民用飞机门框止动块接触偏移的可靠性分析

民用飞机门框止动块是传递舱门载荷到机身结构的重要组件,止动块与止动钉的接触状态很大程度会影响载荷传递效率及结构可靠性。在舱门止动钉与止动块配合过程中,止动钉在接触面相对止动块会存在偏离理想设计接触状态的情况。为了评估面内接触偏移因素对止动块承载强度可靠性的影响情况,基于Isight平台集成ABAQUS软件和疲劳强度计算工具,通过量化接触偏移随机变量及其分布模型,采用蒙特卡罗法对随机变量抽样,形成一套参数化自动分析流程。经过多次循环抽样模拟计算,结合强度及疲劳计算准则分析接触面内偏移对止动块静强度、疲劳强度可靠性的影响规律。结果表明:在给定允许接触偏移量范围内,止动块的静强度、疲劳强度可靠性较高,超过3σ原则要求的99.73%,验证了止动块结构设计的合理性,该参数化自动计算流程可为机身结构的可靠性分析提供参考。

弹性支撑功能梯度微圆柱壳模态频率的研究

在建立弹性支撑功能梯度薄壁微圆柱壳模型的基础上,基于修正的偶应力理论和一阶剪切变形理论,推导了微圆柱壳的模态频率方程,讨论了弹性支撑、尺寸效应、温度梯度、材料组分指数、孔隙以及几何尺寸等参数对微圆柱壳模态频率的影响。结果表明:微尺度下,弹性刚度系数在0~105N/m^(3)范围内对微圆柱壳的模态频率基本无影响,剪切刚度系数在0~5×10^(4)N/m范围内对模态频率的影响较大,且增大剪切刚度系数有益于提高微圆柱壳的模态频率;由修正的偶应力理论得到的模态频率大于由经典连续体理论得到的模态频率;在弹性支撑和尺寸效应有无考虑的4种组合下,模态频率随温度梯度和微圆柱壳长度的增大而减小,随陶瓷体积分数指数的增大而增大,随孔隙体积分数和微圆柱壳厚度的变化规律不同;温度梯度对考虑尺寸效应或弹性基础的微圆柱壳模态频率影响较大,而孔隙调节具弹性支撑微圆柱壳的模态频率尤其显著。

基于自适应分数阶正位置反馈的垂尾振动主动控制

针对自适应正位置反馈(Adaptive Positive Position Feedback,APPF)控制器在控制效果与分数阶正位置反馈(Fractional Order Positive Position Feedback,FOPPF)控制器在针对摄动区间小的不足,提出一种分数阶APPF(Fractional Order Adaptive Positive Position Feedback,FOAPPF)控制器,使得控制器在控制效果提升的同时兼具强鲁棒性。基于不同参数对FOPPF控制器的影响,推导参数的最佳范围,将系统多个摄动模型的正弦扫频响应进行综合加权处理,并考虑系统远离共振频段的控制性能,构建附带约束条件的控制设计的目标函数。以粘有宏纤维复合材料(Macro Fiber Composites,MFC)的垂尾模型及其摄动模型为被控对象,设计相应的FOAPPF控制器。研究结果表明:相比FOPPF控制器,FOAPPF控制器闭环极点对参数摄动不敏感;相比APPF控制器,FOAPPF控制器的相频曲线在摄动频带内变化平缓,其控制效果受固有频率在线估计误差的影响更小;多种试验工况表明,FOAPPF控制器在不同摄动模型下均具有较好的控制效果,垂尾抖振响应均方根值至少降低了55%,且具有较好的鲁棒性,因此该控制器对垂尾结构的振动主动控制具有良好应用潜力。

发动机一级转子抗鸟撞试验与数值模拟研究

鸟撞发动机在鸟撞事故中最容易造成飞机损坏失事的情况,为了研究发动机一级压气机转子抗鸟撞适航性能,对发动机转子在工作状态下进行鸟撞试验,鸟体质量为1000 g,撞击速度为195 m/s,发动机一级转子转速为8525 r/min;基于显式碰撞动力学分析软件PAM-CRASH建立相应的叶片鸟撞数值计算模型,通过与试验结果的对比来验证本文计算模型的合理性;根据发动机适航条例分析不同工况下发动机一级转子抗鸟撞性能。结果表明:大鸟撞击相比于中鸟鸟群和小鸟鸟群,对于叶片的撞击结果更加恶劣;叶尖位置撞击会引起叶尖部位的大变形,叶根和叶中位置撞击会引起叶片根部较大的集中应力,导致叶片断裂。

