气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

大型飞机座舱温度控制系统控制律设计

大型飞机座舱温度控制系统具有温度控制非线性、强耦合、大迟滞性等特点,对控制律设计提出很高要求。根据系统设计要求,结合执行机构动作特性,提出了一种新型座舱温度控制律。系统控制方案采用压气机出口温度控制、组件出口温度控制、座舱供气温度控制和座舱区域温度控制四级控制;压气机出口温度目标值根据大气环境温度确定,座舱供气温度目标值根据座舱区域温度控制误差确定,组件出口温度目标值根据座舱供气温度目标值中的最小值确定;使用专家比例-积分-微分(PID)控制方法设计各级温度控制器,温度控制器的设计融入了解耦控制算法和系统保护控制逻辑,控制周期由各级温度控制响应特性确定。系统地面试验与飞行试验结果显示,该座舱温度控制系统响应速度快,抗干扰能力强,控制精度高,满足系统设计要求。     

Nb/Nb5Si3微叠层材料及其制备技术

Nb/Nb5Si3合金是未来最具潜力的超高温结构材料,实现该材料的结构微叠层化是一种新颖的材料设计思路和制备方法.Nb/Nb5Si3微叠层材料是将Nb和Nb5Si3按一定的层间距及层厚比以ABABAB型交互重叠结构形成的多层材料,其几种典型的制备技术包括热压、等离子喷涂、磁控溅射和电子束物理气相沉积(EB-PVD).其中EB-PVD是一种最适合工程应用的Nb/Nb5Si3微叠层材料制备方法,结构和功能复合、纳米化叠层、高韧化工艺是EB-PVD技术制备Nb/Nb5Si3微叠层材料的发展方向.     

高温合金叶片的激光熔覆修复技术研究

航空发动机高温合叶片故障件很难修复,采用先进的激光熔覆技术对高温合金叶片进行深度修理具有重要意义。通过采用合适的激光设备、熔覆粉末,并选取合理的熔覆参数以及热处理工艺等,使熔覆粉末在叶片基体上形成有效的熔覆体,该熔覆体的强度和硬度达到叶片材料性能要求,同时也能保证熔覆体与基体的结合强度,完成高温合金叶片的修复。     

飞机高温高压空气导管的振动特性研究

在分析某大型客机环境控制系统的配平子系统的基础上,基于有限元软件Patran和Nastran建立了配平系统的空气导管有限元分析模型,选用Lanczos算法,对管系进行动力学模态分析,获得了系统前五阶的频率和振型.同时,考察了气体热力学参数和球形接头作动力学参数对空气导管动力学模态特性的影响.结果表明:从频率上看,配平系统Part1在45Hz以下谐振模态分布密集.从振型上看,球形接头和滑动接头处的振型变化幅度较大;从动力学特性的影响因素来看,配平系统空气导管管系的固有频率随管内温度的增加而递减,随管内压力的增加而增加;球形接头起动力矩和刚度增大会增加各阶的固有频率.研究工作对于我国大型客机空气导管系统的可靠性设计具有参考价值.     

高速铣削铝合金7055铣削力和铣削温度的仿真研究

采用有限元分析软件AdvantEdge模拟了航空铝合金7055高速铣削过程,获得了单个刀齿高速加工中铣削力变化曲线,预测了不同切削时间下工件及刀具上的温度分布,获得了刀具前刀面和后刀面的温度分布曲线;建立了高速铣削参数对铝合金7055铣削力和铣削温度的影响曲线,可辅助优化切削加工参数,有助于减小切削过程中刀具的磨损,改善刀具切削状态,提高刀具使用寿命.     

钛合金螺旋铣孔的切削力和切削温度试验研究

螺旋铣孔技术是航空装备制造领域新出现的制孔技术,因具有加工质量好、效率高等优点被用于加工钛合金、复合材料等难加工材料.采用包括切削速度、切向每齿进给量、轴向每齿进给量和螺旋导程4个基本加工参数描述螺旋铣孔过程,分析了基本参数和螺旋铣孔输入加工参数(自转、公转、进给)之间的关系.在自行研制的螺旋铣孔试验平台上开展了钛合金材料的加工试验,研究了钛合金螺旋铣孔加工中切削温度及切削力的特征,以及基本加工参数对切削温度和切削力的影响规律.试验结果表明,在螺旋导程一定时,切削温度主要由切削速度决定,而与轴向每齿进给量及切向每齿进给量无明显关系;而切削力的影响规律与切削温度相反.切削温度是影响螺旋铣孔过程中刀具磨损及加工孔质量的主要因素.在需同时保证加工效率及加工质量的前提下,应尽量选择大的切向每齿进给量、大的轴向每齿进给量和较低的切削速度.     

双层多支板流道组合件变形控制

双层多支板流道组合件是薄壁焊接机匣,与涡轮后机匣和外支撑环组合件连接,是低压涡轮部件上的重要连接、承力件.该件焊缝密集,结构刚性差,安装边连接孔和篦齿环槽口位置度、尺寸精度高,加工难度大.采用多种工艺措施控制焊接变形,增加辅助支撑减小加工变形,综合运用筒体胀形、焊接、激光切孔、机械加工等加工工艺,实现了薄壁双层多支板流道组合件制造.     

薄壁件多点柔性加工变形的分析和控制研究

针对开发薄壁件多点柔性工装系统的需求,研究薄壁件多点柔性铣削加工中的变形问题,运用有限元软件ABAQUS对零件的实际加工过程进行模拟仿真.多点柔性工装系统采用布局,分析吸盘边距和吸盘真空度对薄壁件加工变形的影响.通过改变A、B、C三组吸盘的真空度建立三因素四水平正交试验,总结出A、B、C三组吸盘分别调整真空度至-0.5bar、-0.8bar、-0.5bar能够获得更小的平均变形量,对多点柔性工装系统控制薄壁件的加工变形方面给出了建议.     

冷坩埚定向凝固TiAl基合金高温持久性能研究

采用电磁冷坩埚定向凝固技术制备了成分为Ti-47A1-2Cr-2Nb的合金铸锭,定向凝固后的显微组织为α2+γ全片层结构.在0.4～1.2mm/min的抽拉速率范围内,随着抽拉速率的增加,片层间距减小,柱状晶与生长方向的夹角增大.随着温度升高,合金的拉伸强度有所下降,但由于细化片层界面对切变应力变形的阻碍作用,合金的高温拉伸强度会随着抽拉速率的增加而提高.通过对抽拉速率为1.0mm/min试样的拉伸强度与温度的拟合,得到了拉伸强度和温度之间的函数关系.随着抽拉速率的增加,Ti-47A1-2Cr-2Nb合金的持久寿命明显升高,对于抽拉速率为1.2mm/min试样的持久性能测试表明,其持久寿命最长,达到了48h.持久试样的断口形貌表明,其断裂的主要方式是伴随着少量延性断裂的脆性解理断裂.最后根据时间-温度模型,分别采用Larson-Miller和Manson-Haferd参数法建立了定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的持久强度预测函数模型,预测的理论值与试验结果吻合度较高.