面向精准工程湍流模型的理论研究

长期以来,工程湍流模型建立在量纲分析和经验修正的基础上,绝对预测能力不足而且模型参数的意义不明确。关于湍流边界层的理论研究一直平行地在两条路线上前行,或是经验性地构造有关平均速度或动能的分布,或是利用数值模拟等技术对于湍流脉动结构进行精细刻画。二者之间的分割导致对湍流边界层物理图像的不完整,从而限制了对一系列相似性关系的揭示。新近发展的结构系综理论,立足于探索由于固壁对于流场的雷诺应力各个分量所表现的拉伸对称性约束,完成了一个对于平均速度和动能剖面的统一描述,从而形成了一个构建工程湍流模型的新思路:一方面,理论指导如何开展湍流DNS(Direct Numerical Simulation)和LES(Large Eddy Simulation)的大数据分析,提炼对定量描述复杂流动有物理意义的多层结构参数;另一方面,指导开发物理图像清晰、定量描述精确的新型湍流(代数)模型。结构系综理论揭示了壁湍流所共有的普适多层结构,完整地刻画了边界层湍流的雷诺数、马赫数相似性,有望推动理论空气动力学研究进入一个定量化、精确化的新阶段。     

返回舱/空间探测器热防护结构发展现状与趋势

针对中国天地往返和深空探测领域对热防护结构的需求,综述了国内外返回舱和空间探测器热防护材料/结构的发展现状,着重介绍了包括蜂窝增强热防护材料、纤维增强热防护材料、组合式热防护结构以及展开式热防护结构等在内的代表性热防护材料/结构的设计理念和性能特征。在系统总结热防护结构发展趋势的基础上,分析了返回舱和空间探测器热防护结构发展中存在的关键问题,可以看出：纤维增强热防护材料在热防护结构重量方面表现出了突出优势,材料拼接设计成为结构发展的重要阻碍;组合式热防护结构设计在现有材料发展水平的基础上,将成为提高热防护结构效率的有力途径;展开式热防护结构有望使航天器有效载荷重量显著提升,但受限于柔性热防护材料性能和结构工艺,仍有待发展。更加频繁的天地往返运输和深空探测项目的开展必将对热防护结构发展产生巨大的推动作用。     

基于结构声强法的机匣振动能量传递特性

为了分析在转子不平衡力激励作用下机匣上纵波、剪切波、扭转波以及弯曲波所携带的瞬态与稳态振动能量的分布规律和传递特性,将结构声强法拓展成矩阵的形式应用到航空发动机领域。建立了转子不平衡力作用下的双转子-支承-机匣耦合模型,通过由有限元工具和自编译程序组建的计算系统,求解并可视化了在高低压转子不平衡力激励作用下机匣瞬态与稳态的总结构声强场以及不同类型振动波的结构声强场。此外,通过运动方程推导并分析了结构声强与结构振动特性之间的内在物理关系。结果表明,机匣上纵波振动能量穿过法兰边后沿其周向传递,而剪切波和扭转波所携带的振动能量则可以穿过法兰边沿机匣轴向传递;支板上的振动能量首先以弯曲波的形式传递到机匣上,振动能量在机匣上沿主要路径传递过程中会发生不同类型振动波相互转换的现象;结构声强通过结构的动能变化率、应变能变化率以及阻尼耗散等能量参数与结构振动特性产生内在物理联系,对结构振动的控制本质上就是对振动能量流的控制。研究结论可为航空发动机机匣以及整机减振提供一定理论指导。     

转子结构布局及其力学特性优化设计

针对高推质比航空发动机结构设计,提出了航空发动机转子结构布局优化设计方案。对总体结构布局的优化可以有效提高材料使用效率,获取更优的力学特性,减小结构质量以提高推质比。介绍了转子结构布局的研究内容,给出了结构布局优化设计方法,并通过对高负荷转子结构系统的布局优化设计,验证了结构布局设计方法的可行性。算例结果表明:该方法可使结构效率损失系数降低0.335,方法的创新对航空发动机转子系统初始结构设计具有指导意义,对转子结构设计方案筛选和缩短设计周期具有重要的作用。      

