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2022年  第37卷  第6期

动力传输
滚动轴承振动性能状态演变的非线性特征和不确定性特征的灰关系分析
叶亮, 邓四二, 崔永存, 张文虎, 庞晓旭
2022, 37(6): 1121-1133. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210686
摘要:
为了更加全面有效地监测滚动轴承服役过程中其振动性能状态的演变历程,用关联维数和盒维数表征振动性能状态演变的非线性,用振动数据瞬时值的波动范围和平均值的波动范围表征振动性能状态演变的不确定性。运用灰关系分析法求解参数序列之间的灰置信水平,进而分析轴承振动性能状态演变的非线性特征和不确定性特征之间的非线性相关程度。两个案例表明:总体上来看,关联维数和盒维数均有减小的趋势,瞬时值的波动范围和平均值的波动范围都有增大的趋势,而且它们在突变点处有某种意义上的对应关系。非线性特征参数序列和不确定性特征参数序列总体上有负相关关系,且不确定性参数序列与关联维数的灰置信水平均比其与盒维数的灰置信水平要高。
联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律
王明凯, 闫柯, 马帅军, 洪军
2022, 37(6): 1134-1149. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210016
摘要:
基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。
基于IRCMNDE和NNCHC的滚动轴承故障诊断
杨潇谊, 邓为权, 马军
2022, 37(6): 1150-1161. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200543
摘要:
针对多尺度散布熵(MDE)在粗粒化过程中易发生信息丢失、产生虚假信息,难以全面提取轴承故障信息的问题,提出了基于改进的精细复合多尺度归一化散布熵(IRCMNDE)和最近邻凸包分类(NNCHC)的滚动轴承故障诊断方法。引入精细复合多尺度散布熵(RCMDE),将其粗粒化过程中平均值替换为最大值来表示数据段信息,以克服传统粗粒化过程的不足并突出故障特征。通过归一化操作减弱熵值计算时不同参数选择导致的熵值波动幅度,得到IRCMNDE。将IRCMNDE作为故障特征,使用NNCHC分类器对故障特征进行分类。经实验验证,该方法可达到98.98%的故障识别准确率,相比基于MDE(故障识别准确率为95.99%)和RCMDE(故障识别准确率为97.60%)的方法,能够更准确地提取滚动轴承的故障特征信息,提高承故障分类的准确性。
基于改进的SqueezeNet直升机滚动轴承故障诊断
余志锋, 熊邦书, 李新民, 欧巧凤
2022, 37(6): 1162-1170. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210317
摘要:
针对现有基于卷积神经网络的故障诊断方法存在模型参数量和计算量大的问题,提出一种改进的SqueezeNet模型应用于直升机滚动轴承故障诊断。该模型借鉴VGG16模型的思想,在经典的SqueezeNet基础上,采用3个3×3卷积核代替1个7×7卷积核,实现了在相同感知野条件下增加网络容量、增强非线性、减少网络参数量,采用卷积层、池化层和Fire模块、池化层两大结构交替的方式组成模型特征提取层,在保障特征提取能力的情况下,进一步减少了网络参数量。通过轴承数据开展模型故障诊断实验,结果表明该模型诊断精度达到99.65%,与传统卷积神经网络及经典的SqueezeNet模型相比诊断精度相当,而计算量与参数量最大缩减约6倍和36倍。
气动热力学与总体设计
连续式跨声速风洞短轴探管设计与试验
邓海均, 熊波, 罗新福, 洪少尊, 李腾骥, 张利波, 韩新峰
2022, 37(6): 1171-1180. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210109
