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2021年  第36卷  第10期

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气动热力学与总体设计
基于多缝放气自适应流动控制的超声速进气道数值研究
温玉芬, 张晨凯, 张正, 高晶晶
2021, 36(10): 2017-2028. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200487
摘要 HTML PDF(5035KB) icon274 icon238
摘要:
针对一种超声速混压式二元进气道，设计了多缝放气自适应流动控制方案，采用数值方法分别对有放气措施和无放气措施的进气道特性进行仿真对比分析，获得了放气对进气道自起动能力、临界性能及阻力特性的影响规律。结果表明：在进气道内收缩段开设系列放气缝，可以在保证进气道自起动能力的情况下大幅提升其临界性能，同时该种流动控制措施可通过唇口斜激波及其反射激波的移动实现放气量的自适应调节。对比分析发现，所设计的多缝放气流动控制方案，在设计状态下进气道的抗反压能力和总压恢复系数较无放气措施方案分别提高12.15%和7.11%，流量损失和阻力增加仅为0.71%和2.7%；巡航状态下，阻力增幅进一步减小，仅为1%。
某型涡轴发动机高低温起动性能试验与分析
祁斌, 刘涛, 杨彩琼, 夹福年, 朱明勇
2021, 36(10): 2029-2035. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210165
摘要 HTML PDF(2781KB) icon237 icon212
摘要:
开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡轴发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下转子的阻力矩和电动机扭矩的变化规律，指出了当前计算方法的局限性；对比了环境温度、燃油种类、燃油流量对发动机起动性能的影响，摸索出了该型发动机低温起动极限温度。试验结果表明：随着温度降低，滑油黏度增大，转子阻力矩增大，发动机带转转速和转子自转时间显著降低；在极限低温条件下，两种燃油对涡轴发动机起动性能影响非常大，而在高温条件下，采用上述两种燃油，发动机起动性能基本一致；该型发动机采用RP-3燃油能在-40 ℃环境下成功起动，而采用RP-5燃油，经过调油等措施最终只能在-20 ℃环境下成功起动；在一定范围内，增加燃油流量，能改善发动机采用RP-5燃油的起动能力。研究结论为同类发动机高低温试验提供了参考。
倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究
周攀, 陈仁良, 俞志明
2021, 36(10): 2036-2051. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200384
摘要 HTML PDF(7347KB) icon132 icon151
摘要:
由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型，针对直升机模式下的操纵策略，建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证，提出了适用于直升机模式的四种操纵方式，对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合，随后确定了一组相对合理的操纵方式，解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明：纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多；偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动，横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动；正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。
多旋翼无人机弹药发射过程扰动响应特性
王梓旭, 王振雄, 李攀, 陈鹏, 康凯
2021, 36(10): 2052-2060. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200387
摘要 HTML PDF(3764KB) icon146 icon159
摘要:
针对多旋翼无人机弹药发射过程的扰动响应问题，建立了弹药发射过程无人机飞行动力学模型。在考虑了基本增稳增控飞行控制的条件下，分析了弹药安装位置、质量、反冲量大小和倾斜发射角等参数对发射过程无人机位置、高度和姿态扰动响应的影响规律。分析表明：对于弹药水平发射，纵向安装位置对无人机水平位置扰动幅值具有重要影响，适当后置弹药安装位置可减小无人机位置扰动幅值，在其他参数一定的条件下，存在无人机位置扰动最小的弹药纵向安装位置。对于弹药倾斜发射，给出了无人机水平位置扰动幅值关于弹药安装位置和倾斜发射角的等值图，可为无人机和弹药的匹配选型问题提供参考。
基于Hankel阵的荧光油膜灰度与厚度预测模型改进
钱泓江, 董秀成, 张征宇
2021, 36(10): 2061-2071. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210147
摘要 HTML PDF(4267KB) icon158 icon166
摘要:
针对荧光油膜灰度与厚度关系数据采集方法较为繁琐、耗时耗力这一问题，研究了基于Hankel阵的系统辨识算法,并在此基础提出了Hankel阵误差修正模型和Hankel阵高阶迭代误差修正模型等两种改进方法，利用了极少数据量建立模型，实现了对其余未知荧光油膜厚度值的预测，且保持了较高的精度。试验结果表明：基于极少数据量建模以预测该数据量外的数据点这一特殊背景下，插值法的外插能力显得并不适用。而传统Hankel阵预测模型的预测精度为76.69%，Hankel阵误差修正模型和Hankel阵高阶迭代误差修正模型的预测精度分别为85.69%和89.25%，较之传统方法预测精度分别提高了9%和12.56%，为荧光油流技术领域针对荧光油膜灰度与厚度建模问题提供了一种可行技术路线，具有一定的实际工程应用意义。
