飞机超声速机动飞行条件声爆预测方法

针对飞机超声速机动飞行条件下的超声爆问题，基于广义Tricomi方程建立了表征焦散线附近压力波强非线性演化过程的空间模型，采用伪时间步推进和算子分裂算法，结合时域和频域方法开发了可求解超声爆问题的计算程序ARI＿Superboom。构建的求解方法可分为3个步骤：首先，应用航空工业气动院自主研制的CFD软件ARI＿Overset在三维空间求解N-S方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于自主研发的ARI＿Boom声爆预测程序开展射线追踪和声爆远场传播计算，获得焦散线及指定高度处声爆信号；最后，通过ARI＿Superboom预测程序获得焦聚区的地面超声爆信息。通过飞机超声速匀加速状态下地面产生的超声爆预测算例，验证了基于广义Tricomi方程建立的超声爆预测方法的可行性和准确性。     

航空发动机燃烧室热声不稳定的预设性能控制

为降低航空发动机燃烧室NOx的排放量，贫油预混的燃烧模式被广泛采用，但这将导致燃烧不稳定现象更加频繁地发生。航空发动机燃烧不稳定的能量来自于推进剂的燃烧，热声不稳定是其最主要的一种形式。为抑制热声不稳定现象，首先，在Culick模型的基础上，加入火焰燃烧响应对系统的影响，推导出含状态时滞的热声不稳定的数学模型；其次，基于此模型探究了从燃料喷射到燃烧释放热量的对流时间对热声系统稳定性的影响；然后，设计了预设性能反步主动控制方法，并求解得到在保证系统预设性能的前提下该对流时间的上界；最后，从理论分析和仿真结果两方面都验证了该主动控制方法可使热声不稳定系统的压力振荡渐近收敛，其动态满足预先设定的性能，且具有时滞鲁棒性。     

锯切圆柱形42CrMoA的声发射监测试验

针对锯切加工中的带锯条磨损状态未知、锯切质量下降等问题，本文研究了新试制的FTCUT双金属带锯条锯切圆柱形42CrMoA合金结构钢过程中锯切行为的变化，探讨了声发射信号与单刀锯切过程、锯齿磨损和锯切表面质量变化的关联。研究表明：锯切圆柱材料时随着锯切深度的变化，参与齿数先增大后减小，带锯条约束条件不断变化，进而影响着声发射信号幅值和锯切表面质量；基于时域分析可知锯齿磨损过程分为磨合磨损、快速磨损、稳定磨损三个阶段；基于FFT频域分析发现当频谱图出现多个主频，且第一主频幅值下降时，表明声发射信号来源比较分散，即可认定带锯条失效；基于小波包频域分析发现第7频段信号占比最高，最能反映工件表面质量的变化，其波动情况与锯切表面的微纹和波纹情况可建立一定的联系。因此，可基于声发射信号时域和频域分析判断锯齿磨损和锯切表面恶化情况，为锯齿磨损和锯切表面质量的在线监测提供一定的思路。     

基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响

声爆是发展超声速民机不可回避的关键问题之一。目前流行的声爆预测技术主要针对静止大气，对大气中的湍流扰动效应考虑不足，尚未建立高效高逼真度的预测方法。基于广义Burgers方程的远场声爆预测方法，通过与射线法相结合，建立了一套可考虑热黏性吸收、分子弛豫等物理效应的大气湍流声爆影响快速预测方法，并采用该方法开展了大气湍流强度和大气边界层厚度对典型远程超声速民机的声爆特性影响规律研究。计算结果表明：建立的预测方法能够合理表征热黏性吸收、分子弛豫等大气物理效应，相比前期基于波形参数法框架的预测方法，能够更加真实地反映大气湍流对声爆传播特性的影响；相比于前期的典型超声速公务机，采用的远程超声速民机声爆波形更加复杂，该预测方法仍能给出复杂波系的大气湍流影响规律；随着湍流强度和边界层厚度的增加，大气湍流效应对声爆特性产生的随机性影响呈增强趋势；同时，声爆在地面到达点的位置也呈现出更加分散的趋势，其可能会改变声爆毯对地面的影响范围，应在飞行轨迹规划中予以考虑。     

逆压区域锯齿结构翼型气动噪声特性研究

为了研究翼型在逆压梯度区域内的流动控制和气动噪声特性，在NACA0018翼型0.45～0.50倍弦长区域内设置三种锯齿结构，应用Lighthill声类比方法对比分析了翼型在不同工况下的近场和远场气动噪声特性。结果表明，逆压梯度区域内锯齿翼型的近壁面湍流强度随锯齿夹角的增大而增大，锯齿翼型流动分离点的位置比干净翼型提前，90°锯齿翼型的动压幅值降低；翼型的主要噪声源分布在翼型吸力面沿至尾流区域，90°锯齿夹角翼型在翼型弦长中点上方和前方0.5 m处的噪声分别降低了约1 dB和3 dB;增大来流速度使翼型近场的最大总声压级方向由0°变为10°;90°锯齿翼型在不同来流速度下近场和远场的降噪效果良好。     

