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2022年  第37卷  第4期

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结构、强度、振动
局部旋转惯性对转子系统动力特性的影响
洪杰, 杨哲夫, 孙博, 宋制宏, 马艳红
2022, 37(4): 673-683. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210579
摘要 HTML PDF(1912KB) icon242 icon212
摘要:
提出了基于质心和惯性主轴空间位置的转子旋转惯性描述方法，推导了旋转惯性载荷在不同运动状态下的完整表达式，建立了考虑轮盘质心横向运动和惯性主轴角向运动的连续梁转子模型及运动微分方程。分析表明：高转速下轮盘具有“质心自动定心”与“惯性主轴自动掰正”的趋势，这种旋转惯性将提高转子系统正进动模态频率，并增大转子支点动载荷，盘-轴连接局部角向刚度是决定其影响程度的关键。在此基础上，解释了高转速下转子支点动载荷随转速提高而持续增大的原因，探究了盘-轴连接局部角向刚度对转子系统固有特性和动力学响应的影响规律，为高转速复杂结构转子动力学设计与振动故障排查，提供了理论支撑。
基于晶体塑性的涡轮盘短裂纹扩展模拟方法
张凭, 陆山, 景鑫, 杨茂, 罗忠兵, 周荣欣
2022, 37(4): 684-693. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210230
摘要 HTML PDF(2497KB) icon164 icon157
摘要:
针对低周疲劳载荷下发动机涡轮盘早期短裂纹扩展行为，提出适用于工程结构的耦合晶体塑性（CP）理论和扩展有限元方法（XFEM）的多晶短裂纹模拟方法。该方法采用晶体内总累积分解切应变作为裂纹扩展判据并使裂纹沿最活跃滑移系对应的滑移平面传播。框架采用子模型技术/分区域网格细化以及宏-介观本构结合的方法解决真实工程结构和微观模型尺度不匹配的问题，在可接受的计算代价下预测了涡轮盘危险截面处的短裂纹扩展路径及速率。结果表明该结构内早期裂纹生长路径及速率受到晶体取向的影响而出现较大分散性，同时验证了基于CP-XFEM的框架在预测工程结构短裂纹扩展寿命及分散性上的可行性。
航空鼓形花键设计及其不对中接触特性
赵广, 王梦茹, 冯志飞, 王永泉, 郭梅, 苏常青
2022, 37(4): 694-703. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210177
摘要 HTML PDF(1999KB) icon169 icon229
摘要:
针对鼓形花键设计方法不完善、修形量范围无法确定的问题，提出利用花键齿面许用应力与内外花键配合干涉确定鼓形花键鼓形量的范围。以某航空发动机中央传动杆花键为例，开展鼓形花键设计；进而对比研究对中与不对中状态下普通花键和鼓形花键的接触特性。结果表明：对中状态下，普通花键接触应力集中于齿向加载端，而鼓形花键则集中于齿向中部且接触应力增大；不对中状态下，普通花键接触齿对数目显著减小且接触应力显著提高，而鼓形花键的均载性显著且接触应力降低；随着不对中的增大，普通花键因干涉而存在断齿风险，而鼓形花键仍能够啮合但脱开齿对数目增加，接触应力也急剧提高。所确定的鼓形花键修形量范围合理，能够将齿侧间隙、不对中补偿能力、与修形量定量耦合起来，为航空鼓形花键设计、不对中控制、承载能力与寿命提升提供了重要理论参考。
减涡器破裂转速预测方法及试验验证
魏大盛, 马梦弟, 王延荣, 李迪, 张辉
2022, 37(4): 704-710. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210100
摘要 HTML PDF(1195KB) icon138 icon138
摘要:
采用数值分析同试验相结合的方法研究了减涡器破裂转速问题。根据减涡器支撑环孔边的应力状态，设计了支撑环结构的模拟试验件，开展了单调拉伸载荷下的破坏试验，得到了体现结构应力特征的破坏参数。进而基于有限元方法，将模拟试验件的破坏参数引入减涡器支撑环破裂转速预测中，并对比了不同破裂准则对破裂转速预测结果的影响。分析表明：所设计的模拟试验件与减涡器支撑环的应力梯度吻合较好，可准确描述结构应力特征；局部塑性法和基于材料强度的方法预测破裂转速时结果更为保守，分别比平均应力法的预测值低15%和23%，对此类结构的破裂分析具有工程参考价值。
基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法
魏代同, 陈星, 陈玉刚, 李宏坤
2022, 37(4): 711-720. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210180
摘要 HTML PDF(1403KB) icon119 icon139
摘要:
针对叶片碰摩响应求解问题，提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间，将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶，并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应，并与全阶模型进行了对比。结果表明：降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%，计算效率了提升98.4%；通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性，并且发现随着转速、侵入量的增加，本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移，并呈现出不同的传递规律，由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。
旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析
