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2020年  第35卷  第5期

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结构、强度、振动
几种压电网络用于叶盘结构减振的机理分析
李琳, 张凤玲, 范雨
2020, 35(5): 897-908. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.001
摘要 PDF(6263KB) icon520 icon673
摘要:
针对几种有望用于叶盘结构等循环对称结构减振的压电网络技术开展机理研究。为说明能量耗散及能量平衡两种不同的机理对减振、抑振效果的影响,基于集总参数模型对带有分支、并联网络、串联网络3类电路的叶盘结构开展了数值研究。对比了3类电路在谐调和失谐叶盘上所能达到的最佳减振效果及其随着失谐强度变化的规律,展示压电网络中能量耗散机理的作用。在非周期压电网络中加入了电阻,讨论了两种机理的共同作用。还给出了非周期压电网络最佳连接方式选择的定性建议。研究发现:将所有压电片连接到同一个网络并不能显著增加阻尼性能。在失谐叶盘上找到了无任何电路元件且只含少量叶片的非周期压电网络的最佳连接形式,说明了能量分配机理的作用。可以做到只将少数叶片连入网络(例如24个叶片中的2个或4个),无需加入任何电路元件就可以达到降低失谐响应放大效应的作用。
亚声速气流激励下旋转叶片的饱和渗透现象
刘艮, 陈贡发, 袭安
2020, 35(5): 909-917. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.002
摘要 PDF(2519KB) icon461 icon561
摘要:
研究了在1∶2内共振条件下,压气机叶片在亚声速气流作用下的非线性耦合振动响应。利用涡格法得到了三维绕流压气机叶片的横向气动载荷。采用Chebyshev-Ritz法获得旋转叶片的第一阶扭转模态和第二阶弯曲模态的模态函数,并将计算出的前三阶频率并与有限元计算结果进行对比。利用Galerkin法对系统的偏微分方程进行截断,得到扭转模态与弯曲模态的两自由度常微分方程。通过对存在线性刚度项耦合的系统进行了求解,得到了系统存在的两种可能的解支,并对其进行稳定分析。通过对系统两阶模态间能量传递的分析,计算了当调谐参数为σ=0,σ1≠0以及调谐参数为σ=0,σ1=0时系统扭转模态与弯曲模态的力-幅曲线,分析了模态幅值间的饱和行为和能量传递的现象,当外激励调谐参数σ1=0时,扭转模态幅值的跳跃现象消失。同时分析了不同参数对力-频、幅-频特性的影响。
涡轮叶片早期裂纹的三维叶尖间隙EEMD能量熵融合诊断方法
黄鑫, 张小栋, 刘洪成
2020, 35(5): 918-927. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.003
摘要 PDF(4022KB) icon411 icon558
摘要:
为了解决航空发动机涡轮叶片早期裂纹故障信号微弱、难以识别的问题,提出一种基于三维叶尖间隙集成经验模态分解（EEMD）能量熵融合的涡轮叶片早期裂纹诊断方法。采集涡轮叶片三维叶尖间隙信息,利用EEMD分别对三维叶尖间隙各维信号进行处理,得到相应的固有模态函数(IMF),以此计算每一维信号分量EEMD能量熵,构建能表征叶片裂纹状态的不同EEMD能量熵高维矢量集。建立多个堆叠自动编码器(SAE)分别对各高维矢量集进行特征学习并提取所学习的深层特征表达。利用支持向量机算法(SVM)和遗传算法(GA)融合各维深层特征以综合不同维度信息进而充分判定叶片裂纹状态。通过涡轮叶片裂纹诊断试验,结果表明:所提方法能有效提高叶片早期裂纹诊断精度,其平均准确率达到98.415%,标准差仅为0.697%,具有很好的稳定性、泛化性和自适应性。
钛合金齿轮LPES法表面强化的电场与流场
陈飞飞, 卢文壮, 陈蒙
2020, 35(5): 928-937. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.004
摘要 PDF(5727KB) icon385 icon507
摘要:
针对TC4钛合金齿轮复杂曲面液相等离子体电解渗透(LPES)表面强化放电困难的问题,基于仿真分析和实验验证的方法,建立了齿轮表面强化系统仿真模型,进行了强化系统电场和流场仿真,确定了齿轮复杂表面放电机理,研究了电极系统参数和入口流速对强化层形成的影响。结果表明:齿轮复杂表面放电困难的根本原因在于电场的分布不均。采用啮合形阳极时的电场和强化层均匀性较好。电极距离过小容易造成强化系统的短路,过大时会降低强化层的均匀性和厚度。合理的系统电解液流速对放电的稳定性和强化层的形成均具有重要的意义。相较于未处理时的基体,强化后的齿轮表面耐磨性有了明显提升。