摘要:
为深入研究不同类型短轴探管的测值特性,设计了多种无需张线固定的短轴探管,通过风洞试验开展了相关探索研究。试验结果表明:不同外形参数的短轴探管与长轴探管在马赫数在0.95以下时马赫数方均根偏差量差异不超过0.000 3,马赫数修正量差异不超过0.000 8,测值曲线无明显变化;马赫数在1.0~1.4区间时,不同形式的短轴探管与长轴探管的测试结果存在明显差异,优化短轴探管头部外形参数、增加柱段长度可不同程度地降低头部对试验段流场的干扰。
基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法
杨韫加, 陈海昕, 许羚
2022, 37(6): 1181-1194. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210027
摘要:
流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。
三轴承矢量喷管红外辐射特性
是介, 周莉, 史经纬, 王占学
2022, 37(6): 1195-1205. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210268
摘要:
针对涡扇发动机用三轴承矢量喷管(3BSN),通过数值模拟的方法研究了在巡航和垂直起降(VTOL)状态即非矢量和90°矢量状态下三轴承矢量喷管的红外辐射空间分布特征,并分析了其影响机理。结果表明,在非矢量状态下由于特殊的几何型面使得喷管下壁面出现了局部高温区,喷流形状也变成椭圆锥形,造成垂直探测面上正探测角壁面红外辐射较负探测角最大增加44.6%,水平探测面上的燃气红外辐射大于垂直探测面;90°矢量状态下,由于偏转的喷管结构对前端高温部件的遮挡,总辐射峰值仅为非矢量状态的43.3%;喷管90°矢量偏转使得远离曲率中心一侧的气流速度降低温度升高,喷管外侧出现了大范围的局部高温区,导致垂直探测面负探测角范围的壁面辐射大于正探测角范围,最大相对差值达到71.9%。喷管偏转也遮挡了部分喷管内部的高温燃气,垂直探测面负探测角的仅能覆盖喷管出口处的高温燃气区域,明显小于正探测角,造成燃气辐射出现了20%的最大相对差值。
基于IPDG方法的嵌套网格技术
赵博, 赵明, 刘伟, 李孝检, 刘正先
2022, 37(6): 1206-1216. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210261
摘要:
在内罚间断伽辽金(IPDG)方法框架内应用嵌套网格技术求解了二维可压缩Navier-Stokes方程。通过把黏性通量作为辅助变量实现了Navier-Stokes方程的降阶,继而用间断有限元方法进行离散得到空间半离散方程。时间推进采用Newton-Krylov隐式方法。利用库埃特流动精确解验证了该方法的精度。在此基础上,对包括有黏NACA0012翼型绕流、定常和非定常的圆柱绕流在内的若干典型测试算例开展数值模拟,进一步验证了该方法的鲁棒性和可靠性。在嵌套网格中应用了h型网格自适应技术用于提高激波分辨率,对NACA0012翼型无黏跨声速绕流开展数值模拟,结果表明:自适应之后的单元数相比无自适应时只增加了8.4%,但是激波分辨率得到了显著提高,激波附近的计算结果也与实验值符合得更好,从而验证了该方法的有效性。
结构、强度、振动
压气机叶片动应力测量标定试验方法
张欢, 廖明夫
2022, 37(6): 1217-1224. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210273
摘要:
提出了一种提高压气机叶片动应力测量准确度的方法,即在发动机叶片装配前,对已完成应变计粘贴的测试叶片开展动应力测量标定试验,获取试验应变计输出值与叶片各阶振动最大模态应变区域的敏感度,试验结果可用于指导发动机试车时叶片动应力限制值的设置,从而更准确地监控叶片的振动安全状态。对比分析了直接应力法和af强度法(振幅a和振动频率f的乘积)两种试验方法的优缺点。基于直接应力法,针对某压气机叶片开展了动应力测量标定试验,结果显示:1#叶片试验应变计对第1阶、第3阶模态的敏感度实测值较理论值分别大17.4%和24%,而1#叶片试验应变计和2#叶片试验应变计对第1阶模态的敏感度差异达到14.8%。试验结果证明开展动应力测量标定试验,可综合提高叶片动应力测试数据利用的有效性。