航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计

针对异常载荷下,航空发动机宽弦风扇叶片的叶尖与机匣刮蹭变形及损伤特征缺乏数据支持,而传统理论计算方法存在较大的误差问题,建立了宽弦风扇叶片叶尖刮蹭显式动力学分析模型,采用宽弦风扇叶片与机匣刮蹭试验数据,对分析模型的计算精度进行了验证。基于分析模型进行了仿真参数的敏感度分析,得到了叶片与机匣刮蹭后叶片变形及机匣损伤规律。研究结果表明:叶尖伸长量对转子转速非常敏感,叶尖径向伸长量增加速率远大于转速增加值,因此在叶片设计中应考虑到风扇叶片极限转速下叶尖伸长量。同时需要选取合理的扭转角度以满足叶片安全性和气动性能的要求。在风扇机匣包容区设计中应主动考虑异常载荷的影响,增大安全性设计域度;设计合理的耐磨层材料参数,减小风扇叶片对其冲击损伤。采用该方法可以提高叶尖间隙控制精度,减小刮蹭对叶片和机匣造成的损伤。      

六自由度激励台的结构动力学等效建模

六自由度激励台是多轴同步振动环境模拟的重要地面设备,因其结构复杂且具有多个运动自由度,而难以构建准确的结构动力学模型。文章针对6-PSU构型激励台的结构动力学特性,提出其参数型建模与模型修正方法。首先确定模型修正的对象为含轴承和导轨等接触运动副的铰链与作动部件,提出采用刚度与质量解耦的方法建立其含参等效动力学有限元模型;然后以该等效模型为基础,通过模态参数修正铰链和作动部件等效梁模型参数,再利用频响函数修正模型中轴承和导轨的接触刚度参数,得到了修正后的激励台等效结构动力学模型。修正后的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了建模方法的有效性。     

航天器燃耗最优轨道直接/间接混合法延拓求解

针对转移时间和始末状态固定的航天器燃耗最优轨道的求解,给出了一种延拓方法:以双脉冲轨道为初值,首先求解全程推进轨道,然后逐步增加推力幅值,应用直接/间接混合法依次求解所有推力幅值下的、满足包括开关函数在内的所有必要条件的转移轨道,包括连续和脉冲推力轨道。通过基于开关函数曲线变化趋势的开关序列预设方法,以及基于已有优化结果的延拓步长自适应方案,实现了延拓方法的自动运行。为实现该延拓方法,给出了适用于改进春分点根数模型的脉冲最优转移轨道主矢量必要条件,推导了无推力轨道段改进春分点根数协态变量状态转移矩阵。通过3个算例对延拓求解会遇到的不同情况进行了具体说明。延拓方法可以看作现有直接/间接混合法的进一步完善与拓展,延拓过程和结果有助于对燃耗最优轨道与系统参数之间的关联获得更为深刻的认识。     

基于静强和寿命可靠性的双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

为保证双辐板涡轮盘/榫结构疲劳寿命及可靠性,提出基于静强和寿命可靠性的涡轮盘/榫结构优化设计方法.采用盘身轴对称模型和涡轮盘/榫三维模型交替优化策略,进行轮盘静强结构优化.结合材料应力-寿命数据,对满足静强准则的涡轮盘/榫结构进行考虑尺寸效应的寿命可靠性分析,并建立各危险区域给定可靠度的峰值应力-寿命曲线.基于涡轮盘/榫静强优化设计平台,利用给定可靠度的应力-寿命曲线数据修改结构优化单点应力标准.在保证不出现轮盘破裂的前提下,将轮盘寿命可靠性优化的复杂过程简化为基于应力标准的寻优过程.典型例优化结果表明:静强优化后涡轮盘/榫的寿命不能满足设计要求;经寿命可靠性优化后,轮盘疲劳寿命较优化前增加了47.28%,满足寿命可靠性设计要求;且在轮盘静强优化质量减轻16.66％的基础上,再减轻3.43%;该方法在保证优化精度的条件下,可大幅提高优化效率,且易于工程设计中应用.      

计算斜齿轮弯曲应力的应力影响矩阵法

提出了计算齿轮弯曲应力分布过程的应力影响矩阵法。通过建立齿面柔度矩阵和齿根弯曲应力矩阵, 该方法只需经过一次有限元计算便可获得斜齿轮在整个啮合过程中轮齿弯曲应力三维分布的变化规律。通过对计算结果和斜齿轮弯曲应力测量结果进行比较, 证明本文提出的计算方法不仅具有较高的精度, 而且极大地节省了计算机内存和计算时间。      

桁架结构系统可靠度的敏度分析

基于结构系统可靠性分析的高精度公式和PNET法,导出了桁架结构系统可靠度的敏度分析表达式。算例表明本文导出的敏度分析表达式是正确而有效的。从而使高效率地进行基于可靠性的结构优化设计成为可能。