薄壁圆筒结构工作变形的连续扫描激光测振方法
张弓, 臧朝平, 李繁
2020, 35(5): 938-943. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.005
摘要 PDF(3970KB) icon413 icon495
摘要:
提出了一种薄壁圆筒结构外表面工作变形(ODS)连续扫描激光多普勒振动测试方法。将旋转平台与电动机控制引入激光连续扫描,发展了一种与激光连续扫描路径相匹配的电动机控制算法,使连续扫描激光振动测试应用于薄壁圆筒结构;对试验件进行了薄壁圆筒结构外表面激光连续扫描测试,获取了500 Hz内的前5阶模态,结果表明:该测试方法与商用激光离散点扫描测试模态振型的相关性在0.96以上,验证了薄壁圆筒连续扫描激光多普勒振动测试的可行性与准确性。连续扫描激光测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有指导意义和实用价值。
燃烧、传热、传质
二元收扩喷管设计参数对红外特征影响的数值研究
施小娟, 吉洪湖
2020, 35(5): 944-955. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.006
摘要 PDF(4493KB) icon443 icon573
摘要:
采用正交试验设计方法进行排气系统红外辐射(IR)特征数值模拟算例的设计,研究了二元收扩喷管(2D-CD)喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角和扩张半角等参数对排气系统红外辐射特征的影响,并且开展了参数对排气系统红外辐射特征影响灵敏度的分析。结果表明:扩张半角是影响二元排气系统红外辐射特征空间范围最宽的参数,收敛半角主要影响尾向10°~30°范围的红外辐射特征,喉部宽高比主要影响正尾向0°和侧向90°的红外辐射特征,喉部型面半径比对红外辐射特征的影响较小;二元排气系统不同方向上红外辐射特征的最主要影响参数不同,正尾向0°方向上的最主要影响参数是喉部宽高比,侧向90°方向上的最主要影响参数按影响程度大小排序依次为扩张半角、喉部宽高比。
基于液氮冷源的液态甲烷过冷加注工艺
陈强, 孙庆国, 王天祥
2020, 35(5): 956-962. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.007
摘要 PDF(1473KB) icon394 icon478
摘要:
针对商业火箭公司对于液态甲烷过冷加注的需求,开展了基于液氮冷源的甲烷过冷加注系统方案设计,并计算得到了不同甲烷流量和液氮压力参数下的过冷器换热面积。为了防止液氮温度过低造成液态甲烷凝结,参考现有液氧和煤油工艺流程,提出2种不同控制策略的甲烷过冷加注系统,并详细对比分析了这2种系统所能实现的6个不同工艺流程。结果表明:基于背压控制的加注系统相比于基于液位控制的系统具有更高可靠性,同时前者能够实现在线实时加注工艺,原因在于其通过控制换热器中液氮压力来保证液氮温度始终高于甲烷冰点。甲烷过冷器换热面积与甲烷加注流量、液氮背压均成正比,在具体工程实施中应当根据加注需要选取合适的加注流量和液氮背压,以减小过冷器尺寸和降低设备制造成本。
部分喷嘴关闭对预旋供气系统参数均匀性影响的计算
雷昭, 刘高文, 顾伟
2020, 35(5): 963-972. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.008
摘要 PDF(7375KB) icon356 icon458
摘要:
为了研究部分喷嘴关闭对预旋供气系统的供气流量和供气温度及其均匀性的影响,采用稳态的固定转子相位法对180°旋转盘腔进行了数值模拟,并通过改变转子相位的稳态计算来近似模拟瞬态问题的时空变化特性。结果表明:在设计点工况(系统压比为1.32,旋转马赫数为0.678)下,喷嘴流通面积关闭14.3%时,引气总流量和供气总流量分别下降10.9%和9.9%。单个供气孔流量的波动幅度由1.1%增大为5.4%。供气的相对总温降低1 K左右,波动幅度由约0.5 K增大为1.5 K。
利用上游沙丘形斜坡增强气膜冷却
张盛昌, 张靖周, 谭晓茗
2020, 35(5): 973-982. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.009
