流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战,提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法,以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程,对计算域的流固材料进行统一表征;然后以最小化平均温度为目标,以流动能量耗散和结构柔度为约束,建立了流-热-力耦合的拓扑优化模型,并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析;最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计,得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化

基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型,在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题,采用材料属性有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,RAMP)来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系,利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明:RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰,灰度单元更少,在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大,且高模量密度比能够显著提升结构刚度.

TC4钛合金外物损伤疲劳极限及预测研究

为研究外物损伤对航空发动机TC4叶片高周疲劳极限的影响,以模拟叶片为研究对象,采用空气炮法,预制不同工况下钢球冲击模拟叶片前缘外物损伤,为获得损伤叶片的疲劳极限,对损伤叶片开展了高周疲劳试验,在此基础上,通过有限元仿真探究了缺口残余应力分布对疲劳裂纹的萌生以及疲劳极限的影响,最后通过修正Peterson公式对叶片疲劳极限进行预测研究。结果表明,冲击所造成的缺口尺寸随冲击能量的增大而增大;叶片的高周疲劳极限随冲击能量增大而降低,其中缺口深度对疲劳极限的影响较大;缺口底部残余拉应力可能对叶片疲劳极限有一定影响;Peterson公式对疲劳极限进行预测所得结果误差较大,修正后预测结果误差从-30%~30%降至-15%~15%。

基于BESO算法的涡轮盘拓扑优化

涡轮盘作为航空发动机的核心部件之一,其轻量化设计对航空发动机效率提升至关重要。基于双向渐进结构优化算法(bidirectional evolutionary structural optimization,BESO)拓扑优化模型,使用灵敏度过滤的方法抑制棋盘格现象,用ANSYS的参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)编写拓扑优化程序,对离心载荷作用下的涡轮盘进行结构优化,并通过施加叶片等效载荷的方式,考虑叶片对于优化结果的影响。结果表明,使用编写的算法进行拓扑优化迭代步数减少,显著提升优化效率,在减重26%的条件下,拓扑出的新的结构模型结构总应变能降低48%,结构刚度提升,最大等效应力降低25%且应变能和应力分布更均匀合理。

高雄激素血症多囊卵巢综合征患者性激素和胰岛素水平分析

目的:探讨以高雄激素血症为特征的育龄期多囊卵巢综合征(PCOS)患者体内性激素及胰岛素水平的变化。方法:选择2011年9月-2014年8月本院收治的高雄激素血症PCOS患者200例为观察组,另选择同期本院健康妇女200例作为对照组。采用电化学发光法检测睾酮(T)、雌二醇(E2)、促黄体生成素(LH)、促卵泡刺激素(FSH)、孕酮(P)、空腹胰岛素(FINS)的含量,同时采用葡萄糖氧化酶法检测空腹血糖(FPG)的含量,通过稳态模式评估法计算胰岛素抵抗(HOMA-IR)。结果:观察组中81%的PCOS患者患有高胰岛素血症,85.4%患有胰岛素抵抗,42%患有高黄体生成素血症,PCOS患者血清T、E2、LH、LH/FSH、FINS和HOMA-IR高于对照组(P<0.05)。结论:以高雄激素血症为特征的PCOS患者存在高胰岛素血症、胰岛素抵抗、高黄体生成素血症等激素紊乱征象,故及时监测患者激素水平,并给予针对性治疗,改善患者临床症状及内分泌环境,以期减少相关疾病的发生。

模拟载人探月中航天员空间辐射风险评估

空间辐射是长期载人航天飞行任务中影响航天员健康的重要风险因素。为了探求载人探月过程中对空间辐射的合理防护方式,文章借助空间辐射场模型对"嫦娥三号"飞行任务在不同质量厚度材料屏蔽下的舱内空间辐射环境进行了仿真计算,并确定了航天员各器官接受的空间辐射剂量、剂量当量以及有效剂量等辐射防护量以进行辐射风险评估。结果表明,随着屏蔽厚度的增加,航天员的各组织或器官的吸收剂量和剂量当量以及有效剂量均明显降低;采用质量屏蔽的方法对低于100 Me V的质子具有很好的防护效果,但对高能质子或重离子的防护效果不明显。计算和分析显示,载人探月过程中,只要采取适当的防护措施,航天员的空间辐射风险是可控的。

