航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳研究进展

航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时,热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用,常发生热腐蚀-疲劳失效,影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题,总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理,涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法,并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望,以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。     

SIMULATION OF COMPOSITE NON-LINEAR MECHANICAL BEHAVIOR OF CMCS BY FEM-BASED MULTI- SCALE APPROACH

The non-linear behavior of continuous fiber reinforced C/SiC ceramic matrix composites （CMCs） under tensile loading is modeled by three-dimensional representative volume element （RVE） models of the composite. The theoretical background of the multi-scale approach solved by the finite element method （FEM） is recalled first- ly. Then the geometric characters of three kinds of damage mechanisms, i.e. micro matrix cracks, fiber/matrix interface debonding and fiber fracture, are studied. Three kinds of RVE are proposed to model the microstructure of C/SiC with above damage mechanisms respectively. The matrix cracking is modeled by critical matrix strain en- ergy （CMSE） principle while a maximum shear stress criterion is used for modeling fiber/matrix interface debond- ing. The behavior of fiber fracture is modeled by the famous Weibull statistic theory. A numerical example of con- tinuous fiber reinforced C/SiC composite under tensile loading is performed. The results show that the stress/ strain curve predicted by the developed model agrees with experimental data.     

飞行器动态疲劳试验加载方法的研究

飞行器动态疲劳试验是在全尺寸后机身状态下进行的多点激振与多点静载联合加载的力学环境模拟试验,属于多种环境联合加载试验技术,其中静载为空气弹簧加载形式,振动载荷为电磁激振模式,针对飞行器动态疲劳试验静载加载过程的特点,介绍了一种采用空气弹簧来实现静载加载的系统设计方法,为飞行器可靠性考核提供手段。     

空空导弹吊挂疲劳寿命分析

针对空空导弹吊挂在挂飞过程中承受多种复杂多变的载荷(如挂飞振动载荷、机动抖振载荷、起飞着陆冲击载荷等)产生的疲劳破坏问题,研究利用仿真计算其疲劳寿命。在总结国内外最新疲劳理论研究的基础上,提出了基于有限元的时域和频域相结合的疲劳分析方法,在空空导弹吊挂的疲劳研究上形成了一套较为完善的分析流程。以某型空空导弹吊挂为研究对象,对其结构及工况特点进行了探讨和分析,借助Msc.Fatigue软件平台建立了吊挂的疲劳损伤模型,结合S-N曲线,计算出其疲劳损伤及其疲劳寿命,并总结出吊挂疲劳寿命的主要影响因素,对具体的型号研制工作有一定的指导意义和工程应用价值。     

跨声速压气机实验系统Helmholtz频率的影响因素及估算方法研究

针对压气机实验系统 Helmholtz共振频率的研究对于建设压气机试验系统及研究压气机流动不稳定现象均有重要意义。以北京航空航天大学跨声速压气机试验系统为背景,通过拆除该压气机试验系统的稳压箱、格栅等部件以及更改该试验系统的几何尺寸,分析该型压气机试验系统 Helmholtz 共振频率的影响因素;同时引入了Duct-Compressor-Plenum模型理论,对该压气机试验系统进行相应的模化,并对其系统 Helmholtz 共振频率进行相应估算。结果表明:在该类型的跨声速压气机试验系统中,压气机前端的稳压箱及稳压箱之前部分主要作用是为整个试验系统提供均匀的进气环境,而对系统 Helmholtz 共振频率不产生任何影响。因此,在跨声速压气机试验系统Duct-Compressor-Plenum模型模化过程中,不应将稳压箱及其之前部件进行模化。     

一种超宽频共形天线结构的力学性能测试

共形天线结构是一种将机载天线集成到飞机复合材料结构中的集承载、维形、隐身及通信功能于一体的多功能结构。本文采用对数螺旋天线作为内植传感器件,设计并制造了一种超宽频共形天线结构,通过面内压缩试验和三点弯曲试验对该型共形天线结构的力学性能进行了考核测试。试验结果表明,超宽频共形天线结构具有更优的力学性能。相对于未植入天线的复合材料夹层结构,超宽频共形天线结构的面内压缩刚度提高了112%,面内压缩强度提高了95%,结构压缩破坏模式由单纯的面芯分离变成了多个胶接界面分离和芯体剪切破坏的复合破坏模式,且强度分散性变大;超宽频共形天线结构面外弯曲刚度提高了26%,面外弯曲强度提高了17%,弯曲破坏模式由上蒙皮与芯体间的大面积面芯分离变成了压头下部局部蒙皮折断和芯体塌陷。     

一种新型燃烧室供油系统热防护方案

随着航空发动机燃烧室进口空气温度的不断升高,燃油在供油管路内受热氧化结焦从而引发诸多隐患的情况日益突出。本文针对某型中心分级、多点喷射供油系统,开展了以空气隔热屏结合“油冷”的热防护方案设计研究,并通过数值 模拟分析了热防护效果。研究表明,在典型高温进气工况下,空气隔热屏结构可将燃油管路湿壁温度降低至燃油氧化结焦临界温度以下;在慢车主油路停止供油的情况下,单一的空气隔热措施难以满足热防护设计要求,结合“油冷”方案可达到设计要求。     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

飞船整流罩纵向解锁机构设计与动力学

为适应载人航天逃逸飞行的需要，研制了一种具有高承载能力、高可靠性的钩式解锁机构，应用于火箭整流罩的纵向分离面处。它的研制成功，新增了一种具有高可靠、低冲击、可设计性好的结构形式。对机构的设计进行了研究，采用拉格朗日方法建立了机构的运动微分方程，并得到了初步的仿真结果。     

小卫星全被动热设计及其验证技术

结合实例对全被动热控设计的小卫星热控特点进行分析。热相对稳定及整星良好的等温化是实现全被动热控设计的有利条件。对于全被动热控设计的小卫星,尤其应关注设计细节,如外露表面、工艺差异等影响。对重要参数或者变化的不确定参数进行敏感性分析有助于把握设计的适应性。针对具有复杂构型的航天器,提出了试验外热流量化分析方法,解决了地面热试验时外热流模拟困难的问题,可避免地面试验外热流设计的盲目性。