中心开孔加筋壁板压缩性能研究

为了研究飞机结构中不同开孔尺寸加筋壁板在压缩载荷下的屈曲行为和后屈曲行为,本文设计了相应的试验方法和试验夹具,完成了壁板压缩试验。得到了不同开孔尺寸加筋壁板的屈曲/破坏载荷、失稳过程及破坏模式。结果表明:加筋壁板的屈曲模式是筋条间蒙皮和筋条外蒙皮发生相反的变形,且屈曲模态随载荷的增加发生多次跳变;加筋壁板的压缩破坏模式是在屈曲变形的基础上筋条伴有明显的变形。针对不同开孔尺寸的加筋壁板进行压缩加载有限元仿真,得到的屈曲与破坏模式和试验的吻合,屈曲/破坏载荷与试验结果的误差在4%以内,验证了有限元模型的有效性。随着开孔尺寸的增加,加筋壁板的屈服载荷先缓慢减小后快速增大;壁板的破坏载荷逐渐减小,最终结构失去后屈曲承载能力。

基于改进剩余强度模型的复合材料疲劳寿命预测

复合材料强度退化规律对研究结构疲劳寿命具有重要意义,然而现有剩余强度模型均需利用剩余强度试验数据确认模型参数,模型构建成本较高。通过探究复合材料疲劳寿命和剩余强度的关系,以疲劳寿命累积分布函数为出发点,构建具有明确物理意义的损伤度,进而提出改进剩余强度模型。改进剩余强度模型不需要剩余强度试验数据,仅需初始静强度和疲劳寿命数据。在改进剩余强度模型基础上,构建S-N-φ疲劳寿命预测模型,该模型可以考虑初始静强度对疲劳寿命的影响。算例结果表明,改进剩余强度模型的预测精度是满意的,S-N-φ模型相比经典S-N曲线模型具有更好的预测精度。

高压水炮系统水箱与连接件静态特性分析

消防直升机因其高机动性、大载质量和长航时等优点而被广泛应用于扑灭森林、超高层建筑和危化品场所等火灾。为防止结构问题引发安全事故,需要对其外挂水炮系统结构进行静力学分析,确保设计的外挂水箱结构强度和刚度符合适航标准。首先,使用SolidWorks软件建立了消防直升机外挂水箱和连接件的三维模型,并进行了适当的简化。然后,通过有限元分析软件对水箱及各连接件进行了静力学分析。仿真结果表明,所设计的高压水炮系统的水箱及连接件结构具有良好的静态特性,能够满足适航要求,并能保证系统的正常运行和性能表现。

机械连接渐进损伤分析方法与应用

铆钉/螺栓连接是飞机结构中最常用的机械连接方式,其结构的破坏往往也发生在紧固件及附近结构,其中以剪切失效最为常见。本文采用三维模型非线性有限元分析得到紧固件的非线性刚度,将其引入到实际结构分析所采用的壳单元结合fastener单元的模型中,计算所得的钉载与三维细节模型一致。此外,将三维模型的建模、计算和钉刚度提取过程进行了参数化的自动编程处理,解决了工程计算中大批量紧固件刚度计算的效率问题。最后,将整套数值分析法应用到实际飞机结构破坏试验的数值仿真中,对复杂的渐进损伤过程进行了研究,数值计算与试验结果基本吻合,表明该方法对复杂飞机结构破坏机理的分析具有重要的工程参考价值。

飞机舵面易损特性与毁伤评估方法研究综述

飞机舵面作为产生维持飞机可控飞行所需控制力的部件,在空战条件下极易遭受毁伤,开展飞机舵面毁伤评估对飞机类目标的精准毁伤评估、整机易损性降低、战场生存能力提高具有重要意义。本文回顾了飞机舵面毁伤评估的基本组成,分别从毁伤评估对象、损伤模式分析、低易损性设计和增稳控制算法4个方面总结了舵面毁伤评估的研究体系,重点分析了用于舵面毁伤评估的6项关键技术。在此基础上,针对未来战机高生存力设计和快速、精准毁伤评估技术的需求,结合未来关键技术发展趋势,从功能毁伤角度分析了舵面毁伤评估需要关注和亟待解决的问题。