刘超, 刘文光, 吕志鹏, 张宇航
2022, 37(4): 721-733. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210029
摘要 HTML PDF(3536KB) icon72 icon55
摘要:
为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明：夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。
燃烧、传热、传质
航空发动机法兰接触热阻特性实验研究
陈燕, 樊光亚, 林志辉, 史博文, 刘高文
2022, 37(4): 734-742. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210574
摘要 HTML PDF(1614KB) icon109 icon77
摘要:
通过搭建法兰接触热阻实验台，在法兰间隙0~0.75 mm、螺栓拧紧力矩20~40 N?m参数范围内，测量不同材料机匣多个轴向位置的壁温来获得通过法兰的热流，得到法兰的接触热阻、单位接触热导。分析了法兰间隙、螺栓拧紧力矩对法兰接触热阻特性的影响。研究结果表明随着法兰间隙的增加，接触热阻呈线性增加，最大增加0.03 K/W，单位接触热导先迅速减小，后趋于平缓，最大降低了10 744.2 W/(K?m2)，约94.5%；随着拧紧力矩的增加，接触热阻减小，最大降低了22.1%。
喷口速度扰动下液体射流的频率响应
周程林, 邹建锋, 张阳, 叶麟
2022, 37(4): 743-754. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210234
摘要 HTML PDF(2649KB) icon72 icon78
摘要:
基于界面捕捉VOF（volume of fluid）方法和网格自适应技术，对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟，揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时，射流会随着时空演化逐渐失稳，而当大于临界值时，表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构，在其表面留在冲击凹痕；随着波节振幅不断增大，液膜发生穿孔式破裂，进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动，从而减缓射流的雾化进程；射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD（Sauter mean diameter）的大小，且两者存在相互耦合。
基于高温瞬态热响应的石英窗口导热系数反演
石宇, 夏新林, 陈学, 王秦阳, 康宏琳
2022, 37(4): 755-764. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210222
摘要 HTML PDF(1498KB) icon66 icon75
摘要:
提出一种利用高温加热下瞬态热响应信息来同时反演石英窗口在不同温度下导热系数的方法。结合实验测试过程，首先建立石英窗口-石墨板-石英窗口三明治结构高温非灰体辐射-导热耦合传热模型。再通过实际测试温度响应结果和材料光谱辐射特性参数，构建石英窗口导热系数的遗传算法反演辨识模型。采用1 100 K加热条件下实验数据，反演辨识获得了常温至1 100 K石英窗口导热系数介于1.35~2.58 W/(m?K)，并拟合出高温导热系数关联式。结果表明：该材料辐射对导热系数影响随温度升高而增大，在1 100 K下辐射影响占比16.12%。最终通过变工况的高温传热过程测试，验证了方法的可靠性及导热系数数据的准确性。
RP-3航空煤油与其模型燃料雾化特性的对比试验
刘靖, 胡二江, 黄佐华, 曾文
2022, 37(4): 765-773. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210168
摘要 HTML PDF(1300KB) icon148 icon171
摘要:
为了获得RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化特性，在燃油喷嘴雾化激光测试平台上对相对喷射压力分别为200、400、600、800 kPa时，RP-3航空煤油及由14%正癸烷/10%正十二烷/30%异十六烷/36%甲基环己烷/10%甲苯（摩尔分数）组成的模型燃料的雾化特性（雾化锥角、雾化粒度、油滴速度）进行了试验测试，并完成了两者的对比分析。结果表明：随着相对喷射压力的升高，RP-3航空煤油与其模型燃料的雾化锥角与油滴速度逐渐增大，索太尔平均直径（SMD）逐渐减小；随着离喷嘴出口轴向距离的增加，RP-3航空煤油与其模型燃料的SMD值与油滴速度逐渐减小；在各相对喷射压力下，模型燃料的雾化锥角与油滴速度要略高于RP-3航空煤油，SMD值则要略低；但是，两者之间差异较小，说明该模型燃料的雾化特性与RP-3航空煤油有较高的相似性。
关键参数对二冲程煤油发动机爆震的影响
胡晓生, 魏民祥, 常诚, 沙朝, 丁玉章
2022, 37(4): 774-780. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210185
摘要 HTML PDF(1506KB) icon73 icon61
摘要:
针对二冲程汽油发动机改用航空煤油后的爆震抑制和性能恢复进行了研究，利用GT-Power软件建立发动机的一维仿真模型并对煤油发动机的爆震进行了预测和优化。仿真结果表明：推迟点火时刻、远低于和远大于理论空燃比的混合气对爆震都有一定的抑制作用，试验结果验证了仿真结果的正确性。提出并采用协同推迟点火和增加喷油的控制策略进行试验研究。试验结果表明：在低转速大负荷工况下，爆震可被有效抑制，节气门全开时功率恢复在90%以上。发动机转速为5 500 r/min时，功率恢复能达到原机的95.7%。