动力传输
GMA椭圆油膜轴承性能实验
尹雪梅, 张一魁, 姬帅城, 吴超, 马明飞
2021, 36(10): 2072-2079. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210287
摘要 HTML PDF(3929KB) icon84 icon84
摘要:
为研究超磁致伸缩驱动器（GMA）椭圆油膜轴承性能，搭建了三自由度可控椭圆轴承实验装置，利用GMA动态控制了椭圆轴承所支撑转子的轴心轨迹，观察了椭圆轴承油膜形成和破裂过程，考察了轴径转速、进油压力、偏心率等参数对椭圆轴承油膜气穴位置的影响。实验结果表明：椭圆轴承动态气穴内存在润滑油丝，逆着旋转油流方向移动；随着转速升高或者偏心率增加，椭圆轴承圆周方向油膜破裂边提前；随着转速增加或者进油压力减少，椭圆轴承气穴位置逆着轴向油流方向移动。利用GMA合理控制椭圆轴承短轴油膜间隙，可以更好的抑制转子系统的工频振动。研究结果可为椭圆油膜轴承的稳定性提供参考。
承载传动误差最小的高重合度弧齿锥齿轮波动齿面设计
牟彦铭, 何雪明, 方宗德
2021, 36(10): 2080-2089. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200502
摘要 HTML PDF(4421KB) icon74 icon116
摘要:
为改善航空弧齿锥齿轮的承载啮合性能，结合ease-off技术提出一种波动齿面设计方法以降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差。鉴于中凹型修形曲线（修形齿面的几何传动误差曲线）可极大地减小高重合度弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值，创建一种与高重合度相适应的波动齿面修形模型；结合ease-off技术建立以降低承载传动误差波动幅值为目标的优化模型；通过优化得到具有良好啮合性能的高重合度弧齿锥齿轮。分析发现：优化后2阶传动误差设计弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值降低了34.152%，而由波动齿面设计方法所得改进修形弧齿锥齿轮的承载传动误差进一步降低了61.492%，有效地改善了高重合度弧齿锥齿轮传动性能，为高性能弧齿锥齿轮齿面设计奠定理论基础。
基于自适应分段混合系统的轴承故障诊断
王珊, 牛萍娟, 郭永峰, 王辅忠, 马雪茹, 韩丽丽, 王燕
2021, 36(10): 2090-2100. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200381
摘要 HTML PDF(6239KB) icon72 icon71
摘要:
针对强噪声背景下轴承早期故障的诊断问题，提出一种基于自适应分段混合随机共振（adaptive piecewise hybrid stochastic resonance,APHSR）系统的检测方法。采用经验模态分解法（EMD）进行信号预处理，分别采用能量密度法和相关系数法去除高、低频噪声，自动筛选最优固有模态函数，经尺度变换后输入分段混合随机共振系统模型，提取故障信号。工程实验显示：经过APHSR系统，轴承故障特征频率的频谱幅值、频谱幅值与周围最大噪声之差和最大信噪比（SNR）均高于经验模态分解和经典随机共振方法，其中齿轮箱故障轴承信噪比分别提高了9.579 dB和7.473 dB，转子故障轴承信噪比分别提升了8.597 dB和5.695 dB，对凯斯西储大学故障轴承数据处理后的信噪比分别提升了3.369 dB和17.043 dB。数据表明APHSR方法具有高效性，提高了轴承故障信号诊断能力。
公-自转耦合的滚针轴承保持架振动特性
王玉波, 周彩虹, 邓凯文, 邓四二
2021, 36(10): 2101-2113. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200518
摘要 HTML PDF(6199KB) icon94 icon103
摘要:
建立了含公-自转耦合的行星轮滚针轴承动力学微分方程组，采用gear stiff（GSTIFF）变步长积分算法对微分方程组进行求解，对比研究了有无公转工况下保持架的打滑率和振动特性，分析了公-自转耦合工况下结构参数和工况参数对两者的影响。结果表明：纯自转工况下保持架振动加速度幅频图各倍频处对应1个幅值，公-自转耦合工况下各倍频处对应2个幅值；在公-自转耦合工况下，保持架振动幅值随径向力和公转速度的增大而增大，随自转速度的增大而减小，存在一个最优间隙比，即间隙比为1左右时使保持架振动幅值最小；保持架打滑率变化趋势与纯自转时一致，但数值减小且减幅越来越大；综上，公-自转耦合工况下会增大保持架径向振动特性，减小周向振动特性。
结构、强度、振动
Z-pin高效拉挤用双马来酰亚胺树脂改性
周洲, 还大军, 李勇, 李丽沙, 刘洪全, 焦洋
2021, 36(10): 2114-2125. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200479
摘要 HTML PDF(5337KB) icon94 icon225
摘要:
为了满足双马来酰亚胺树脂（BMI）应用于Z-pin高效拉挤的需求，要求其具有低黏度（500 mPa?s）、耐热（玻璃化转变温度大于200 ℃）、固化快以及韧性好等性能。使用TDE-85环氧树脂（EP）降低BMI黏度，并进一步加入改性剂提高树脂的耐热性和力学性能。分别采用黏度测试、差示扫描量热分析、热重分析、力学性能测试等方法研究树脂固化工艺、固化反应动力学、耐热性以及基本力学性能，筛选最佳树脂体系制备Z-pin并进行性能测试与分析。研究结果表明：TDE-85环氧树脂的加入可以有效降低树脂体系的黏度，满足高效拉挤工艺性需求。加入改性剂二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）提高了EP-BMI体系的韧性和耐热性，玻璃化转变温度为251 ℃，综合性能达到最优。浇铸体拉伸强度、冲击强度分别为66 MPa、21 kJ/m2，分别提高了38%、53%。Z-pin短梁剪强度为67 MPa，与基体结合强度为31.2 MPa。改性树脂体系充分满足Z-pin高效拉挤的工艺需求和性能要求，具有良好的工程应用价值。