摘要 PDF(7349KB) icon430 icon526
摘要:
在平板上开设单排气膜孔,并通过红外测温法,实验研究了四个典型吹风比(0.5、1.0、1.5和2.0)下圆柱形气膜孔(CH)安置上游沙丘形斜坡(SDR)的绝热气膜冷却效率,并与平直楔形斜坡(SWR)进行了对比,同时结合数值模拟对不同形状的上游斜坡作用机制进行了剖析。研究结果表明：相比SWR,SDR可以诱导出特有的反肾形涡对,因而其在强化气膜冷却方面更具优势。在小吹风比下(吹风比为0.5),SWR和SDR可以分别提高特定区域(孔下游15倍孔径范围内)的面积平均气膜冷却效率达26%和75%左右,在高吹风比下(吹风比为1.5),两者的相对提高幅度分别高达100%和150%左右。
狭缝型接受孔对径向预旋系统的影响
张凯, 王锁芳, 侯晓亭
2020, 35(5): 983-991. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.010
摘要 PDF(3926KB) icon356 icon443
摘要:
为提高径向预旋系统温降减少系统的流动损失,运用数值模拟方法对比分析不同长宽比的狭缝型接受孔及传统直孔型接受孔对预旋系统温降流阻特性的影响。结果表明,随着狭缝长宽比在1~10范围内增加,接受孔有效流通面积增大,喷嘴出口气流流速及系统无量纲质量流量均增大;当旋转雷诺数大于2.6×106时,系统温降随着狭缝长宽比的增加而增加,总压损失随之先增加后趋于稳定。长宽比为6~10的狭缝型接受孔较传统直孔型接受孔有更高的温降及较高的压力损失。当旋转雷诺数等于7.9×106,长宽比为10的狭缝式接受孔较传统直孔接受孔系统温降系数增加36.7%,总压损失系数增加2.2%。
气动热力学与总体设计
二元弯曲压缩进气道变攻角起动试验
朱伟, 华正旭, 王霄
2020, 35(5): 992-999. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.011
摘要 PDF(4313KB) icon436 icon579
摘要:
开展了内外压缩型面可控的弯曲压缩进气道反设计方法研究,并针对设计的二元弯曲压缩进气道进行了不同马赫数下变攻角起动数值仿真及试验研究,获得了进气道起动攻角迟滞环,仿真与试验得到的不起动/自起动攻角、出口流场以及压力分布吻合良好,同时试验结果也表明设计的弯曲压缩进气道具有较高的综合气动特性,设计点Ma=4、α=3°抗反压能力70倍来流压力以上,总压恢复系数在0.5以上。
发动机进排气系统对飞机气动特性影响的数值研究
高翔, 李密, 王定奇
2020, 35(5): 1000-1008. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.012
摘要 PDF(4490KB) icon491 icon606
摘要:
为了分析发动机与飞机系统耦合过程中产生的气动力特性,准确获取实际使用条件下的飞机升阻特性,以带动力的某半模飞机模型为研究对象,开展了三维流场数值仿真计算,利用风洞试验数据对计算方法进行了验证,总结了溢流阻力及排气干扰阻力的变化规律,结果表明:发动机状态变化对飞机升阻特性影响明显,在选定的发动机工作参考状态下,溢流阻力在飞机系统升力与阻力方向的分量随捕获面积比的增大分别增大、减小,排气系统实际工作状态偏离选定的参考状态越远,干扰阻力在飞机系统升力和阻力方向分量的绝对值越大。
0.3 m低温风洞液氮供给系统研制
张伟, 高荣, 张双喜
2020, 35(5): 1009-1017. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.013
摘要 PDF(2348KB) icon313 icon373
摘要:
基于系统级的一维热流体模拟分析,建立了适用于研究分析0.3 m低温风洞液氮供给系统的数学模型,并开展了系统漏热、两相流及缓冲罐中液氮容积等流体动力学分析;在系统现有控制策略及试验数据的基础上,基于该数学模型开展了系统压力动态响应分析,获得了在阀门动态调节过程中管网压力的瞬态响应,计算结果与试验值的总体误差控制在10%以内。喷射压力一致化改造避免了阀间干扰,添加的回流管道消除了供给末端的两相流现象,使喷射压力控制精度达到1.1%,调节时间减少到23 s,实现了风洞总温快速安全调节和精确控制。
多旋翼飞行器涡环状态数值模拟
王军杰, 陈仁良, 王志瑾
2020, 35(5): 1018-1028. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.014