火箭发动机
不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能
孙纪国, 蔡国飙
2022, 37(4): 781-790. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210187
摘要 HTML PDF(1331KB) icon106 icon107
摘要:
为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却，研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下，氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件，用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%，燃烧室压力为2.7~8.4 MPa，主流燃气温度约为3 600 K，主流空气流量为220~1 490 g/s，冷却氢气流量为9.6~57 g/s，注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时，主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上；当注入率为3%时，主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。
节流水平对气液针栓喷注单元雾化特性的影响
张波涛, 李平, 杨岸龙, 杨宝娥
2022, 37(4): 791-801. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210235
摘要 HTML PDF(3095KB) icon73 icon121
摘要:
为了分析气液针栓喷注单元雾化特性和雾化机制，采用背光成像技术和相位多普勒（PDA）系统进行试验研究，获得了雾化模式、体积流量分布、索泰尔平均直径（SMD）分布和速度场随节流水平的变化规律。结果表明：气液针栓喷注单元雾场形态为扇形雾场，雾化模式为剪切破碎。体积流量沿径向呈单峰形分布，随着节流水平降低，雾场外缘向中心收缩。SMD沿径向呈现递增规律，雾化最好的区域分布在雾场中心和两侧。SMD随节流水平增加而增大。当动量比不变时，节流水平对SMD的分布范围影响很小。针栓头部下方的中心回流区轴向尺寸随着节流水平降低而减小。
低温液体火箭燃烧室内射流雾化研究进展
丁月, 鲍松龄, 禹云星, 高鑫鑫, 谢军龙, 陈建业
2022, 37(4): 802-814. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210181
摘要 HTML PDF(1677KB) icon104 icon100
摘要:
从理论、实验和数值计算方面，阐述和总结了低温推进剂射流雾化的研究现状和进展。对射流雾化机理及形态进行了分类，重点从对比常温流体与低温流体射流雾化特征参数不同的角度，梳理了射流雾化方面的数值研究方法，并介绍了低温射流雾化的相关实验研究。结果表明：空气扰动破碎机理仍是最广为接受的理论，而超临界工况下射流雾化形态不符合现有的射流雾化分类；数值计算方法逐渐由流体体积法和水平集法向直接数值模拟转变，对闪蒸现象的建模是研究重难点之一；低温流体射流喷雾实验数据匮乏，需通过丰富测量手段，提高测量精度的途径获得完整、准确的实验数据。
叶轮机械
多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计
金芸, 耿少娟, 王文涛, 张小玉, 张宏武
2022, 37(4): 815-825. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210175
摘要 HTML PDF(2259KB) icon98 icon112
摘要:
为提高多级轴流压气机后面级气动性能，针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台，并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案，探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明：扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%，同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得，扩张通道转子相较于原型转子，其上下端壁损失增加，叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。
掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理
李子良, 韩戈, 朱俊强, 卢新根
2022, 37(4): 826-835. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210228
摘要 HTML PDF(2704KB) icon74 icon82
摘要:
跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题，探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象，利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明：设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布，进而影响其通流能力，同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时，采用前缘后掠会减弱槽道激波强度，从而减小导风轮叶顶附近损失；当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时，采用前缘前掠会减弱前缘激波强度，使得激波更加附体，从而减小导风轮叶顶附近损失。