基于健康监测的飞机结构寿命预测技术

飞机结构健康监测技术在飞机的结构设计、飞行及维护过程中发挥着重要作用,该技术可用于结构健康状况预判、辅助维修与维护决策。本文首先介绍了当前结构健康监测的概念及其适用范围,讨论了结构健康监测相关规范要求,以F-35和A400M为例分析了国外飞机结构健康监测技术的典型工程案例,并给出了典型飞机单机跟踪和寿命控制、某老龄飞机载荷谱实测及寿命预测,总结了基于裂纹的监测方法研究及限制其应用的主要因素。在此基础上,提出了飞机结构健康监测系统设计的主要思路,给出了寿命预计的基本流程,阐述了其中控制点选择、飞行参数筛选、载荷/应变方程构建、损伤计算及寿命评估、结果输出及方程验证等主要环节。最后,对航空领域未来开展结构健康监测智能化研究进行了展望。

航空液压附件活塞杆螺纹压力脉冲疲劳寿命计算方法研究

本文根据航空液压附件的工作原理,得到其活塞杆螺纹处在压力脉冲载荷工况下的截面内力,并以此为基础对该螺纹的疲劳寿命进行计算,后续的压力脉冲疲劳寿命试验结果表明,用该方法对螺纹的疲劳寿命进行评估是合理的。

高速飞行器间隙非线性机翼颤振的非线性能量阱抑制

针对间隙非线性机翼颤振系统的亚临界问题,引入了非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)技术来提高系统发生极限环振荡的临界速度。建立了具有NES控制的间隙非线性机翼颤振系统动力学模型,并分析了质量比、频率比、阻尼比、相对位置等NES参数对颤振系统极限环振荡的抑制效果,以及NES参数对颤振系统极限环振荡临界速度的影响规律。结果表明,阻尼比越大,可以在越小的自振频率比情况下使系统进入稳定区,但需要更苛刻的NES位置要求,即越靠近机翼前缘;而阻尼比越小,则使颤振系统极限环振荡响应进入稳定区所需的NES质量越小。在NES位置靠近机翼前缘时,增大自振频率比会使极限环振荡抑制效果有明显的提升,而增大质量比可以显著提高极限环振荡的抑制效果和临界速度。此外,NES的阻尼比越小,其颤振系统的极限环振荡抑制效果越好。

含不同直径微脉管层合板拉伸性能研究

针对微脉管对层合板力学性能的影响,对含不同直径微脉管层合板的拉伸性能进行研究。通过试验测量了含不同直径微脉管层合板的拉伸性能,得到拉伸强度与刚度。建立了含微脉管层合板的精细化有限元模型,综合考虑了微脉管引起的富树脂区、纤维局部弯曲和铺层局部纤维体积分数变化的影响,对含微脉管层合板的拉伸性能进行了分析,并得到了试验结果的验证。在此基础上,分别就微脉管方向和直径对层合板拉伸性能的影响进行了研究。结果表明:当微脉管垂直铺层方向时,使单向层合板纵向拉伸强度降低,但刚度基本不受影响;微脉管直径越大,拉伸强度降低幅度越大;与不含微脉管层合板相比,含直径为0.255 mm和0.4 mm微脉管的层合板拉伸强度分别下降了21.9%和39.9%,但刚度变化不超过1.4%;当微脉管直径变化时,层合板拉伸损伤与破坏过程也发生变化。

飞机典型结构当量初始缺陷尺寸分布模型研究

利用结构耐久性分析技术可以在保证飞机结构可靠性的同时,有效提高飞机结构的经济性。应用结构耐久性分析技术,对某型飞机飞行载荷谱作用下一种7B04-T651高强铝合金典型疲劳结构的原始疲劳质量(Initial fatigue qualit,IFQ)进行了研究。开展了3级不同应力水平下的飞行载荷谱疲劳试验研究;利用极大似然估计法处理基于三参数Weibull分布的裂纹萌生时间分布的参数估计问题,利用蒙特卡罗法对比验证了该方法的正确性,提出使用对数样本矩处理当量初始缺陷尺寸(Equivalent initial flaw size,EIFS)分布以获取通用当量初始缺陷尺寸分布模型;建立描述该典型结构的原始疲劳质量模型,验证其当量初始缺陷尺寸小于许用规定的0.125mm;最后通过对该典型结构的原始疲劳质量分析,验证了通用化方法的正确性和实用性,并且建立了结构在不同应力区、不同指定裂纹尺寸和不同可靠度下的寿命估计模型。

