螺旋桨发动机安装系统动力学设计技术综述

随着螺旋桨发动机安装系统国产化研制进程的加快,需要开展相关的安装系统技术研究,而动力学设计是其中的重要组成部分。本文对比分析了不同结构形式安装系统的动态性能特点,进一步从军民用标准规范和工程实践经验出发,归纳了安装系统动力学设计的技术要求,梳理了安装系统动力学设计技术的发展历程和国内外现状,指出国内外差距主要体现在设计理念、关键技术和应用实践经验等方面。在此基础上,展望了螺旋桨发动机安装系统动力学设计技术的发展趋势,为当前及未来螺旋桨发动机安装系统的设计技术研究提供了参考。

大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估分析进展

综述了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及评估问题。首先从减振设计需求出发,论述了发动机安装节开展动力学设计的重大意义,并对安装节的主要结构形式及特点进行了详细的阐述;进一步从军民用标准规范和工程实践经验出发,归纳了安装系统动力学设计技术要求;而后从动力学设计、性能评估、系统验证等方面回顾了涡扇发动机安装节的国内外研究现状,指出国内外差距主要体现在设计要求、设计理念和应用实践经验等方面。在此基础上,展望了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估技术的发展趋势和热点。

类星型手性超材料超宽带隙特性研究

振动和噪声的抑制一直是工程中的重要问题,而超材料在实现减振降噪方面具有良好的应用价值。基于传统空心星型超材料,添加手性结构特性,设计一种新型的空心类星型手性超材料,并在其基础上进一步演化出实心类星型手性超材料。通过振动模态分析带隙产生机理和不同结构参数对带隙的影响,通过频散曲面、波传播方向、群速度和相速度等研究弹性波在结构中的传播特性,并研究有限周期结构的传输特性。结果表明:实心类星型手性超材料可以产生宽度为5116 Hz的超宽带隙,带隙形成主要是由于凹角星和韧带的旋转振动耗散了弹性波能量,内凹角α的减小以及韧带与水平方向的夹角θ的增大使得最宽带隙的宽度增大;有限周期结构在其带隙范围内可以产生明显的位移幅值衰减,该新型超材料具有良好的隔振性能。

基于声阻抗匹配理论的弹性吸收体研究

基于时域耦合模型理论的吸收体研究,不适用于所有模型,且基于此理论的设计过程复杂,难以在工业工程得到广泛应用。因此提出一种基于声阻抗匹配理论的弹性吸收体的研究方法,并通过理论计算、数值仿真以及实验对吸收体的吸收曲线进行验证。结果表明:本文提出的方法能够快速、简便地实现弹性吸收体的结构设计,无需额外附加阻尼材料,更有利于满足航空工程中对于结构轻量化的要求,为振动波吸收领域,尤其是弯曲波的高效吸收和减振设计研究带来了新的可能性。

航空发动机轴承—支承结构系统产热计算与分析

开展轴承—支承结构系统的热源分析与产热量量化计算,能够为轴承腔热防护设计提供可靠依据。通过传热学、摩擦学等理论分析,建立航空发动机轴承—支承结构系统产热分析模型,开展轴承—支承结构的一维流热耦合计算,对航空发动机压气机和涡轮的中介承力框架进行产热量分析,评估巡航工况下不同热源对轴承—支承结构系统产热量的影响。结果表明:压气机中介支承结构右侧框架的壁面温度沿径向向上增加1.73%;由于主流道与盘腔之间存在级间封严,对流传热系数沿径向向上增大20倍,产热量占比最高的热源为支承结构壁面传热、轴承生热和密封装置生热;轴承—支承结构内的密封装置生热量在压气机中介承力框架内占比29%,在涡轮中介承力框架内占比35%。