通道参数对超声速叶栅性能的影响
张疏影, 周玲, 季路成
2022, 37(4): 836-847. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210241
摘要 HTML PDF(3011KB) icon133 icon120
摘要:
为了研究喉部面积比、喉部位置及稠度对超声速叶栅最小损失点性能的影响，基于直接控制通道的造型方法获得一系列设计马赫数为1.4且具有不同通道参数的平面叶栅。数值计算与流场分析结果表明：根据叶栅通道内激波系结构的不同可将其划分为启动态叶栅与过渡态叶栅。喉部参数主要通过改变激波系位置影响叶栅性能。启动态叶栅喉部面积比越小、喉部位置越靠前，其最小损失越小、静压比越高；过渡态叶栅则相反。稠度改变时叶栅通道中激波系结构发生变化，大稠度叶栅大多处于启动态，最小损失小且静压比高；小稠度叶栅大多处于过渡态，具有更大的裕度。
动力传输
基于改进GWO-LightGBM的滚动轴承未知故障诊断
柴琴琴, 陈舒迪, 王武, 黄捷
2022, 37(4): 848-855. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210221
摘要 HTML PDF(1092KB) icon107 icon105
摘要:
针对滚动轴承未知新故障误判影响轴承安全性和检修效率的问题，提出了一种基于改进灰狼算法（GWO）和轻量级梯度提升机（LightGBM）的故障诊断模型，实现已知/未知故障的高精度判别。为避免单一尺度下特征提取的缺失，对滚动轴承振动信号分别提取时域、频域和小波域特征建立多域特征集。设计了带未知新故障判别机制的GWO-LightGBM模型，并构造含有Halton序列和模拟退火策略的GWO实现了模型参数有效优化。实例试验结果表明，模型对已知和未知类故障平均识别率达99.57%，10次随机试验平均识别率分别比单一分类模型逻辑回归（LR）、最近邻分类器（KNN）和支持向量机（SVM）高21.98%、17.00%、9.27%，验证了模型的有效性和优越性，能高准确率地识别出已知或以前从未出现的新故障。
基于通用三坐标测量机的面齿轮齿形误差测量
曾彪, 周元生, 王圣晖, 何玉辉, 唐进元
2022, 37(4): 856-868. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210238
摘要 HTML PDF(2274KB) icon114 icon73
摘要:
考虑面齿轮实际齿面的加工误差客观存在的基础上，采用一种迭代方法建立测量坐标系，使得测量坐标系尽量接近设计坐标系，并根据加工误差对测量坐标系与设计坐标系之间关系的数学模型进行约束，从而实现精确求解。在此基础上，建立了实测点与理论测量点之间的数学模型，并由此补偿加工误差引起的相关测量误差。最后进行实际测量实验，结果显示本方法的测量坐标系与设计坐标系之间的误差相比于传统方法降低了89%以上，最大测量偏差降低了54%以上，测量结果更加真实可靠。
偏置正交弧线齿面齿轮齿面设计及根切研究
高凌锋, 冯占荣, 熊光劲, 罗超
2022, 37(4): 869-876. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210173
摘要 HTML PDF(1230KB) icon86 icon64
摘要:
为拓宽面齿轮的应用空间，结合面齿轮与弧线齿的特点，提出了偏置正交弧线齿面齿轮。根据坐标变换规律及啮合原理推导了全齿面的方程，并在Matlab软件中建立了全齿面模型。结合齿面模型及根切原理,利用Matlab软件编程计算了齿面根切的位置。借助CATIA软件二次开发进行仿真切齿试验，验证了计算的正确性。探究了各参数对最小内半径的影响，结果表明：坐标系距离与最小内半径呈负相关，刀具圆弧半径、偏置距离及模数都与最小内半径呈正相关，其中模数对根切位置影响最大。最后计算了顶尖位置，通过最大外半径与最小内半径之差确定了面齿轮的最大齿宽。
气动热力学与总体设计
高频高速流体振荡器工作特性
周銮良, 王士奇, 温新
2022, 37(4): 877-885. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210099
摘要 HTML PDF(1371KB) icon86 icon106
摘要:
设计了一种新型高频高速流体振荡器，并采用热线风速仪、高频动态压力传感器等测量手段，对其频率-压力响应特性、速度-压力响应特性及内部压力传播特性进行了实验研究。结果表明：设计的流体振荡器工作频率约为900 Hz，进出口压比为2时，其出口射流速度范围为75~239 m/s。建立了振荡周期/频率与内部尺寸的关系式，验证了振荡器内部的压力传播与反射机制，并用压力的作用机制解释了射流偏转的两个阶段，为今后设计不同流动条件下所需的流体振荡器提供了设计思路。
超声速平板边界层中流向涡的生成条件
王乾, 黄章峰
2022, 37(4): 886-896. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210164
摘要 HTML PDF(2673KB) icon104 icon170
摘要:
针对马赫数为4.5的超声速平板边界层，基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合，通过直接数值模拟（DNS），计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别，结合流向不同位置截面的流线图，分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征，提出了流向涡的生成条件，研究发现：流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到，不是必须经过非线性作用。

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