不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响
卜嘉利, 吕扬, 刘博志, 韩振宇, 佟文伟, 高志坤
2022, 37(6): 1225-1233. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210257
摘要:
为提升 TC17 钛合金抗疲劳性能,对其表面进行喷丸处理。通过旋转弯曲疲劳试验、断口分析、残余应力场分析、表层组织分析及喷丸前、后钛合金表面完整性分析等手段,开展不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响研究。结果表明:喷丸强化后钛合金表面粗糙度增大,由0.315 μm变为0.5~1.0 μm;表层发生塑性变形,晶粒发生细化;表面引入残余压应力,残余压应力层深约为125~151 μm ,最大残余压应力位于层深30 μm附近处。0.3 mm?N喷丸状态旋转弯曲试样疲劳寿命优于其他状态试样,在740 MPa和840 MPa应力水平下,分别比未喷丸状态试样疲劳寿命提升4.5倍与7.5倍。疲劳寿命提升归因于试样表层晶粒细化、高密度位错组织及残余压应力对疲劳裂纹萌生与扩展的抑制作用。0.35 mm?N与0.4 mm?N喷丸状态试样疲劳寿命下降与喷丸强度过大时试样表面粗糙度高,并有脱层及微裂纹生成有关。
刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性影响数值与实验研究
冯毓钟, 赵欢, 孙丹, 慕伟, 张国臣, 李浩
2022, 37(6): 1234-1247. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210031
摘要:
采用有限元分析与计算流体力学相结合的方法,建立了考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏流动特性求解模型,设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦磨损特性实验装置,实验研究了刷丝与转子间正压力特性,在实验验证数值计算准确性的基础上,研究了刷丝磨损对刷式密封泄漏流动特性的影响规律。研究结果表明:从刷丝束上游到下游,刷丝与转子间正压力和刷丝磨损长度均先减小后增大;刷丝磨损长度随干涉量、刷丝直径的增加而增大,随压比、刷丝长度的增加而减小。考虑刷丝磨损的刷式密封泄漏量随压比、干涉量、刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度的增加而减小。提出泄漏量变化率表征刷丝磨损对刷式密封泄漏特性的影响程度,泄漏量变化率随刷丝直径的增加而增大,随着刷丝长度和压比的增加而减小;在压比为2.5的工况下,当刷丝直径从0.09 mm增至0.11 mm时,泄漏量变化率从9.53%增至19.18%;当刷丝长度从15.556 mm增至17.556 mm时,泄漏量变化率从13.47%降至5.38%。增加刷丝长度并减小刷丝直径可以降低刷丝磨损对刷式密封封严性能的影响。
航空发动机双层结构金属机匣的弹道试验
张帆, 曹振忠, 苗艳, 丛佩红, 柏松汉, 章定国
2022, 37(6): 1248-1259. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210115
摘要:
为研究航空发动机双层结构金属机匣在受叶片冲击时的包容性问题,利用滑膛炮试验系统对双层钛合金带不同间隙叠层靶板进行打靶弹道试验。通过28次有效的弹道试验发现:对比内层(迎弹面)、外层靶板厚度相同带间隙组合的试验结果,间隙越大靶板抗侵彻能力越差;对比不带间隙组合试验结果,内层较薄组合的抗侵彻能力强于内、外层厚度相同组合。采用商业有限元软件ANSYS/LS-DYNA对打靶试验进行了数值仿真,有限元仿真与试验结果吻合较好,并发现内层较薄组合的抗侵彻能力强于内层较厚组合,且两者均强于内、外层厚度相同组合;各个组合在没有间隙的情况下,弹道极限随叶片攻角增加而增加,但是速度曲线突增的攻角有所不同。无量纲靶厚决定了叶片冲击双层靶板的破坏模式。