Inconel718榫接结构高低周微动疲劳试验研究

航空发动机涡轮叶片在实际服役环境中,受到循环往复的高/低周载荷,这是一种典型的高低周微动疲劳工况。涡轮叶片由于微动疲劳频繁引发疲劳断裂问题,严重影响着航空发动机的安全运行。为了研究热端部件材料的高低周微动疲劳问题,设计一种Inconel718榫连接模拟件,对其开展高低周复合微动疲劳试验。共设计3种不同载荷/频率的试验工况,对比不同工况下模拟件的寿命分布情况。结果表明:高周/低周载荷对榫连接结构的微动疲劳寿命有显著影响,随着高周/低周载荷或者频率的增大,涡轮叶片榫接部位微动疲劳寿命均随之降低;试验结果证明榫接结构高低周微动疲劳试验较好地还原了涡轮叶片实际服役情况;通过显示动力学有限元分析,所预测的裂纹萌生位置与试验结果中裂纹萌生位置分散性较小。

对转螺旋桨气动噪声试验系统设计与试验研究

风洞内对转螺旋桨气动噪声试验存在时间协调难、成本高的问题,依托地面声学环境,研制能够模拟对转螺旋桨地面开车状态的对转螺旋桨气动噪声试验系统。对某穿孔结构的对转螺旋桨和基准桨开展气动噪声试验,对设计的试验系统进行验证,并对穿孔结构对转螺旋桨的降噪效果进行评估。结果表明:在所测试的工况范围内,穿孔结构对转螺旋桨在保证气动性能的前提下能够有效降低噪声;在对飞机舱内影响最显著的90°指向角处,二阶通过频率处降噪量达到5 dB。本文设计的气动噪声试验系统,能够为对转螺旋桨气动噪声评估和降噪设计提供帮助。

螺旋桨穿孔结构声学软叶片设计与试验研究

对转螺旋桨气动噪声的产生机理十分复杂,而且螺旋桨飞机并无短舱声衬等被动降噪部件可以在传播过程中吸收噪声,螺旋桨噪声会直接辐射向机身和周围环境,噪声问题突出,降低螺旋桨噪声源强度是研制低噪声螺旋桨飞机的关键。采用CFD和远场噪声评估相结合的方法,通过在螺旋叶尖吸力面前缘布置“小孔+贯穿通道”结构,构成“软叶片”模块,以平衡叶片前缘处的压力峰值,降低螺旋桨产生的载荷噪声;根据设计结果加工制造出常规桨和软叶片螺旋桨,依托对转螺旋桨气动噪声试验系统开展气动噪声试验。结果表明:在所测试的工况范围内,穿孔结构对转螺旋桨可以在保证气动性能的前提下有效降低噪声,在对飞机舱内影响最显著的90°指向角处,二阶通过频率处降噪量达5 dB。

GH4169材料振动弯曲高周疲劳性能研究

目的 开展镍基高温合金GH4169材料的振动弯曲高周疲劳研究。方法 基于高频振动台和激光测振仪,搭建振动弯曲疲劳试验系统。设计2种不同固有频率的试验件,在疲劳试验中以试验件af值(尖部振幅与固有频率乘积)作为控制目标,分别采用成组试验法和逐级加载法研究2种试验件的高周疲劳性能。结果 疲劳试验过程中,试验件af值的控制误差低于0.5%。随着疲劳循环数的增加,试验件的固有频率逐渐下降,且下降速度先慢后快。结论 基于成组试验法的试验结果建立的GH4169材料的双参数af-N疲劳寿命关系,与逐级加载法的试验结果吻合较好,证明了af-N疲劳关系的准确性。

基于改进遗传算法的传声器随机阵列优化设计

针对传声器规则阵列因均匀采样间隔导致的空域混淆问题,提出一种基于改进遗传算法的传声器随机阵列优化设计方法。经过仿真分析,优化后24元随机阵列在保持主瓣性能的同时,有效抑制了旁瓣的增益。与均匀阵列相比,采用设计的遗传算法对阵列布局进行优化设计后可获得更好的旁瓣抑制和阵列增益。

