镍基单晶冷却叶片高温持久性的理论与试验研究

采用含有0~4排气膜孔的薄壁平板试样模拟镍基单晶冷却叶片,研究了气膜孔排布对镍基单晶冷却叶片高温持久性的影响,并基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对不同气膜孔排布的薄壁平板试件进行有限元分析。试验结果表明,在气膜孔数相同的情况下,随着气膜孔排数的逐渐增多,冷却叶片高温持久寿命不断降低,且下降趋势逐渐加剧。文中提出了基于有限元数据的高温持久寿命预测幂函数模型,在对应孔排布、应力、温度条件下,其相对误差均小于3%,有限元分析得到的应力场分布结果与试样的断口形貌相吻合。     

长深比对空腔流动与声学特性的影响分析

长深比(L/D)是影响空腔流动的最重要外形参数。为了对空腔的流动机理有更深入的认识,采用基于Realizable k-ε湍流模型的脱体涡模拟(DES)数值方法,研究空腔L/D的变化对空腔流动与声学特性的影响。选取的来流马赫数为0.85,基于空腔长度的雷诺数为6.84×106。结果表明:随着L/D的增加,空腔前部的压强系数逐渐降低,后部的压强系数逐渐升高,导致空腔内的静压梯度逐渐增大;整个空腔内的压强脉动强度减弱,噪声环境有所改善。研究结果可为空腔流动类型的划分提供一定的依据。     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

冷却孔非均匀排布波纹板隔热屏冷却特性仿真

为了更加合理地分配冷却气体流量,提高纵向波纹板隔热屏结构的气膜冷却效率,提出了非均匀孔排布局波纹板隔热屏结构,即保持开孔率不变,构建了上游波纹结构气膜孔排布密集、下游波纹结构气膜孔排布稀疏的非均匀结构。在发动机真实工况下,采用数值仿真的方法研究了非均匀孔排方式对沿程冷却气体流量分配特性和气膜冷却特性的影响规律,揭示了振幅比变化对波纹板隔热屏冷却效果的影响规律。结果表明：前密后疏型非均匀孔排布局可以改变冷却气体在隔热屏不同位置处的出流量,从而显著提高隔热屏的气膜冷却效率。在气膜孔孔参数以及开孔率不变时,增大隔热屏上游孔排密度既可以提高隔热屏上游的冷却效果,又不会明显降低隔热屏下游的冷却效果,使隔热屏整体面平均气膜冷却效率有所提高,相比于均匀孔排结构,前密后疏孔排布局最高可使隔热屏面平均气膜冷却效率提高12.66%;在相同工况下,当振幅比从0.035增大至0.075时,隔热屏的面平均气膜冷却效率显著提高,最高可使其面平均气膜冷却效率提高16.32%。     

孔布局对切向发散结构综合冷却效率的影响

为了进一步提高燃气轮机燃烧室冷却效率,采用热流固耦合方法以及Realizable k-ε模型,在两种吹风比下,对4种不同布局的切向发散冷却结构的流动和传热特性进行了对比分析。研究结果表明,在吹风比2.2时,冷却射流之间相互独立,孔布局对切向发散冷却结构的影响较小。在吹风比10.4时,正对排列结构的冷却射流交叉互补,更易形成全覆盖冷却气膜;而采用交叉排列结构由于各排冷却射流互相叠加,抬升涡增强使得冷却射流脱离壁面,导致展向均匀性变差且综合冷却效率降低。沿轴向等间距比“前密后疏”排列的综合冷却效率峰值更高。正对且等间距排列结构具有最佳的冷却效果,随着吹风比的增大,综合冷却效率提升幅度最大为17.6%,比交叉排列的两种结构综合冷却效率高出约46%。基于模拟结果拟合了正对且等间距孔布局的首排孔冷却效率关联式,试验值与模拟结果的误差在±2%以内。     

一种新型月壤水冰采样系统设计及试验验证

针对月球极区永久阴影坑深低温环境下,月壤水冰的硬度和机械强度很高,铲挖、钻进等常规采样方式难以实现低耗、快速采样的问题,提出了利用火工爆燃作动的动能侵彻方式快速构建月壤剖面孔洞,利用机械臂将采样工具送至孔内实施样品精确采集的新采样方法,并据此设计了新型月壤水冰采样系统。设计并研制了侵彻单元工程样机,基于力学等效性原则制备了拟实靶体,对工程样机的侵彻效能开展了试验验证。试验结果表明,对于单轴抗压强度30 MPa的模拟月壤水冰力学等效物能实现快速侵彻,侵彻深度可达234 mm,侵彻时间优于1 s。提出的侵彻式造孔和采样方法具有轻量化、低能耗、高效率、高强度月壤对象突破能力强等突出优势,可为后续月壤水冰采样探测任务提供有益借鉴。     

支持效率优化的可配置制孔装备控制软件开发方法

针对飞机自动化装配制孔系统下位机开发过程中存在的下位机逻辑复杂、开发难度高的问题,提出了一种支持效率优化的可配置制孔装备控制软件开发方法,可根据工艺信息自动生成飞机自动化装配制孔系统下位机控制软件。对飞机自动化装配制孔流程进行了Petri网建模研究,利用赋时变迁Petri网分析了制孔流程的效率,为配置制孔装备控制软件提供依据。通过定义不同的工艺信息,可配置出适用于不同多轴制孔系统的下位机软件。