叶轮机械
神经网络模型在压气机通流特性分析中的应用
费腾, 季路成, 周玲
2022, 37(6): 1260-1272. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210105
摘要:
为了解决通流特性分析程序中原始模型对压气机性能预测精度不足的问题,提高压气机通流特性分析过程的可靠性,基于对大量多圆弧叶栅的数值模拟结果建立了压气机叶栅性能数据库,并以该数据库为依托,采用神经网络建模方法建立了压气机叶栅基准损失系数和基准落后角模型。结果显示:两模型对叶栅基准损失系数和基准落后角的预测精度均满足工程应用要求,其精度分别为±0.002和±1°。在对采用神经网络模型的通流特性分析程序校验过程中发现,其无论对压气机整机性能还是对流动细节的预测精度上都获得了显著提高,尤其是在主流区。此外从压气机整体特性上看,基准损失系数和基准落后角精度的提高对非设计工况损失系数和落后角的预测精度影响是积极的。
基于实测数据的航空发动机转子叶尖装配间隙预测
邓王倩, 莫蓉, 陈凯, 冯鑫, 夏华腾, 孙惠斌, 常智勇
2022, 37(6): 1273-1283. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210255
摘要:
以多级转静子装配过程为研究对象,基于空间几何变换理论及形位公差理论,提出了一种多级转子叶尖间隙预测方法。具体是将转静子系统分为转子、静子、支承等3个子系统,分别针对子系统建立装配偏差子模型,进一步将各模型进行坐标统一,以配合面的实测偏差数据作为输入量,计算同一轴向位置处的转子叶尖坐标及机匣坐标,从而计算出转子叶尖间隙。试验结果表明,采用所述间隙预测模型,可准确预测转子叶尖间隙,预测最大相对误差为11%,从而为装配质量分析提供了参考依据。
燃烧、传热、传质
基于气助雾化喷射的柴油喷雾特性数值模拟
季昊成, 吴昊, 杨海青, 刘海峰, 刘锐
2022, 37(6): 1284-1294. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210319
摘要:
为对气助雾化喷射柴油的过程进行数值分析,借助计算流体力学仿真工具Fluent,在不改变喷嘴结构的情况下,建立考虑油气预混腔中柴油喷射过程的三维流体计算模型,研究定容弹内气助雾化喷嘴的柴油/空气两相流喷射过程,并且重点考察喷气压力、环境背压以及燃油温度对气助雾化喷射柴油喷雾特性的影响规律。结果表明:喷气压力对喷雾贯穿距离影响较大,喷气压力由0.65 MPa增大至0.75 MPa后贯穿距离增加12.2%,但柴油索太尔平均直径(SMD)只减小了5.2%,说明在保证燃油SMD处于较好水平时,喷气压力和环境背压绝对压力比值(气相压比)为7.5有利于减少气量消耗;环境背压对喷雾贯穿距离与燃油SMD影响显著,气相压比为1.875时,喷嘴出口处流场基本不会产生超声速气流,气动力降低显著影响了燃油液滴破碎过程,使喷射时间在4 ms时的SMD达到40.7 μm;燃油温度对喷雾贯穿距离影响不大,但对燃油SMD影响较大,燃油温度升高后燃油SMD显著减小,323 K对应的SMD比293 K时减小了12.3%,喷射时间在4 ms时的SMD达到14.9 μm,燃油蒸发质量分数达到36.93%。
湍流参数对含管式减涡器盘腔流动特性影响
白阳, 罗翔, 何建
2022, 37(6): 1295-1305. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210022
摘要:
通过计算卷吸流量对传统湍流参数定义进行修正,并验证了修正后的湍流参数对气流流动的控制情况。结果表明:修正后的湍流参数在不同的管氏减涡器进出口位置和入口预旋下均对盘腔内的气流流场和总压系数取得了很好的控制效果。气流总压系数和实际旋流系数均同时受修正湍流参数和入口旋流系数控制。此外,随同转速下的湍流参数增加,气流保持其径向内流状态的能力增强,需要管氏减涡器抑制其周向旋转的区域减少,使得总压系数最小的最优管氏减涡器长度减短。