含共振腔体板型声学超材料结构吸声性能研究

为改善传统板型结构的声学性能,设计一种新型含共振腔体板型声学超材料结构。研究结果表明:共振锤对该板型声学超材料的吸声性能几乎没有影响;共振腔夹层板带孔上下面板的厚度或者立方体周期性方形壁板结构的壁长、壁厚等对整体结构的声学效果具有明显的调节作用,随着这些参数的增大,结构整体的吸声峰会向低频移动。

仿生学锯齿桨叶降噪效果试验研究

以仿生学结构改善发动机的气动性能和噪声水平是当前绿色航空的研究热点,对控制对转螺旋桨的气动噪声具有重要的工程应用价值。本文通过地面声学环境下的气动噪声试验研究了仿生学锯齿结构对转螺旋桨的降噪特性,并测试了锯齿结构桨叶和基准桨的拉力、扭矩等气动性能和远场噪声指向性。试验结果表明,所设计的锯齿结构没有引起基准桨的气动性能损失,可以在保持气动性能的同时开展降噪设计。锯齿结构在4000~12000Hz频率区间,没有改变基准桨叶的噪声指向性特征,最大降噪量超过5dB;在所测转速工况的一阶通过频率、二阶通过频率处没有明显的降噪效果。这进一步说明锯齿结构对宽频噪声有降噪效果,对低频段的离散噪声降噪效果不明显。

新型单相超材料的低频带隙和振动特性研究

低频振动和噪声的抑制一直是工程中的重要问题。本文提出了一种新型的单相超材料结构,有望应用于噪声控制。基于布洛赫(Bloch)定理和有限元方法(FEM),数值分析了这种新型结构的带隙特性和带隙形成机制,参数化分析了带隙与几何尺寸的依赖关系,用三维色散曲面、频率等值线、相速度和群速度等探究了波在结构中的传播特性,而且分析了有限尺寸晶格中的弹性波衰减,验证了带隙的存在对弹性波的有效抑制作用。结果表明,该新型结构具备优异的带隙特性,带隙对几何尺寸较敏感,可由此实现带隙的可调性,该新型结构能对1000Hz频率以内的弹性波起到很好的抑制。为低频超材料结构的设计开辟了一条思路。

基于振动台的超高周振动疲劳试验方法研究

针对航空发动机压气机、涡轮叶片部件在服役时面临的超高周疲劳问题,基于振动台的工作特性,利用有限元软件设计了一种可实现1500Hz以上的振动疲劳试样,建立了一套可模拟叶片结构振动的高频振动疲劳试验系统,并完成振动疲劳试验。结果表明,振动台超高周振动疲劳试验结果与已开展的旋转弯曲疲劳试验结果趋势基本一致,该试验方法具有较好的可靠性,可作为金属材料超高周疲劳性能验证的手段之一。

基于彩色相机RGGB通道的LIBS等离子体图像采集与分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种基于瞬态等离子体的发射光谱,而实现等离子体成像则对LIBS技术研究至关重要。本工作采用低成本的工业彩色相机实现了LIBS等离子体动态观测,本文以相机RGB通道分离出不同波段下的等离子体成像结果,进而实现对应波段下元素演化情况的动态观测。以铜锌合金靶材进行了方法验证,结果显示所提出的成像方式能够较好地完成不同元素(Zn、Cu、O)扩张情况的表征,且结合带通滤色片可实现更窄波段下的等离子体成像,证明了彩色相机RGB通道用于等离子体成像分析的可行性,为LIBS基础研究提供了一种实用的技术手段。

基于形状记忆合金声子晶体的带隙优化设计

声子晶体是一种具有声子带隙的周期性结构,通过对其带隙的动态调控设计,进而满足航空航天领域中重大装备对减振降噪性能的特定需求.文章在声子晶体的带隙设计中,引入智能材料,采用拓扑优化方法,开展多功能声子晶体带隙动态调控设计.首先采用有限元方法分析声子晶体的带隙性能,并建立形状记忆合金的温度本构关系模型;其次基于变密度法的拓扑优化方法,在满足特定体分比及强度约束、保证声子晶体单胞之间的连接性约束条件下,以相对带隙最大化为目标函数建立声子晶体带隙设计优化模型;最后根据改进的材料插值模型,分析求解设计灵敏度,采用移动渐进法开展多功能声子晶体带隙结构的拓扑优化设计.优化结果表明:在XY模式下形状记忆合金从马氏体转换到奥氏体带隙拓宽了103.9%,在Z模式下带宽增大了3.75倍.研究结果为声子晶体在复杂环境下实现更为主动带隙调控提供了一种有效的设计方法.