摘要 PDF(6495KB) icon329 icon435
摘要:
旋翼类飞行器在进入涡环状态时极易发生安全事故。采用基于非结构网格的滑移网格技术对多旋翼飞行器的气动特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。分别模拟了多旋翼飞行器垂直下降状态和30°斜向下下降状态时的流场,得到该状态下多旋翼飞行器的气动特性和滑流区流场规律,并分析了力与功率的变化规律。研究发现:多旋翼飞行器在垂直下降状态和30°斜向下状态均会进入涡环状态,在垂直下降速度为4 m/s时,多旋翼飞行器已经处于涡环状态,旋翼的拉力损失会达到15%,旋翼功率随下降速度的增大先增大后减小,且不同旋翼拉力大小和功率大小不一致。当30°斜下降速度为4~6 m/s时,多旋翼飞行器处于涡环状态。该结论可为多旋翼无人机的安全飞行提供参考。
叶轮机械
大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟
郭晋, 胡骏, 屠宝锋
2020, 35(5): 1029-1041. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.015
摘要 PDF(7231KB) icon449 icon457
摘要:
基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。
微燃机双面复合叶轮压缩特性
张呈, 王云, 王科
2020, 35(5): 1042-1050. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.016
摘要 PDF(5793KB) icon351 icon406
摘要:
为追求高性能参数、高新技术装备的核心机,基于结构融合、过程融合思想,对传统微燃机核心机进行融合创新。基于3D打印设计制造技术基础,创新设计了一种双面常规叶轮与空心涡轮叶片径向连接为一体的双面复合叶轮结构,有望成为未来极具潜力的高效叶轮。具体对基于双面复合叶轮的微燃机工作原理,结构方案及预期性能进行初步分析,重点对双面复合叶轮的压缩特性与后进气管换热特性进行了数值模拟研究。结果表明:该叶轮相比常规叶轮,压缩特性符合预期,较为理想,在压比、流量、效率方面均有显著提高;后进气管回收4.4 K尾气温度可提高热效率,为高气动性能、高循环参数的燃气轮机发展奠定了基础。
基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法
黄镜玮, 孟福生, 宋义康
2020, 35(5): 1051-1065. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.017
摘要 PDF(11808KB) icon331 icon385
摘要:
为提高大子午扩张涡轮端区气动及传热性能，基于大子午扩张涡轮上端壁静压场分布细节，使用Bezier曲线与正弦三角函数曲线相结合的非轴对称端壁造型技术，对某1.5级大子午扩张涡轮第2级静叶上端壁进行8种非对称造型设计，并通过SST（shear stress transfer）湍流模型数值求解RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方程组对造型前后端壁进行了流动与传热特性的研究。结果表明：对大子午扩张涡轮上端壁进行非轴对称造型设计可有效改善其上端区叶片通道内横向压差分布情况；对其上端壁压力面进行通道内凸起造型可降低出口总压损失，当凸起幅值为S2叶高的5%时，出口总压损失最多可降低约1.1%；对其上端壁吸、压力面均进行通道内凹陷造型将减小机匣与叶片的热负荷，当凹陷幅值为S2叶高的5%时，机匣及叶片的热负荷最多可分别降低约3.1%与2.8%。
动力传输
混合润滑条件下的星形人字齿轮系统温度场
林腾蛟, 黄河, 彭建涛
2020, 35(5): 1066-1080. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.018
摘要 PDF(12551KB) icon337 icon379
摘要:
针对星形人字齿轮系统,采用热弹流润滑理论和粗糙峰接触计算方法获得不同表面粗糙度下齿面各啮合位置的油膜承载比例及摩擦因数,结合齿面接触载荷和滑移速度计算,分析齿面热流密度分布状态;借助齿轮系统喷油润滑流场仿真得出系统油液分布及齿轮表面传热系数;基于流体动力学仿真和混合弹流润滑分析结果,建立齿轮系统稳态温度场有限元模型,仿真研究各齿轮表面的温度分布规律。结果表明:啮合区中心油膜越厚油膜承载比例越高;综合摩擦因数受几何参数和载荷影响,内、外啮合齿轮副从节点处向齿顶齿根位置摩擦因数呈先增大后减小趋势;太阳轮啮合频次高且散热较慢,温升高于其他齿轮,高温区位于齿顶和齿根,随粗糙度增大太阳轮温度明显升高。
