震发动机(PDE)工作特点为其设计了6组不同结构的圆柱型引射器,并针对各种结构引射器,采用力传感器法对不同轴向位置处引射器的增推性能进行了实验研究,实验采用汽油为燃料,空气为氧化剂。实验结果发现,轴向位置对引射器的增推性能有非常明显的影响,当引射器入口正好位于脉冲爆震发动机出口处(0点)或位于下游1/2倍脉冲爆震发动机直径处时,系统会出现一个至少高于35%的推力增益点,但是当引射器入口从该点继续远离发动机出口位置时,推力将会急剧地下降;当引射器从0点逐渐向上游移动时,引射器的推力增益呈先下降后上升再下降的趋势,最高推力增益可达80.5%。