燃烧条件下火焰筒温度及噪声载荷特性实验研究

航空发动机燃烧室内部高温、气动及噪声等复杂载荷环境是导致火焰筒结构产生裂纹的主要因素之一,掌握火焰筒结构表面载荷特性及其与燃烧参数之间的关系,对于其强度评估非常重要。本文依据某型发动机真实构型设计了典型火焰筒试验件,搭建了模拟燃烧试验平台,发展了热电偶/示温漆组合测温和基于波导管的噪声测试方法,获得了不同燃烧状态下火焰筒表面的温度与噪声载荷分布特征,通过对比试验给出了进口温度、流量、供油量等参数对结构载荷的影响规律。结果表明,火焰筒表面噪声总声压级峰值超过150d B,总声压级、频率特性及分布特征与燃烧状态和结构振动特性等因素相关。

双链RNA通过激活PKR/eIF2α通路抑制恶性胶质瘤生长和迁移

目的研究放疗模拟剂博来霉素(Zeocin)诱导的双链RNA(double-stranded RNA,dsRNA)对PKR(double-stranded RNA-dependent protein kinase)通路激活和RNA m6A相关酶的影响,从而探索其抑制恶性胶质瘤生长和迁移的分子机制。方法通过划痕实验、平板克隆形成实验、CCK8实验检测Zeocin处理后的恶性胶质瘤细胞生长和迁移情况;通过Western blot和RT-qPCR实验检测甲基修饰酶的mRNA表达水平;使用J2抗体检测Zeocin处理胶质瘤细胞后细胞内dsRNA的产生水平;利用Western blot实验检测相关甲基修饰酶的表达水平、双链RNA依赖的蛋白激酶R(double-stranded RNA-dependent protein kinase,PKR)及真核生物起始因子2α(eukaryotic initiating factor 2α,eIF2α)的磷酸化水平。结果放疗模拟剂Zeocin显著抑制恶性胶质瘤细胞的生长和迁移;Zeocin处理恶性胶质瘤细胞可产生内源的双链RNA增多;随着Zeocin浓度的增加,磷酸化的PKR与eIF2α水平均显著上升;Zeocin可以剂量依赖性下调胶质瘤细胞内总m6A水平;Zeocin可以选择性下调甲基化酶METTL14的蛋白水平;Zeocin对m6A相关酶的mRNA水平无影响。结论Zeocin可能通过下调恶性胶质瘤细胞中RNA的m6A水平,产生较多的dsRNA,进而激活PKR/eIF2α免疫调节通路,最终导致肿瘤生长抑制。

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。

航空发动机复合材料风扇叶片抗鸟撞性能考核验证

为了考核验证新构型复合材料风扇叶片的抗鸟撞性能,开展与服役工况等效的不同位置和不同撞击速度下复合材料风扇叶片的鸟撞试验。通过测量鸟弹撞击速度、叶片变形和应变响应,结合高速摄像观察撞击的整个过程,包括切鸟姿态与偏转角度等撞击姿态信息,再与试验后无损检测结果等信息结合,综合评估风扇叶片的抗鸟撞性能与损伤破坏模式。研究发现,该复合材料风扇叶片具有良好的抗鸟撞性能,在吸能的同时不易导致裂纹扩展,且前缘钛合金包边的设计有力提升了其抗冲击特性,在不同撞击工况下只出现纤维和基体的局部损伤,并未出现掉块、断裂、脱落等现象。本研究得出的结论可为抗鸟撞性能评估以及进行旋转风扇叶片鸟撞试验考核提供支撑。