低声爆超声速客机声爆预测及不确定度量化分析

声爆精确预测问题是制约超声速客机技术突破的关键瓶颈之一。由于大气来流条件不断发生波动存在不确定性，为得到更可靠的声爆近/远场信号，需考虑来流参数的不确定性对声爆预测结果的影响，并甄别其中影响声爆预测的关键性因素，为工程实际应用提供有价值的参考。本文基于CFD声爆近场信号模拟和增广Burgers方程的声爆远场信号预测方法，对第三届声爆预测研讨会（SBPW-3）的C608低声爆超声速飞行器开展了声爆信号特性分析。首先，采用约5 021万非结构混合网格半模计算了近场过压值，并研究了远场地面波形计算的时间和空间网格收敛性。接着，分析了基准状态下复杂近场流动特征及地面波形特征，通过与C608飞行器公开数据对比，验证了该方法和自研程序的准确度。此外，研究了不同物理模型和大气相对湿度对地面波形的影响。在此基础上，运用基于非嵌入式多项式混沌（NIPC）方法开展了对不同来流参数（来流马赫数、来流攻角和单位雷诺数）的不确定度量化分析和敏感性分析。结果表明，在给定的输入变量不确定度条件下，地面波形波峰与波谷处过压值变化明显。相比而言，来流单位雷诺数对地面波形过压值的影响显著低于来流马赫数和来流攻角的影响。     

基于相关性分析与CNN-BiLSTM神经网络的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度智能预测

部分稳定氧化锆（Partially stabilized zirconia,PSZ）陶瓷因其优越的性能在航空航天工业等领域有广泛的应用。表面粗糙度是评价PSZ陶瓷磨削加工水平的关键指标，为了降低磨削表面粗糙度的预测误差，提出了一种基于相关性分析与卷积-双向长短期记忆神经网络（Convolution-bidirectional long short term memory neural network,CNN-BiLSTM）的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度声发射预测模型。通过分析磨削声发射信号特征值与磨削表面粗糙度值之间相关性，筛选出磨削声发射信号与磨削表面粗糙度之间的最相关频段和特征矩阵，作为CNN-BiLSTM神经网络的输入参数以降低磨削表面粗糙度声发射预测的误差。研究结果表明，基于相关性分析与CNN-BiLSTM神经网络的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度的平均预测误差低于3.92%。     

考虑热膨胀与带隙的点阵超材料多目标优化设计

采用有限元方法研究了一种三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料的带隙特性，利用非支配排序遗传算法针对该材料进行了带隙和热膨胀性能的多目标优化设计，并考虑了热膨胀系数和最大相对带隙两个优化目标。结果表明，无论是特定的正、负以及零热膨胀结构，都具有较好的带隙特性；所有算例都给出了帕累托最优解集，可以平衡不同的竞争目标。这为实现超材料的多功能设计提供了理论依据，特别是在航空航天领域中存在的温差和振动等严苛条件下对材料特定膨胀性质和带隙特性需求的双目标共赢提供了可能。     

面向全尺寸民机结构疲劳试验的声发射监测技术

作为一种在线、动态、实时监测技术，声发射是一种非常有潜力的航空结构疲劳损伤监测手段。然而，由于恶劣噪声环境及现有声发射监测处理及分析技术发展不足的影响，导致声发射技术目前仍无法在全尺寸民机结构中得到有效应用。本文面向全尺寸民机结构试验开展了高可靠性自动化声发射(AE)监测技术研究，提出了一种基于载荷同步的声发射损伤识别技术，该技术依托数据清洗、数据同步、数据分割提取及异常判别等环节实现，旨在解决全尺寸民机结构试验声发射损伤监测中监测效率低、损伤识别难度大和无法可靠识别等问题。通过在国内某型全尺寸民机结构疲劳试验中应用，该方法的有效性得到了证实，因而为中国型号试验提供支持，进而服务中国航空工业型号试验。     

基于逆向增广Burgers方程的声爆反演技术

声爆问题一直是制约超声速客机发展的障碍之一，因此低声爆设计技术在超声速客机的设计中尤为重要。逆向增广Burgers方程可将中场声压信号反演至近场，能够为低声爆反设计工作提供优化目标。围绕逆向增广Burgers方程展开研究，运用算子分裂法和正则化伪抛物型方程法对逆向方程进行数值求解，并求取对应的反向等效面积。借助3个标准算例，对数值方法的收敛性、求解准确度、不同中场高度及不同周向角下反演技术的计算精度进行了研究。针对逆向增广Burgers方程的特点，探讨了在中场设置目标波形进行反设计方法的可行性，并对声压信号中高频分量的传播特性进行了研究。研究认为上述方法能够较为准确地完成中场至近场的声压信号反演计算，并且使用中场目标波形代替地面目标波形能减轻反演距离对反演计算过程的影响。