航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述

整机总体性能仿真是航空发动机及燃气轮机仿真的重要组成部分,在航空发动机及燃气轮机的设计制造和使用全寿命周期内发挥着重要作用。综合70多年来航空发动机及燃气轮机总体性能仿真的发展成果,梳理了各时期总体性能仿真的发展历程。从基本方法、模型精细化、求解算法和修正方法等角度,分析了国内外以部件级模型为代表的基于物理机理的总体性能仿真方法研究现状;探讨了以人工神经网络、支持向量机和深度学习为代表的人工智能算法在总体性能仿真中的应用现状;介绍了机载模型、机理-数据混合模型和多维度模型基本方法和主要成果。基于目前的研究成果和技术发展趋势,认为航空发动机及燃气轮机总体性能仿真应向物理机理模型更精细化、人工智能技术更深入和应用模型构建更为规范化的方向发展。     

航空发动机机载健康管理系统设计方法

为解决航空发动机机载健康管理系统正向设计流程不清晰、设计需求不明确、需求设计对应及追溯不规范的问题,在对比国内外现有健康管理功能架构体系的基础上,结合正向设计中需求捕获、需求分析和功能分配,研究了由上到下的航空发动机健康管理系统正向设计基本流程,开发了航空发动机健康管理正向设计流程平台,实现了机载功能架构的设计。引入基于模型的系统工程思想,采用面向对象的工程设计思路,建立功能目标量化、功能描述、模块定义等图形化设计方法,验证了该设计方法在硬件设计中的可用性。通过研究航空发动机机载健康管理系统设计方法并分析机载功能组成,建立了可扩展的流程平台,基于模型设计方法建立了可用的硬件设计模型,可为航空发动机机载健康管理系统设计提供参考。     

基于动网格技术的飞机舱弹分离过程 CFD/ RBD耦合数值仿真

飞机舱弹分离瞬间特性严重影响导弹/炸弹的打击精度。采用计算流体动力学(CFD)和刚体动力学(RBD)模型耦合求解的数值仿真方法,应用网格弹性光顺和局部重构相结合的动网格技术,有效地避免了刚体运动而引起的网格畸变,仿真计算了炸弹舱弹分离后俯仰角度变化过程 .仿真结果表明,舱弹分离时向炸弹施加 1个合适的抛 射力矩,有助于炸弹在下降过程中快速地调整其打击姿态。     

快速交叉验证改进的运载火箭近似建模方法

针对运载火箭智能化设计对近似模型计算效率及精度提出的更高要求,提出快速交叉验证改进的径向基函数(RBF)近似建模方法。RBF是非线性多峰耗时模型近似建模的重要方法之一,其基函数形状参数的合理确定可大幅提升RBF近似模型预测精度。针对现有RBF形状参数确定中待求变量多和计算复杂等问题,提出基于样本局部密度的形状参数表征方法。将多个形状参数的复杂域优化问题转化为缩放系数确定的单变量优化问题,实现形状参数优化与训练样本数量解耦。提出通用快速K-折交叉验证算法合理确定缩放系数,推导出通用交叉验证误差求解过程中高阶矩阵快速求逆和交叉验证误差快速求解公式,将径向基函数形状参数确定的计算复杂度从n³降低为(n/k)³,提升了径向基函数近似建模效率和精度。采用数值算例和工程算例进行校验,结果表明本文方法具有较好的预测精度和通用性,在飞行器设计领域有一定的工程应用价值。     

耦合聚类的数据驱动稀薄流非线性本构计算方法

临近空间环境下的稀薄流动具有典型非平衡特征,现有数值模拟方法在面对多尺度共存的复杂流动现象时难以同时高效、准确描述。结合近些年兴起的机器学习理论与建模方法,基于数据驱动非线性本构关系（DNCR）为稀薄非平衡流动快速求解提供了一种全新的物理建模思路。为进一步提升DNCR方法的泛化性能、模型训练与计算效率,本文在DNCR方法中首次引入高斯混合模型（GMM）与稀疏主成分分析（SPCA）在回归模型训练预测前对训练集与预测集数据进行聚类预处理,建立了耦合聚类模型的数据驱动非线性本构计算方法。相关算例预测结果表明：在DNCR可解释性方面,GMM与SPCA方法可以不依靠人工经验通过流场数据提取出不同流动中的主导物理量,提升了DNCR方法的可解释性与鲁棒性;在计算效率方面,GMM与SPCA方法能在大量流场样本下对数据点进行精准聚类,排除冗余信息的干扰,提高了方法的并行计算效率,降低了回归模型的训练预测时间,同时有利于后期添加新样本数据时模型的更新与维护;在计算精度方面,GMM与SPCA方法在简单特征流动预测中能够在保持现有预示精度的前提下提高计算效率,并在面对复杂流动特征耦合预测场景时有效提高DNCR方法预测精度。     

