动力涡轮转子结构系统力学特性稳健设计方法

航空涡轴/涡桨发动机动力涡轮转子是典型多支点支承、具有连接界面、质量/刚度分布不均匀的高速柔性转子系统,其连接结构力学特性和支承刚度的分散性可导致转子系统动力特性恶化。针对典型动力涡轮转子结构系统,指出不可恢复滑移、疲劳、摩擦等连接界面接触损伤是连接结构力学特性产生分散性的内在原因,提出了接触状态系数、接触应力、不可恢复变形能和接触摩擦功等工程适用的定量评估参数。通过对多支点柔性转子-支承系统临界转速分布及其对各支点支承刚度敏感度的影响规律分析,提出了基于支承刚度低敏感区择优的动力特性稳健设计方法,所提方法提高了转子结构系统的稳健性。      

阶梯波合成整流器及其调制策略

提出了基于阶梯波合成结构的整流器,具有开关频率低、谐波含量小、滤波器体积小、输入功率因数和输出电压可控等优点,非常适合大功率应用场合.详细介绍了其工作原理.分析了输出电压调节方法,并提出采用具有特殊采样时序的错时采样空间矢量调制方法对其进行PWM调节,既保留了阶梯波合成技术的消谐波能力又使得交流侧合成电压的相位和幅值可调,以便于实现输入单位功率因数和输出直流电压的调节,最后通过实验验证了该阶梯波合成整流器的可行性.     

阶跃热流冲击加热半无限体动态热应力分析

考虑超快速加热引起传热过程的非傅立叶效应，建立了第二类边界条件下的半无限体的动态热流场，热应力场方程组。用拉普拉斯变换法对方程组进行求解。结果表明，快速加速在半无限体内产生一个热波和两种热应力波。热波通过之时引起当地温度突然升高。应力波的波前通过之时该处应力突然增加；并对热波和弹性膨胀波波速比率对半无限体动态应力的影响作了研究分析。     

飞行器板结构中Lamb波解析建模研究

通过理论分析,计算得到特定条件下的板结构中Lamb波的解析解和理论波形,从而为机遇Lamb波的飞行器结构健康监测工作提供坚实的基础.基于对金属板结构的空间-波数域弹性力学分析和压电材料传感器的力电耦合场分析,得到了金属板中Lamb波传播的一般解析解.基于此解析解,可以得到Lamb波传播的理论波形建模结果.为了验证这一解析建模结果,进行了金属板结构中的Lamb波传播实验,通过对比实验结果与建模结果,证明了这一解析建模结果的准确性.     

圆弧激波缓聚点火及后续燃烧传播

采用激波管实验和准一维数值模拟的方法,对预混可燃气体中圆弧汇聚激波的自点火现象及后续燃烧波的传播特性进行研究。其中圆弧汇聚激波由平面运动激波通过精确设计的弧形过渡管段转变得到。研究表明:收缩段中圆弧汇聚激波波后的非均匀梯度环境由激波在平直段、弧形过渡段和扇形收缩段中传播所分别诱导的3个梯度区共同构成。随着圆弧汇聚激波的不断增强,圆弧激波后某处首先形成一个无激波的温和反应区。该反应区逆流锋面的初期运动速度远超Chapman-Jouguet（CJ）爆轰波速,而反应产物区流动则呈现出一定弱爆轰波特征。进一步分析发现,该反应锋面本质上是一种"自发反应波"（spontaneous reaction wave）,而非常规意义上的动力学波,其速度与汇聚激波波后气流点火时间梯度的倒数吻合。而后,反应区的扩张速度很快降至CJ爆轰波速以下,伴随反应锋面附近激波的产生以及激波-火焰复合结构的形成。激波-火焰结构最终加速演变为反向传播的爆轰波。在一定的条件下,由于入射激波转变过程和汇聚所构造的特定点火环境,自发反应波可再次赶超爆轰波,成为新的燃烧波前;而当自发反应波速度再次低于CJ爆轰波速时,它将再次转变为爆轰波;在此过程中,原先的爆轰波阵面蜕变为反应产物中传播的激波。     

