基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

复合材料宽弦风扇叶片模态仿真分析

针对复合材料宽弦风扇叶片,以铺层结构设计信息为基准建立了1种有限元建模方法,对某型复合材料风扇叶片模型进行了固有频率与模态振型的数值仿真计算,并采用激光测振仪对该风扇叶片的固有频率进行了试验测量。将试验测量与数值仿真结果进行对比分析,前3阶固有频率的误差在5%以内,第4阶固有频率的误差为6.6%。结果表明:该有限元建模方法建立的复合材料风扇叶片模型与实际叶片较吻合,基本满足工程分析要求,可以为复合材料风扇叶片的优化设计提供参考。     

适应弯扭隔肋的涡轮叶片转接段建模方法

针对涡轮冷却叶片弯扭冷却通道转接段的特点,提出了关联的转接段建模方法,通过曲线网格法生成工具片体裁剪叶身内型实体得到转接段,并以此为基础完成转接段建模,满足转接段与弯扭隔肋G1光滑转接的要求。详细分析了该方法的原理;提取了关键参数;利用UG(Unigraphics NX)二次开发平台开发了转接段的参数化建模模块,实现了适应弯扭隔肋的转接段建模。     

泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响

为增强涡轮叶片内部通道的换热、减小流动阻力,提出了一种新型的泡状隔板结构。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了等热流边界条件下泡状隔板结构的半径以及形状对通道换热和流阻特性的影响,并与直隔板进行对比,实验结果表明:在研究范围内,对称型泡状隔板结构能够大大减小通道流动阻力,随着泡状结构半径的增大,减阻效果增强;不对称型泡状隔板结构只在半径最大时能减小流动阻力;泡状结构对于换热的影响并不明显。实验结论可以为涡轮叶片内部冷却通道的优化设计提供理论依据。     

光纤光栅传感器对非均匀应变场的响应特性

提出利用测量位置处光栅传感器的光谱特征反推该处对应的应变分布状态的方法。采用改进的传递矩阵方法,模拟了不同应变分布函数对应的光谱响应,分析了其基本特征参数同应变分布之间的变化规律。通过有限元仿真计算试验件在弯曲载荷下光栅粘贴处的应变分布,重构了传感器的光谱,并将其和应变分布函数的理论计算光谱图进行比较,验证了应变分布形式与反射光谱特征的关联性。构建带有不同半径圆孔的铝合金板孔口弯曲加载试验系统,测试试验件弯曲挠度和孔径大小与反射谱特性的关系。理论及试验结果表明,实测与仿真计算的谱图变化具有相同规律,光谱特征参数可作为预测铝合金孔径的有效指标,并为其他类型结构的应变场变化规律的监测提供参考依据。     

复合材料壳体固体火箭发动机温度载荷下力学响应分析

基于非线性有限元数值仿真分析方法,使用有限元计算软件ABAQUS,分别建立金属壳体与复合材料壳体两组发动机仿真模型,分析复合材料壳体固体发动机的结构完整性,并研究复合材料壳体的各项参数对于发动机装药和壳体的应力场的影响。分析结果表明:在温度载荷下,选用复合材料壳体的端燃装药固体发动机比选用金属材料壳体的发动机具有更好的结构完整性。随着复合材料壳体厚度的增大,装药的应力、应变值均增大,壳体的应力逐渐减小;随着复合材料壳体弹性模量增大或泊松比减小,装药的应力、应变逐渐减小,而壳体的应力、应变逐渐增大。     

火箭发动机涡轮典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响研究

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了涡轮叶片带冠、不带冠、带部分冠及叶片空心等典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响。结果表明:叶片不带冠可以消除叶片顶部的疲劳损伤,但使叶背根部损伤增大,危险点位于叶背根部,叶片寿命与带冠叶片相当;带部分冠叶片在消除叶顶疲劳损伤的同时,还可以减缓叶背根部的低周疲劳,危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约116%;叶片空心结构可以有效降低叶片的应力应变水平,减缓叶片疲劳的效果最好,空心叶片危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约370%。     

AUTOMATIC FINITE ELEMENT MODELING OF A WING

研究了建立机翼有限元模型的自动化。用行列法标识结构的部件（肋、梁、蒙皮、立柱）,并用简单明了的表格界面来输入所有部件的几何、网格密度、材料、载荷、边界条件等参数。设计并用ＰＣＬ（ＰＡＴＲＡＮｃｏｍｍａｎｄｌａｎｇｕａｇｅｕｎｄｅｒＰＡＴＲＡＮ６．０）编制了相应的自动化建立整个机翼有限元模型的用户化程序模块。作为算例建立了ＶＦＷ６１４机翼的有限元模型并用ＮＡＳＴＲＡＮ６８进行了计算。结果表明,本方法有效和高效。     

不连续散粒体的离散单元法

建立了球体元三维离散单元法的单元接触模型。该模型把两个球体空间接触时的相互作用简化为四个弹簧阻尼器和三个滑动摩擦器。根据赫兹接触理论和非完全弹性碰撞理论,合理地确定了各接触参数。文中详细讨论了接触球体间相互作用力的分析计算方法和球体间产生接触的判断及检索方法,给出了球体元三维离散单元法的原理、算法和数据结构,并编制了相应的程序。利用该程序对球体自重下落和颗粒阻尼减振器分别进行了仿真计算,理论结果和实验结果有较好的一致性,验证了本文方法和程序的正确性。     

具有随机刚度薄板小挠度问题的数值分析

从薄板小挠度问题的控制方程出发,将结构的随机参数统一到刚度随机场中,采用局部平均法对刚度随机场进行离散,并将其融于二阶差分方法的列式中,给出了求解刚度随机时薄板上各点位移的数字特征的随机有限元法。该方法不但可以解决复杂边界下的薄板小挠度问题,而且进一步解决了结构的可靠度问题。文中最后对算例进行了计算,用解析解验证了本文方法的正确性。