1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

平板压电除冰系统中压电元件排布规律研究

针对压电振动除冰方法在工程上的可用性,以平面铝板为研究对象,采用有限元模型和结构动力学分析的方法,对平板压电除冰系统中压电元件的排布规律进行了研究。以平板长度方向上的截面为研究对象,用有限元分析方法研究了二维压电耦合模型的模态振型,选取了长度方向上三阶模态振型为最佳除冰模态振型,并以此振型为后续三维模型的基础振型。针对压电元件数量、压电元件相对贴片数量和压电元件贴片集中度这三个不同的排布参数,利用三维压电耦合有限元模型,以冰层与平板交界面处的弹性应变作为激励效果的直接体现参数,仿真分析了压电元件在平板宽度方向上的排布规律。仿真结果表明：压电元件在宽度方向上排布在中间位置和边缘位置,对结构均具有较好的激励效果,压电元件的布局要避开宽度方向上弹性应变较小的位置,因此对于分布在平板宽度方向边缘的压电元件,仍然可以在目标结冰区激励出较强的振动效果;在相同的接触面积下,减小压电元件的相对贴片数量,提高压电元件的贴片集中度,均可以提高压电元件对平板的激励效果,因此在实际应用中,在尺寸和粘接结构情况允许的情况下,尽可能选择尺寸较大的压电元件;并且当曲面上压电元件的贴片范围被限制的情况下,适当提升某一方向上压电元件贴片集中度,可以提高对平板结构的激励效果。灵活结合压电元件排布规律,可以设计出可行的压电元件排布方式,为压电除冰系统的工程研究提供借鉴和参考。     

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

航空发动机双转子系统“临界跟随”现象的机理及影响

为了探明“临界跟随”现象导致航空发动机振动居高不下的产生机理,建立了考虑中介轴承的双转子动力学模型,推导了双转子发生“临界跟随”现象时参数之间的关系,分析了“临界跟随”状态下转子系统的动力学特性。结果表明:“临界跟随”现象会导致转子系统无法越过盘偏摆振型临界转速,造成转子振动对不平衡质量分布极其敏感,其主要影响因素为盘极转动惯量与直径转动惯量的比值(简称惯量比)以及双转子增速比;当高压盘等效惯量比等于1,或增速比与任意低压盘惯量比相等时,转子系统表现出高压激励条件下的“临界跟随”特征;当低压盘惯量比等于1,或增速比与高压盘等效惯量比的乘积等于1时,转子系统表现出低压激励条件下的“临界跟随”特征。提出了必须严格控制航空发动机叶盘的等效惯量比以及双转子转速控制律的设计建议。      

缝槽平板振动气膜冷却数值仿真研究

为了分析缝槽平板振动气膜冷却传热规律,采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)和Detached-Eddy Simulation(DES)的CFD动网格仿真分析方法,研究了不同振动频率、不同振幅、不同吹风比及剪切涡结构振动的绝热壁面有效温比。结果表明:(1)在低频(f=100Hz)下,振动有利于提高换热面绝热壁面有效温比;但在高频(f=10kHz)下,振动降低了换热面绝热壁面有效温比。(2)相比频率,振幅对绝热壁面有效温比影响更大;在中频(f=1kHz)下,振动绝热壁面有效温比小于稳态绝热壁面有效温比;不同吹风比(M=0.7,1.2,1.9)对绝热壁面有效温比影响趋势基本一致。(3)相比基于RANS的振动仿真方法,基于DES的振动仿真方法能更详细地模拟混合层剪切涡结构流场信息,能更好地反映剪切涡结构对壁面换热效果的影响。     

航空发动机自由涡轮叶片裂纹故障分析

针对某涡桨发动机在试车过程中发生的自由涡轮叶片裂纹故障,对裂纹叶片进行荧光检查、叶片测频和冶金分析,并通过MSC/PATRAN有限元分析软件确定叶片的振动特性。结果表明:叶片裂纹发生的原因为叶片的第5阶固有频率与导叶激励频率接近而发生共振,引起叶片发生高阶振动,造成叶片高周疲劳失效所致。重点调整螺旋桨的工作转速范围,使其基本处于规定的安全工作转速范围内。后经1000 h试车验证,均未再发生类似故障。     

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

变截面旋转裂纹梁横向振动特性的研究

对损伤结构进行动力特性分析是进行无损检测的重要基础,而对于旋转梁结构的裂纹损伤动力特性研究,却鲜有文献涉及。以变截面旋转裂纹梁为研究对象,对其横向振动特性进行研究,提出一种求解变截面旋转裂纹梁横向振动特性的新方法。首先利用扭转弹簧模拟裂纹效应,建立含裂纹梁局部柔度模型,然后采用Frobenius方法求解振动方程,得到方程的级数解析解,并研究裂纹位置和深度对振动频率的影响,分析不同损伤程度、不同转速工况下梁的前两阶固有频率变化情况。结果表明:本文方法是有效的,转速和损伤程度的变化并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用机理,对于变截面梁同样成立。     

基于实验设计和生死单元技术的时变质量杆件轴向振动问题研究

为研究固体火箭轴向振动问题,将火箭体系简化为时变质量轴向振动杆件。应用生死单元技术对时变质量杆件指定区域内均布质量的损失进行模拟。应用参数化方法将杆件的弹性模量及指定区域内均布质量线密度进行参数化,应用拉丁超立方抽样方法 (LHS)及平面蒙特卡洛抽样方法 (PMC)对时变质量杆件与恒定质量杆件的轴向振动问题进行2因素50水平实验设计,批量计算了不同工况下的杆件轴向振动响应。计算结果表明:基于实验设计和生死单元技术的参数化研究方法可以高效地对时变质量结构动力响应问题进行研究。应用LHS及PMC对杆件轴向振动问题进行研究时,可以得到与应用完备实验对杆件轴向振动问题进行研究时所得结论相类似的定性结论。部分工况下,恒定质量杆件的最大轴向振动响应明显小于时变质量杆件的最大轴向振动响应。依据恒定质量体系动力响应特性对箭体进行设计时,无法保证箭体及箭载设备的安全性。     

静环振动对涡轮泵端面密封失效的影响

为了深入认识涡轮泵端面密封的失效机理,采用动网格方法和可压缩液体模型模拟了静环简谐振动对密封腔内流体的激励作用,获得了静环脱开的力学条件,并研究了静环振动对密封失效的影响规律和改进措施。计算结果表明,静环简谐振动将激励密封腔内流体产生压力脉动,并在静环两侧形成较大的压力差;静环承受的净作用力周期性波动,在位移处于π/2相位时达到最大值;随着静环振动频率和幅值增大,最大净作用力也不断增大,最终达到静环脱开泄漏的条件。在简谐振动作用下,净作用力峰值受振动频率影响较大;在脉冲冲击作用下,净作用力峰值与冲击过程有关,而与脉冲的出现频率关系不大。通过连通静环两侧的流体,可以减弱静环振动产生的激励作用,大幅降低净作用力的脉动峰值,从而提高端面密封的可靠性。