非正交弧线齿面齿轮齿面设计及根切研究
陈勇, 冯占荣, 盛伟
2020, 35(5): 1081-1088. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.019
摘要 PDF(2379KB) icon323 icon373
摘要:
非正交弧线齿面齿轮是以端面渐开线弧线齿圆柱齿轮为假想刀具包络展成的面齿轮。根据面齿轮啮合原理推导了非正交弧线齿面齿轮齿面方程,结合Matlab数学模型和根切理论研究了该种面齿轮的根切现象,计算出面齿轮不产生根切的最大内径,并通过Catia仿真滚齿来验证计算的准确性。该研究旨在提出一种新型非正交面齿轮,通过理论推导及仿真模拟来研究该种面齿轮的根切现象,在此基础上探究非正交弧线齿面齿轮的内径影响因素。研究结果表明:在同等参数下,当位置参数增大时,刀具渐开线截面高度和内径逐渐减小,当刀具圆弧半径增大时,内径逐渐减小,刀具渐开线截面高度逐渐增大。
安全性 适航
民用涡轴发动机进气系统结冰试验
宋建宇, 吴晶峰, 邱长波
2020, 35(5): 1089-1098. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.020
摘要 PDF(2318KB) icon419 icon402
摘要:
围绕中国民航规章CCAR-33部R2版中第33.68条款适航要求,针对涡轴发动机提出了一种满足适航要求的试验方法,包括结冰关键点分析、结冰取证试验点选定、整机结冰取证试验三部分。结合涡轴发动机工作包线,开展结冰关键点分析以选定结冰取证试验点。在结冰包线内选择了若干结冰计算点,并计算每个点的结冰位置与结冰量。计算结果显示:温度接近0 ℃且海拔高度较低的区域是涡轴发动机结冰量显著的区域。结冰试验时在-4~-1 ℃的温度区间寻找刚出现结冰的温度点与结冰量最大的温度点。试验结果显示:结冰量最大的温度点是最严酷的结冰试验点。
运输类飞机燃油箱可燃性适航符合性方法
张瑞华, 刘卫华, 刘春阳
2020, 35(5): 1099-1108. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.021
摘要 PDF(3238KB) icon374 icon373
摘要:
基于国内运输类飞机适航认证需要,系统分析了CCAR/FAR25.981条款变迁历史、内涵与指标要求;并从型号申请人的角度针对适航取证过程中拟采取的符合性方法开展了初步探讨,归纳总结出不同类型油箱可燃性指标及符合性验证方法;在此基础上,研究了美国联邦航空局（FAA）官方颁布的油箱可燃性评估应用程序。研究表明:①燃油箱可燃性适航符合性验证工作重点是可燃性暴露时间评估方法的应用;不同类型油箱,所允许的机队平均可燃性暴露水平不同,其中,机身油箱是适航审定关注的重点;②为了确定隔舱的平均燃油温度、气相空间温度和油箱壁面温度,并根据平均燃油温度计算燃油箱隔舱的热时间常数和平衡温差以用于蒙特卡洛分析,最经济有效的方法是建立燃油箱热模型;③计算机队平均可燃性暴露时间的难点在于平衡温差与时间常数的准确获取,对于该问题,可以通过遗传算法追踪来予以解决。
火箭发动机
固体火箭冲压发动机流量可调燃气发生器控制算法
周景亮, 陈雄, 柴金宝
2020, 35(5): 1109-1120. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.05.022
摘要 PDF(3510KB) icon350 icon414
摘要:
固体火箭冲压发动机流量调节系统具有很强的时变性和非线性,在调节的初期存在流量负调现象,且推进剂不完全燃烧产生的颗粒容易附着于喉道,这些因素都将对调节性能产生消极影响。为处理上述问题,设计线性自抗扰控制器(LADRC)。仿真试验表明,所设计的LADRC对比于比例-积分-微分控制器(PID)具有更好的响应速度、精度、流量负调抑制能力以及抗干扰能力,在低压力和高压力两种工况下的响应时间均不超过1.5 s,超调量在1.5%以内;流量负调减小了3~4倍;对干扰的反应时间在0.4 s左右,干扰的偏离值仅为0.25 MPa,显著提高了燃气发生器的工作性能。

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