转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响
陈世金, 帅琪琪, 陈晓阳, 顾家铭, 刘朝霞
2021, 36(10): 2126-2138. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200484
摘要 HTML PDF(6626KB) icon95 icon175
摘要:
建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例，分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明：无转子不平衡量时，转轴振动仅包含保持架频率，而转子不平衡时，转轴振动除保持架频率，还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大，内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大，而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大，且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大，保持架质心运动越不稳定，而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外，还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率，说明保持架运动受转子振动的影响。
取向相关的单晶高温合金低周疲劳寿命评估方法
隋天校, 石多奇, 王相平, 杜伟, 杨晓光
2021, 36(10): 2139-2148. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200521
摘要 HTML PDF(5171KB) icon86 icon160
摘要:
为研究单晶(SC)高温合金低周疲劳（LCF）性能各向异性规律，收集了SC7-14-6、DD3、PWA1480、Rene N4与DD6共5种单晶合金的低周疲劳试验数据，校验了文献中单晶合金不同晶体取向的弹性模量计算方法，利用不同取向的弹性模量对总应变幅进行修正，提出了一种简单的适用于单晶合金不同取向的低周疲劳损伤参量，进而形成了取向相关的单晶合金低周疲劳寿命评估方法，利用上述5种合金的试验数据对方法进行了验证。结果表明：弹性模量是单晶合金LCF性能各向异性的重要影响因素；文献中的不同晶体取向弹性模量换算方法较为可靠；所提低周疲劳寿命评估方法的预测结果大多在2倍分散带内。此方法形式简单、效果显著，较为适合工程应用。
叶轮机械
湍流参数对风扇宽频噪声预测影响
杨野, 王良锋, 洪少尊, 刘旭亮, 杨党国
2021, 36(10): 2149-2156. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200357
摘要 HTML PDF(3029KB) icon103 icon103
摘要:
对于现代先进涡扇发动机，占比越来越大的风扇/压气机宽频噪声成为亟需解决的问题。基于三维风扇声源模型，开展了湍流输入参数对宽频噪声预测影响的研究。结果表明：后传声功率级比前传声功率级普遍高5 dB左右；当湍流参数增大时，也会较大幅度改变前传和后传的声功率级，但对频谱形状影响较小；声功率级随湍流积分尺度增大而减小，随背景湍流速度、中心线湍流速度、湍流宽度增大而增大，其中背景湍流速度对宽频噪声影响最大。发现湍流参数通过作用于上洗速度谱来影响宽频噪声预测结果。
压气机静子非轴对称端壁优化设计及实验
王佳宇, 胡骏, 姜超
2021, 36(10): 2157-2172. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200389
摘要 HTML PDF(9017KB) icon144 icon121
摘要:
为了探索多级压气机环境下非轴对称端壁优化设计方法，通过数值仿真优化和实验测试方法对某中间级静子的机匣端壁和轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型研究，提出了在优化时将目标函数选择为近端壁的局部叶高总压损失系数。结果表明：相较于传统的全叶高总压损失系数作为目标函数的优化方法，该优化方法可以在较少的优化步数（400步）内使得静子总压损失系数下降更多，这表明该方法可以有效降低优化耗时，为多级压气机中进行非轴对称端壁优化设计的工程应用奠定基础。
端壁倒圆半径误差对高负荷静叶栅性能影响的不确定性分析
郭正涛, 楚武利, 姬田园, 杨吉博, 张耀峰
2021, 36(10): 2173-2185. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200519
摘要 HTML PDF(6136KB) icon105 icon101
摘要:
为对压气机静子叶片高精度设计与制造提供有力参考，以某高负荷压气机静子叶栅为研究对象，采用基于高斯分布型随机输入的非嵌入式多项式混沌方法，量化评估了端壁倒圆半径误差对最小损失和近失速两个工况下气动性能的不确定性影响。结果表明：倒圆半径误差的不确定性对气动性能的平均水平影响不大，主要反映在气动性能参数的标准差上。提高倒圆半径的加工精度可提升气动性能的鲁棒性近一倍。加工精度一定时，为对叶片进行鲁棒性优化设计，应重点关注近失速工况下气动损失的鲁棒性。根据公差带内端壁倒圆半径与近失速工况下气动性能的关联性分析，倒圆半径与气动性能呈线性关系，应避免倒圆半径与设计值相比偏小的叶片投入使用，以期获得良好的气动性能。通过近失速流场的不确定性分析，分离流动对于倒圆半径误差更为敏感，是引起气动性能不确定性变化的主要因素。
燃烧、传热、传质
燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟
江立军, 曹俊, 陶焰明, 熊清勇, 肖为