自动控制
基于改进蚁群算法和Mann-Kendall法的涡桨发动机性能预测
王佳, 王博
2022, 37(6): 1306-1313. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210260
摘要:
针对涡桨发动机复杂、非线性的工作环境,利用层次分析(AHP)法提取发动机工作状态特征参数,考虑各特征参数对工作状态识别的影响,以特征参数加权的改进蚁群算法为基础,进行发动机同一工作状态识别、聚类,并采用Mann-Kendall法开展发动机性能预测分析。利用多台涡桨发动机性能参数飞参数据进行验证,结果表明:该方法能准确识别发动机起飞、额定工作状态,巡航以下工作状态识别准确率达84%以上;此外,发动机性能预测效率提升了近50%,而预测错误率小于10%,可以满足航空兵部队维修保障工作的实际需要。
基于松弛约束Hammerstein非线性模型的增程式APU预测控制
赵家豪, 魏民祥, 丁玉章, 沙朝
2022, 37(6): 1314-1326. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210023
摘要:
针对增程式辅助动力单元(APU)工作点切换过程的转速控制,提出了一种基于Hammerstein非线性模型的预测控制策略。通过稀疏最小二乘支持向量机-自适应混沌粒子群优化(SLSSVM-ACPSO)算法辨识激励响应数据建立了发动机Hammerstein非线性模型,在模型预测控制求解最优控制序列时,采用松弛因子松弛约束边界,并设计了有效集(ASM)-ACPSO组合算法求解,在控制过程中应用了变预测时域策略。建立系统仿真模型,仿真结果显示:在热机点切换至低负荷点及低负荷点切换至中负荷点的过程中稳定时间分别为2.57 s和2.77 s,转速最大超调率分别为2%和1.6%,均优于两种对比策略;在中负荷点向高负荷点切换过程中,转速超调率较大,但控制过程转矩变化更平缓。仿真结果表明模型预测控制策略控制APU系统转速响应快、转速超调率小,发动机转矩超调量小,具有良好的动态控制效果。
火箭发动机
单轨火箭橇在轨动力特性数值分析
周学文, 赵项伟, 杨珍, 范坤
2022, 37(6): 1327-1335. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210254
摘要:
为系统性分析火箭橇在轨动力特性,采用三维Eluer-Bernouli梁单元对火箭橇系统进行离散,通过重构生成长程不平顺轨建立考虑轨道不平顺及滑靴磨损的靴轨非线性接触力模型,由Newmark-β结合Newton-Raphson局部迭代求解非线性动力学方程获得火箭橇在轨动力特性数值解,并通过试验验证,计算结果表明:马赫数为2的速度下火箭橇质心竖向过载峰值约为2 700g;火箭橇在轨占空比与航向速度成正比,马赫数为2的速度下竖向火箭橇在轨占空比为16%;高速段滑靴磨损量占全弹道磨损量的84%,靴轨单次接触磨损量与航向速度3次方成正比。
某型氢氧火箭发动机频率特性模块化建模计算分析
张万旋, 张箭, 张楠
2022, 37(6): 1336-1344. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210660
摘要:
为分析某型氢氧火箭发动机频率特性,建立了主、副系统耦合的线性化动态模型:通过一维分布参数模型描述管路特性;采用考虑熵波的绝热流动模型描述燃烧组件特性;推导了转速脉动反馈的传递函数,采用考虑气蚀效应的模型描述泵组件;采取有理近似式表达分布式参数模型和热力组件中的超越函数。在Simulink平台上建立模块化仿真模型,采用扫频法获取频率特性,并利用热试车数据进行验证。结果表明,所开发的模块化仿真库对工程应用十分友好,可用于分析发动机系统低频至中频频率特性;该型发动机在燃气脉动激励下将产生主系统10、165 Hz和副系统124、204 Hz的频率响应;考虑转速脉动反馈计算所得特征频率更加准确;增加泵前管路局部流阻和燃气发生器喷注压降,可提高发动机系统稳定性。