骨盆骨折患者死亡相关危险因素分析

目的探讨骨盆骨折患者死亡的相关危险因素。方法回顾性分析2013年1月至2018年1月我院收治的骨盆骨折患者的临床资料,包括患者的年龄、性别、住院天数、生命体征、损伤严重程度评分(injury severity scale,ISS)、格拉斯哥昏迷评分(Glasgow coma scale,GCS)、受伤到入院的时间、骨盆骨折的分型、合并损伤的伤情、行血管栓塞治疗及骨折固定的手术治疗情况,运用Logistic回归分析的方法探讨影响骨盆骨折患者死亡的危险因素。结果共纳入356例骨盆骨折患者,其中死亡47例,死亡率13.2%,Logistic回归分析显示:休克指数>2(OR=23.246,CI:11.732～76.758)、最低氧合指数<200(OR=37.926,CI:18.347～87.237)、在24h内输血(OR=3.236,CI:1.232～10.356)、ISS≥25分(OR=85.116,CI:35.011～115.326)、GCS<9分(OR=15.231,CI:5.785～26.234)、合并头部损伤(OR=12.322,CI:6.143～29.579)、合并腹部损伤(OR=6.213,CI:2.260～15.237)、合并会阴部损伤(OR=1.314,CI:1.072～4.213)、合并脊柱损伤(OR=4.526,CI:1.127～16.349)、合并四肢损伤(OR=8.012,CI:2.104～32.768)、骨盆开放性骨折(OR=12.359,CI:3.273～41.786)、Tile分型的构成比(OR=2.783,CI:1.126～5.382)和Tile C型(OR=6.917,CI:1.245～13.627)是骨盆骨折患者死亡的危险因素。结论患者创伤重、24h内输血和出现休克、昏迷,合并头部、腹部、会阴、脊柱及四肢损伤是骨盆骨折患者死亡的危险因素。

航空发动机用蜂窝材料应变率相关本构模型及应用研究

针对典型航空发动机涡轮机匣防叶片刮磨的蜂窝材料,阐述了常用的蜂窝等效模型和J-C(Johnson-Cook)模型,将两种材料模型应用于蜂窝冲击试验的仿真分析,并与试验结果进行了对比.结果表明,通过合理的参数标定及简化假设,J-C模型可提供满意的仿真结果,其中蜂窝损伤预测与试验结果很好地吻合.鉴于其使用相对简单,同时能够提供足够的预测精度,在航空发动机叶片与蜂窝的刮磨仿真分析工程应用中值得推荐.

某航空发动机燃气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究

针对目前燃气涡轮叶片更多依赖于后期整机长试才能集中暴露设计不足的问题,以某型发动机燃气涡轮叶片为例,开展了燃气涡轮叶片低循环疲劳寿命研究。首先,在典型循环下开展燃气涡轮叶片应力应变分析,确定了该燃气涡轮叶片的主要失效模式是以应变疲劳控制的低循环疲劳破坏,根据线性损伤累积原理,预测了燃气涡轮叶片的低循环疲劳寿命。然后,创新的提出了一种在旋转试验台实现涡轮叶片低循环疲劳试验的设计方法,采用开环式电磁感应线圈加热叶片,通过热传导实现带温度梯度的燃气涡轮转子温度场,并根据应变等效原则,确定了燃气涡轮转子试验转速。试验结果表明,燃气涡轮叶片预测寿命在5倍寿命分散带以内,且部件试验叶片裂纹位置与整机试验结果吻合。

基于θ映射法的燃气涡轮叶片高温蠕变变形分析

采用θ映射法对镍基定向凝固合金DZ408不同温度下的纵向蠕变行为进行数值模拟,其结果与试验数据吻合较好。同时,针对叶片三维有限元分析需要,将单轴蠕变方程进行了多轴拓展,并将其编制成用户子程序植入ABAQUS商用有限元软件。采用该方法对航空发动机60 h持久试车过程中涡轮叶片的高温蠕变进行模拟,得到的叶尖残余变形与试验后实际伸长量接近,验证了方法的有效性,表明本方法能够为涡轮叶片的蠕变变形及叶尖间隙设计提供参考。

SiC纤维增强整体叶环破裂转速研究

为研究航空发动机SiC纤维增强钛合金整体叶环的强度,采用有限元法计算了整体叶环子午截面的周向应力分布,分析了其承载模式和理论破裂转速,然后通过高速旋转台试验测定了整体叶环的实际破裂转速。研究结果表明,以复合材料的局部最大周向应力计算的整体叶环的破裂转速与实际测试结果最为接近。叶环残骸断口SEM照片显示,超速旋转过程中首先发生了SiC纤维丝与钛合金基体的界面分脱,随后纤维丝被拉断导致复合材料承载能力下降,最终引起整体叶环的破裂。

1Cr15Ni4Mo3N不锈钢航空发动机叶片外物损伤规律研究

为研究不同因素对不锈钢航空发动机叶片外物损伤的影响规律,以模拟叶片为研究对象,通过空气炮法,开展不同工况下外物损伤试验。结果表明:缺口尺寸与冲击能量呈现正相关的关系;冲击角度和冲击速度对损伤类型的影响较大。冲击角度越大、冲击速度越小,鼓包型损伤增多;冲击角度越大、冲击速度越大,撕裂型损伤增多。

轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究

为解决某型涡轴发动机振动超标的问题,针对带有轴承共腔结构的先进民用涡轴发动机转子系统,建立轴承共腔-双转子系统非线性动力学模型,考虑滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性力,实现了耦合振动的交叉频率成分仿真,揭示了轴承共腔-双转子系统耦合振动的机理,并通过了模拟转子试验验证。研究了轴承共腔-双转子系统耦合振动特性及影响因素,结果表明:轴承共腔-双转子的耦合振动表现为交叉激振现象和轴心轨迹的"圆套圆";共腔结构的角向刚度对耦合振动影响较大,而径向刚度则几乎没有影响。此外,4号以及6号支承挤压油膜阻尼器的油膜厚度同样对耦合振动没有影响。通过缩短共腔结构内外安装边的轴向距离,提高了角向刚度,减弱了系统的耦合振动。模拟试验及整机试验结果表明:轴承共腔结构设计合理,转子振动特性稳定。

基于核主成分分析的涡轮盘结构设计优化

为解决轮盘形状优化过程中变量多且高度非线性的问题,建立了基于核主成分分析(Kernelized Principal Component Analysis,KPCA)技术的航空发动机轮盘优化方法。利用控制点形式的非均匀有理B样条(NURBS)曲线构造涡轮盘截面形状,以控制点的坐标作为设计变量;利用实验设计(DOE)进行采样,从中选取60个较优样本,计算核矩阵K,应用核矩阵K的特征向量计算投影向量的系数矩阵,采用投影后的变量作为新的设计变量,重构设计空间;最后,在降维后的设计空间中优化涡轮盘。结果表明:优化后轮心当量应力降低4.21%,周向应力降低0.26%,轮背径向应力降低1.58%,子午截面平均周向应力降低2.57%,圆柱截面平均径向应力降低6.51%。

镍基合金K438高温弹塑性变形行为与本构模型研究

针对涡轴发动机动力涡轮叶片复杂应力状态下的变形失效问题,以涡轮叶片材料K438为研究对象,开展了高温下光滑和缺口特征件准静态拉伸试验。结合试验结果分析了叶片材料在复杂应力状态下的变形行为和断裂特征,构建了叶片材料本构模型和损伤断裂模型,并验证了模型的有效性和适用性。同时还探讨了温度、应力集中系数、试样截面几何形状对K438材料屈服行为及抗拉强度的影响。研究结果为K438材料的选用及相关结构件设计与应用提供了理论依据。

一种直升机尾传动轴抗弹击损伤容限分析方法

为保障直升机被弹击后仍具备充足时间供直升机安全降落,亟需对弹击后传动轴进行损伤容限设计,确保其被击中后仍拥有足够的剩余疲劳寿命。本文提出了一种直升机尾传动轴抗弹击损伤容限分析方法,可有效预测弹击损伤后的疲劳裂纹扩展寿命。采用该方法对尾传动轴进行弹击动力学仿真分析;其次,发展一种非标准断裂韧度测试方法以获取尾传动轴的断裂韧度;给出一种非标准疲劳裂纹扩展试验方法以获得尾传动轴的疲劳裂纹扩展材料常数;通过建立尾传动轴弹击损伤三维裂纹扩展模型对疲劳裂纹扩展寿命进行预测;通过尾传动轴疲劳裂纹扩展试验对所提出方法的有效性进行验证。分析结果表明,在相同入射角条件下,切边入射导致的尾传动轴剩余疲劳性能普遍低于中部入射的;在相同的入射位置条件下,45°入射比0°入射导致的尾传动轴剩余疲劳性能低。

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l_(1)=0.1141、m_(1)=0.9873、n_(1)=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。

潞宁煤业22116工作面水力压裂切顶卸压技术

潞宁煤业2号煤层顶板为坚硬顶板,22116工作面回采期间临近的22118运输巷围岩位移过大,因此设计采用水力压裂切顶卸压技术进行控制,通过现场试验并对围岩位移监测表明,切顶后22118运输巷两帮移近量减小50.6%,顶底板移近量减小51.8%,巷道围岩位移得到有效控制,为类似地质条件下工作面的开采提供了参考。

基于有限元分析影响铝挤压力的主要因素

文章以外径Φ56mm、壁厚3mm的圆管为例,通过控制变量方式,基于有限元法对比模拟了多组挤压力影响参数,为实际铝挤压生产中挤压力的优化提供一定的理论依据。

基于有限元法的发动机二级从动齿轮疲劳裂纹故障分析研究

为研究涡桨发动机减速器齿轮传动组件的疲劳失效机理,以提高其工作可靠性及使用寿命,开展减速器桨轴组件的高低周复合疲劳试验。结果显示,二级从动齿轮陪试件卡槽处出现沿齿轮轴子午面扩展的疲劳裂纹。为了进一步明确疲劳裂纹产生的机理,建立桨轴组件三维有限元模型,利用有限元软件Ansys对试验条件下二级从动齿轮陪试件进行应力计算,根据计算结果分析影响陪试件卡槽应力状态的各个因素及其影响规律。结果表明:装配过盈量和卡槽倒圆尺寸是造成陪试件卡槽应力过大的主要因素。最后基于数值模拟分析结果提出改进措施,为故障排除提供有力依据。