2021, 36(10): 2186-2196. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200493
摘要 HTML PDF(5467KB) icon123 icon249
摘要:
为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理，采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究，分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明：尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度，并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时，涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离，燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。
风洞侧壁干扰对机翼表面霜冰的影响
郭奇灵, 刘森云, 易贤, 郭向东, 刘宇, 杨升科
2021, 36(10): 2197-2206. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200517
摘要 HTML PDF(4520KB) icon73 icon79
摘要:
采用数值模拟的方法研究了不同阻塞度下侧壁干扰对NACA0012翼型表面霜冰生长的影响。通过对流场和水滴撞击特性的研究发现：侧壁干扰会压缩来流空气，致使更多水滴跟随气流向机翼前缘汇集，增大了翼面水滴收集系数，且翼面水滴总收集量与阻塞度成正比、与液滴雷诺数成反比；同时会改变水滴的撞击方向，使水滴撞击极限和最大水收集系数的位置发生偏移。采用多步法对结冰特性的研究发现：在基准计算工况下，当阻塞度为20%时，侧壁干扰效应带来结冰量的相对附加增量约为16%；在同一阻塞度下，各时间步长内的结冰相对附加增量基本相等。提出了一种表征侧壁干扰对水滴收集影响强弱的因子，该影响因子与水滴收集相对附加增量具有较高的线性关系。
自动控制
推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制
雷灏, 陈柏屹, 刘燕斌, 陆宇平
2021, 36(10): 2207-2217. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200457
摘要 HTML PDF(4478KB) icon94 icon80
摘要:
为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性，提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型，开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征，并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型，分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪，设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比，大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形，当载荷较大时，配平构型近似“U”形，此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明：大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外，纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响，否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。
基于慢特征密度聚类的气路异常检测方法
孙昊, 付旭云, 钟诗胜
2021, 36(10): 2218-2229. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200382
摘要 HTML PDF(4569KB) icon78 icon80
摘要:
在结合核技巧、慢特征分析算法与密度聚类方法的基础上，提出了基于混合核慢特征分析和密度聚类的慢特征密度聚类算法，实现了基于民航发动机气路参数原始值的异常检测。核技巧的引入克服了慢特征分析法处理复杂数据时可能存在的维度爆炸问题，充分利用不同核函数的特点和慢特征分析的优势从气路参数原始值中提取出随时间变化最缓慢的特征作为密度聚类算法的输入，最终筛选出异常值。经实验对比发现，该方法针对某些异常拥有最好的聚类效果和最低的虚警率，尤其是检测可调放气活门系统异常时虚警数量不到样本总数量的0.5%，是一种有效的方法。
火箭发动机
火焰稳定器相对参数对水冲压发动机燃烧及其内流场的影响
李尚中, 向敏, 杨希祥, 谢泽阳, 张为华
2021, 36(10): 2230-2240. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200491
摘要 HTML PDF(4424KB) icon133 icon131
摘要:
在水冲压发动机燃烧室中设置钝体火焰稳定器，可使部分已燃高温燃烧产物在火焰稳定器后部的回流区内不断点燃新鲜的可燃混合物，从而实现稳定高效燃烧。通过改变火焰稳定器相对金属燃料入口高度及相对一次进水位置，对比分析了相对入口高度和相对一次进水位置两种不同相对参数对于燃烧室内掺混、燃烧以及火焰稳定效果的影响。结果表明：当相对高度H>1时，燃烧火焰无法稳定在回流区。当火焰稳定器相对位置不变时，在一定范围内，随着相对高度H减小，火焰稳定效果增加，且存在较优的相对高度(H=1)使燃烧室内的掺混效率和火焰稳定效果较好。当保持相对高度H=1不变的情况下，综合考虑火焰稳定效果、铝/水掺混效率以及发动机工作性能，L=0.5是较为理想的火焰稳定器相对位置。

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