先进战斗机强度设计技术发展与实践

新一代先进战斗机对机体平台的要求可以总结为轻重量、长寿命、多功能以及高承载。实现这个目标,除了材料与制造（新材料、新工艺、新结构/装配）的贡献,主机所强度设计/分析/验证技术也必须提升以适应先进战斗机的研制要求。本文阐述了强度设计团队围绕结构完整性要求,近年来在结构强度设计/分析/验证方面的研究成果、技术发展与设计实践,主要包括：面向新一代战斗机强度设计与验证的规范架构,基于多维包线的结构载荷筛选技术,基于统一模型的全机内力分析技术,复合材料整体化结构分析技术,高精度快速细节应力分析技术,内埋武器舱预紧舱门原理与强度设计,双曲面加筋壁板快速建模及声疲劳分析方法,结构故障预测与健康管理系统设计等。上述研究成果已成功应用于新一代战斗机机体平台研制。     

一种改进的声反卷积相关声源定位方法

基于传声器阵列的声源定位算法的性能优劣决定了气动噪声试验检测中气动噪声源定位成像的准确性。为了提高相关声源定位方法的稳健性和准确性,提出一种改进的声反卷积相关声源定位方法——D-MACS（Developed-Mapping of Acoustic Correlated Sources）方法。该方法的特点是：在传统MACS方法的基础上,将声反卷积模型进行改进,使模型体现出声场空间扫描点声压互谱矩阵与互谱波束形成输出矩阵之间的数学关系,其最终获得的声源定位结果,能够提高MACS方法声源定位辨识的稳健性和准确性。通过仿真信号研究和声学风洞环境中的声源定位试验研究,比较了DAS（Delay And Sum beamformming）、DAMAS-C（Deconvolution Approach for the Mapping of Acoustic Correlated Sources）、MACS和D-MACS这4种方法的声源定位性能,验证了D-MACS方法在声源定位性能上的优势。     

压电陶瓷短圆柱耦合振动的研究

 压电陶瓷圆柱振子的振动问题,由于厚向振动和径向振动之间的耦合作用,使问题变得非常复杂。迄今为止,许多研究者在这方面所做的工作,大体上可分为两类:一类是从各向同性圆柱体振动的近似解出发,求解压电陶瓷圆柱振子的振动问题;另一类是从压电陶瓷圆柱振子的压电本构方程组和运动方程组出发,利用数学上的伴随算子法计算其数值解。这两种方法不仅运算过程都相当复杂,而且都不能直观地反映出压电振子的物理参数的影响。     

超声速燃烧不稳定性研究进展

对超声速燃烧不稳定性这一新兴领域的研究进行了综合评述,并对未来研究进行了展望。首先分析了超声速燃烧不稳定性现象的基本特性及其影响因素;随后讨论了超声速燃烧不稳定性的多种机理;接着概括了基于上述机理的超声速燃烧不稳定性建模;最后对超声速燃烧不稳定性还需重点研究的方向给出建议。综述表明,超声速燃烧不稳定性的现象、机理和建模都还需持续开展研究,特别需要关注的是燃烧室构型布局和燃料喷注方式对超燃冲压发动机燃烧不稳定性现象的影响,在超声速混合层和射流等典型流动中更深入探索超声速燃烧不稳定性机理,基于超声速燃烧系统的湍流时空演化特性进一步发展超声速燃烧不稳定性模型。     

小卫星声-振联合试验耦合响应分析及预估

卫星在主动段承受发动机脉动推力和气动噪声激励复合作用下的振动环境。以整星模型为试验对象,分别开展了卫星的振动台随机振动试验、噪声试验和声-振联合试验。对3组试验结果的对比分析发现,声-振联合试验中,基础激励和噪声激励对不同结构处响应在低频段和中高频段具有不同的影响规律。在此基础上,提出了一种工程应用方法,即用振动台试验和噪声试验的响应极值包络法以及线性叠加法以预示声-振联合试验的响应。     

声激励增升机理研究

提供了内部声激励增升机理的试验及数值研究结果,风洞试验就二元后台阶模型、平板、ＮＡＣＡ００１２翼型分别在两座不同的低速风洞中完成,试验和数值研究表明内部声激励能有效控制模型表面气流分离,有明显的增升效果,并从试验和数值计算两方面对声激励增升机理进行了较深入的探讨。     

分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究

为了适应逐年严苛的适航噪声标准,改善飞机噪声环境,突破航空发动机降噪技术的瓶颈,有必要开发新的降噪手段以指导叶轮机械降噪设计。本文采用URANS与FW-H方程混合方法,通过将波浪前缘构型运用在叶片流动损失较大、声源强度较强的部分后,进一步观察其气动性能和降噪效果。研究表明：与基准叶片相比,分布式波浪前缘静子叶片可以在1BPF（Blade Passing Frequency）时降低风扇入口声功率级0.67~1.9dB,2BPF时降低风扇入口声功率级1.87~4.18dB,3BPF时降低风扇入口声功率级2.4~6.8dB,同时,总压比最高提升0.027%,等熵效率最高提升0.28%。因此,分布式波浪前缘静子叶片在叶轮机械降噪方面有很好的运用前景。     

飞机噪声技术研究——工程解决方法

 飞机噪声存在的3个问题：①机舱的噪声振动控制;②机场的噪声干扰;③某些部位的抗声疲劳设计。针对以上问题,综述了北京强度环境研究所进行过的飞行器噪声课题的研究工作,提出了大型飞机噪声问题的工程解决方法,包括：噪声载荷谱的确定;喷气噪声和客机机舱的噪声振动控制;声疲劳设计。研究了超声速喷流的相似准则,用热流缩比模型试验测定火箭的发射噪声载荷达到同样精度;对于飞机来说,实测比风洞测量更方便、更经济,实测气动噪声主要的困难是如何测量到真实的气动噪声,传声器的安装方法、飞行器表面的静压变化等;喷流噪声控制方法是冷空气缩比模型试验,介绍了冷空气缩比模型试验的原理和方法;论述了在结构的疲劳强度试验中必须采用统计分析方法的原理。从多方面论述了大型飞机噪声课题的研究,对于飞机的安全性、经济性、舒适性都是很重要的课题,对于发展中国大型飞机工程有很重要的现实意义。     

热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

加载速率对复合材料拉伸力学性能影响研究

复合材料结构在特殊载荷作用下表现出不同的力学承载性能,这一因素将对其在不同速度载荷作用下的力学性能造成一定的影响,了解并研究复合材料结构在不同加载速率作用下的力学性能及内部缺陷和损伤演化规律,对于正确评估其承载性能具有现实意义。对同批次玻璃纤维编织复合材料试件进行三种加载速率作用下的拉伸力学性能试验,通过研究复合材料试件承载性能、损伤状态与加载速率的关系,分析了内部损伤演化对承载能力的影响。采用声发射技术监测复合材料试件损伤过程,分析了声发射信号能量与加载速率的关系,同时从声发射波形历程和破坏时声发射信号特征角度分析了玻璃纤维编织复合材料损伤演化规律。结果表明,随加载速率的增加试件抗拉强度增大;加载速率高低影响复合材料内部损伤的扩展行为,在较低的加载速度下,内部损伤有较长的时间进行充分扩展,从而使复合材料结构的完整性降低,表现为破坏时的部分结构承载;在较高的加载速率下,内部损伤扩展不均匀,反而保持了复合材料结构的相对完整性,表现为较高的拉伸强度。