基于行波与模态的混合方法对Timoshenko梁进行振动主动控制

 基于Timoshenko梁理论,采用波控制和独立模态空间混合方法,对悬臂梁的振动控制问题进行研究。采用波控制方法实现对Timoshenko梁结构的一点或多点的横向位移的振动控制。首先,基于结构的整体运动,采用模态坐标控制方法,对结构振动进行整体控制设计。而后,基于结构的局部性质,采用波方法吸收结构振动中的高频能量并求出Timoshenko梁中波的反射因数和透射因数。理论上研究了单位力扰动下的悬臂梁的振动。考虑的具体方法是将PD反馈波控制与基于极点配置法设计的模态控制相结合。最后给出数值结果。     

航空发动机双转子系统的拍振分析

 在双转子航空发动机中,由于转子系统不可避免地存在不平衡量,当两个转子的转速比较接近时,发动机会出现拍振现象,拍振将引起振动强度过大问题。对双转子系统的拍振进行了研究,分析了拍振的周期性、信号强度及其反向转子特性,阐明了拍振产生的机理和特征,并采用数值仿真和试验对拍振进行了定量分析和验证。研究表明,拍振与双转子转速差和不平衡量的相位因素有关,当转速差小于工作转速的20%时,双转子系统拍振信号的强度较大。     

密封汽流激振下转子动力特性的时域分析

针对汽轮机转子偏心导致的汽流激振问题和静偏心模型在转子动力特性研究中的缺陷,采用动网格技术模拟转子真实的三维涡动,在时域上对转子的动力特性进行研究。结果表明:转子涡动时,汽流激振力及其动力系数在时域上随位移呈三角函数变化,且径向力的方向随转子中心位置的变化发生改变。偏心率、涡动速度、自转速度和压比均影响转子动力特性。额定工况下,偏心率每增加10%,径向力与切向力平均增加约25~35 N。随着涡动速度的增大,切向力朝负方向增加,而直接阻尼和交叉阻尼减小。随着压比的增加,径向力增大而切向力减小。在一定范围内,较大的自转速度会使最大激振力的绝对值减小。      

压电周期板中耦合禁带影响规律分析

近年来,利用周期结构中弹性波禁带特性减振的研究思路受到了广泛关注。针对以往周期结构难以实现宽频且可调禁带的问题,设计了一种含电路网络的压电周期结构。该结构中的弯曲波和电路网络中的电波通过压电效应可以产生一个较宽的耦合禁带,且通过调整电路参数就可以达到调节禁带位置的目的。首先,为了高效计算该结构的波动特性,开发了适用于压电周期结构的减缩波有限元算法,该算法可以在保证结果准确性的基础上节约90%以上的计算时间。利用该算法研究了压电材料尺寸和形状对耦合禁带性能的影响。结果表明:相同电学参数下,随着压电片尺寸的增大,耦合禁带向低频移动,且禁带带宽增加;相同面积下含圆形和方形压电片的机电系统内耦合禁带差异较小,即形状对耦合禁带的分布影响不大。其次,针对不同尺寸和形状的机电系统,设计了电学参数使得在同一频率附近产生耦合禁带,并分析了其性能差异。最后,为了证明耦合禁带的减振效果,设计了一种有限压电周期板模型,其强迫响应的结果证明了耦合禁带对结构内弹性波可以进行有效调控。      

旋转爆轰发动机燃烧室的燃烧与流动特性研究

设计了一台爆轰环腔外径100mm、内径80mm、长117 mm的不带有尾喷管的旋转爆轰发动机燃烧室,并进行了实验和数值模拟研究,来了解不同当量比下的燃烧和流动特性。在该燃烧室头部,空气通过60个直径2mm孔轴向喷射,氢气通过2mm宽环缝喷射。氢气和空气最大供给总压分别可达12和10.5MPa。实验发现,当量比大于2时,燃烧发生在燃烧室以外,为爆燃;当量比接近于1时,燃烧室内存在多个反向旋转爆轰波,爆轰波平均速度较低,不超过1000m/s;当量比小于0.58时,仅有一个爆轰波准稳态旋转。在当量比为0.55时,旋转爆轰波传播速度为1274m/s。在当量比为1时,进行了17s无热防护的旋转爆轰发动机实验,未发现燃烧室有明显烧蚀。数值模拟表明在流量为400g/s时,有3个爆轰波同向旋转,外壁面侧传播速度约为1998m/s。