高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.      

滤波减速器有限长轮齿接触表面混合润滑分析

综合考虑了轮齿接触几何、啮合点法向载荷、齿向参数、真实表面粗糙度、润滑剂流变特性等因素,建立了滤波减速器轮齿混合润滑数值分析模型,采用复合迭代法和快速傅里叶变换(FFT)方法分别求解Reynolds方程和弹性变形方程,获得了轮齿接触表面混合润滑分析完全数值解,得到了滤波减速器在啮入点、节点和啮出点的压力与平均油膜厚度,以及转速对轮齿接触表面平均油膜厚度和接触比的影响.结果表明:在啮入点、啮出点及节点处,沿齿宽方向的压力分布不相等,两侧压力较大,而在啮入点处的两侧压力突变相对较小,且平均油膜厚度最大;对于粗糙轮齿接触表面,随着滤波减速器转速逐渐降低,啮入点、节点及啮出点的平均油膜厚度随之减小,接触比增加,润滑效果变差,并且在同一工况下粗糙轮齿接触表面的啮合点平均油膜厚度小于光滑轮齿表面的平均油膜厚度.      

基于碟形砂轮磨齿的面齿轮包络残差研究

介绍了采用碟形砂轮磨削面齿轮的原理及过程,研究了齿廓包络和齿宽包络两种包络方式产生包络残差的机理.分别建立了两种加工方式下包络残差的计算模型和方法,并研究了所产生包络残差的特点.通过数值算例分析了包络过程中刀具周向进给角度、齿宽方向进给量以及碟形砂轮外径对齿面包络残差的影响规律.计算结果表明:齿宽包络比齿廓包络具有更高的效率.进行了以齿廓包络方式的面齿轮磨齿加工实验,当刀具周向进给角度分别取为2°,1°,0.5°及0.2°时,齿面表面粗糙度逐渐明显提高,齿面磨削加工印痕的数目和方向与包络仿真计算结果一致.初步证明根据包络残差计算结果选取合适的进给量参数,可以保证面齿轮磨齿加工的表面粗糙度水平并能提高加工效率.      

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

TC4-DT钛合金磨削表面特性及其摩擦磨损性能

钛合金是一种典型难磨削加工材料,磨削表面易出现烧伤、裂纹等热损伤。本文开展了TC4-DT钛合金磨削实验,通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）、显微硬度仪、金相显微镜及球-盘摩擦磨损实验仪研究了其表面特性及摩擦磨损性能。结果表明：低速磨削表面质量好,摩擦磨损性能较基体略提高;当砂轮线速度为80 m/s时,磨削表面质量良好,摩擦系数为0.38,较基体降低40%;而砂轮线速度为100 m/s时,磨削表面出现严重烧伤、网状裂纹。因此选择合理的高速磨削工艺可避免烧伤、裂纹等热损伤缺陷,并可有效改善表面摩擦磨损性能;磨削表面干摩擦磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损。     

基于径向基函数改进的Delaunay图映射动网格方法

为了提高大变形下动网格生成的效率和质量,基于径向基函数插值技术对原始Delaunay图映射动网格方法进行了改进。首先通过带多项式的径向基函数插值方法计算出背景网格远场边界点的位移;然后将背景网格位移插值到计算网格;最后利用衰减函数将计算网格远场位移衰减为零。基于矩形旋转网格变形实例比较了改进方法与原始Delaunay图映射动网格方法之间的差别,并研究了径向基基点数目和衰减函数类型对变形网格质量的影响。矩形旋转网格变形实例说明该方法能够精确恢复出Delaunay背景网格的旋转特性。NACA 0012翼型、NLR 7301两段翼和M6机翼网格变形算例进一步证明,通过添加控制点,该方法能够不重构背景网格实现大变形下高质量动网格的生成。     

多弧离子镀技术及其在高精度仪表中的应用

介绍了多弧离子镀技术,包括其技术原理、技术特点以及主要工艺参数,阐述了多弧离子镀技术在高精度仪表轴承零件表面改性方面的应用和存在的技术问题,对多弧离子镀技术在高精度仪表中的应用前景作出展望.     

一种新型超宽带紧耦合天线阵列设计

针对紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array,TCA）安装于飞机、导弹、舰船等平台时接地板严重影响其阻抗带宽的问题,将栅格形阻性频率选择表面与交指型偶极子天线单元相结合,设计了一种新型多层结构的超宽带TCA。采用CST对加载与未加载栅格形阻性频率选择表面时TCA的性能进行了比较分析。结果表明：未加载时,受接地板影响其最佳阻抗带宽（VSWR〈2）为4．5：1（2．1～9．5GHz）;加载后,TCA可克服接地板的影响,其阻抗带宽可达10．4：1（1．8～18．8GHz）。     

曲线物面边界条件在DGM中的应用研究

基于二维非结构网格,采用高精度间断Galerkin有限元方法数值求解定常Euler方程。为了有效克服传统的反射物面边界条件在物面处易于生成伪熵降低计算精度的缺陷,提出一种曲线物面边界条件,从而实现对物理模型而不是数值模型进行数值模拟。对经典圆柱亚音速无粘绕流进行数值模拟,结果表明:采用曲线物面边界条件之后,流场解的精度得到很好的提高;此外,在非常稀疏的网格上,通过提高基函数的阶次仍可以得到高精度的数值解。