基于叶端定时的转子叶片动应变重构不确定性量化

基于叶片非接触式动应变重构理论,开展动应变重构不确定性量化方法研究。基于方差合成定理建立重构叶片动应变不确定性量化分析模型;以模拟转子叶片为研究对象,开展旋转叶片叶端定时试验,利用周向傅里叶算法获取不同叶端定时传感器布局下的测点振幅,通过最大熵方法拟合振幅分布概率密度函数,确定叶端定时测振的不确定性参数;结合Kriging代理模型和试验共振频率数据对叶片有限元模型进行修正,获取关键测点位移?应变转换因子,并获取考虑共振转速以及测点位置不确定性的转换因子不确定性参数;获取重构动应变的均值、标准不确定度和包含区间,与应变片测量数据作对比。结果表明,除5号叶片A测点外,测量动应变均位于重构动应变的95%置信度下的包含区间内,且所有叶片的应变片测点动应变重构误差不超过15%。      

多重应力下滚动轴承剩余寿命预测

为了实现多重应力下滚动轴承的剩余寿命预测,有效利用不用应力下的退化数据,提出了一种基于加速模型和贝叶斯（Bayesian）理论的滚动轴承剩余寿命预测方法。通过拟合优度检验和威布尔（Weibull）概率图检验法对滚动轴承试验中的数据进行有效性分析。利用switching Kalman filters（SKF）判断滚动轴承各时刻的退化状态。当滚动轴承进入加速退化时,用指数模型拟合轴承退化过程,利用广义线性对数模型表示退化模型参数与应力的关系,根据修正后的轴承实时退化数据利用贝叶斯算法更新模型参数,得到滚动轴承剩余寿命的概率密度函数,从而实现滚动轴承剩余寿命预测。采用XJTU-SY轴承数据集进行验证,预测结果的均方根误差在20 min以内,证明该方法能够有效预测滚动轴承的剩余寿命。      

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明:多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。      

不同反应机理的火焰面模型模拟射流火焰

用一维火焰分析并构建火焰面数据库,基于稳态层流火焰面（SLFM）模型分析不同化学反应机理对火焰面数据库及模拟结果的影响。基于大涡模拟（LES）程序AECSC(aero engine combustor simulation code)软件,SLFM模型结合DRG（direct relation graph）方法简化机理、Smooke机理、GRI 3.0详细机理模拟高雷诺数甲烷射流Flame D、E、F火焰,其中GRI 3.0机理的温度平均值和脉动值与实验数据最接近。相比LES-概率密度函数输运方程湍流燃烧（TPDF）模型,LES-SLFM方法计算速度快,整体精度接近TPDF计算结果。对化学机理影响火焰面数据库,从而影响模拟时间和精度的原因进行了系统分析。LES-SLFM模型结合详细机理速度快、精度合适,未来可以进一步用燃烧室算例检验,具有应用的潜力和发展价值。      

用于EMI测量接收机脉冲响应校准的标准脉冲信号产生方法

EMI测量接收机作为电磁兼容测试中的关键仪器应用越来越广泛,但目前该类仪器的脉冲响应校准所用的标准源完全依赖于进口,国内尚无可替代的标准脉冲信号产生器。介绍一种用于EMI测量接收机脉冲响应校准的标准脉冲信号产生方法,首先建立标准脉冲信号的参数模型并对其进行数值分析和仿真,验证其符合CISPR 16-1-1标准的要求,之后搭建实验系统,利用标准脉冲信号生成软件控制任意脉冲信号发生器输出标准脉冲信号并对其进行补偿修正,获得符合CISPR 16-1-1标准要求的标准脉冲信号,该信号可用于EMI测量接收机脉冲响应的校准。