基于深度算子神经网络的翼型失速颤振预测

失速颤振是弹性结构大幅俯仰振动与动态失速气动力耦合所发生的一种单自由度失稳现象,需有效预测其失稳分岔速度与失稳后的极限环振荡幅值.针对NACA0012翼型大幅俯仰运动气动力预测问题,发展了由嵌入门限循环单元或长短时记忆神经网络单元的分支网络(branch net)和主干网络(trunk net)组成的深度算子神经网络(deep operator network, DeepONet)结构.通过给定大幅俯仰运动下的动态失速CFD气动力数据对深度算子神经网络参数进行训练,建立了高精度动态失速气动力的数据驱动模型,并有效预测其他俯仰运动下的非定常气动力.更进一步,将基于深度算子神经网络的非定常气动力数据驱动模型与结构动力学方程耦合,采用数值积分方法预测失速颤振的失稳分岔速度和不同速度下的极限环振荡特性.结果表明,在动态失速气动力预测精度方面,与普通循环神经网络相比,深度算子神经网络通过引入主干网络结构,可考虑运动与气动力间的迟滞特性,气动力预测平均绝对误差降低2%,误差分散性更低;在失速颤振预测方面,极限环振荡幅值误差在2%以内,增加来流速度输入的深度算子神经网络模型预测误差显著小于固定速度输入的算子模型.

P型橡胶卡箍的拉压疲劳性能测试和寿命预测

P型橡胶卡箍是航空发动机外部管路系统中连接管路与支架、机匣之间的重要连接件,其主要的失效形式为机体振动和管内高压液体脉动共同作用下的疲劳断裂。卡箍的疲劳性能极大地制约了管路系统的性能,因此对于卡箍的疲劳性能研究具有重要意义。本文首先设计并进行了卡箍的拉压疲劳试验,得到了不同加载位移下的疲劳寿命。后续的断口分析表明卡箍疲劳破坏呈现出两种不同的形式:一是卡箍的金属箍带发生由外侧向内侧扩展的疲劳断裂,二是卡箍的橡胶垫圈严重的磨损现象。其次,结合卡箍疲劳试验的加载过程,建立了对应的有限元模型,并通过与贴片位置的应变对比验证了构建模型的预测精度。针对卡箍箍带疲劳断裂的失效形式,通过卡箍箍带所采用的不锈钢材料的疲劳试验结果,建立了卡箍的SWT(Smith-Watson-Topper)、FS(Fatemi-Socie)以及WB(Wang-Brown)临界平面疲劳寿命模型。最后,结合有限元分析得到的最大应力应变以及卡箍拉压疲劳试验得到的疲劳寿命结果,验证了提出的寿命模型均处于3倍分散带内,对于卡箍的疲劳寿命具有良好的估计精度。

基于损伤力学的轴承钢旋弯疲劳寿命预测

基于连续损伤力学理论,提出了考虑真空化学热处理工艺影响的疲劳损伤模型及数值计算方法,研究了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳损伤分析及寿命预测方法。给出了本构模型、疲劳损伤演化方程和理论模型中的材料参数标定方法,基于ABAQUS平台,通过编写UMAT子程序,实现了基于硬化层影响的疲劳损伤分析的损伤力学-有限元数值计算方法;对淬火回火、渗碳及碳氮复渗2种真空化学热处理的M50NiL轴承钢,开展了旋弯疲劳试验,分析了热处理工艺对疲劳性能的影响;基于提出的疲劳损伤模型及数值计算方法,预测了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳寿命,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的适用性。

周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性影响研究

针对航空发动机篦齿封严环在周向进气畸变状态下的气弹稳定性问题,采用三维插值和非定常动网格技术,建立了基于能量法的篦齿封严环气弹稳定性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了对称进气与非对称进气、进气畸变程度对篦齿封严环气弹稳定性的影响规律,分析了气动功在齿腔不同区域分布特性,揭示了周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性影响机理。研究表明,周向进气畸变可改变气动阻尼比,对篦齿封严环气弹稳定性影响较大。非对称进气时,篦齿封严环气弹稳定性随畸变度的增加先降低后增加再降低。对称进气时,篦齿封严环气弹稳定性随畸变度的增加先增加后降低,相对于非对称进气畸变,对称进气方式对气弹稳定状态影响较小。篦齿封严环在发生气弹失稳时,周向进气畸变对气动功影响最大的区域位于首级篦齿迎风区域,是流场周向压力均匀性最差的区域,周向进气畸变的影响随相对距离增加而降低;篦齿封严环所有齿腔底部的总气动功受周向进气畸变影响较大,在进行结构设计时可改变齿腔底部尺寸、形状等,以降低周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响。

斜激波冲击下层合壁板-空腔系统流-固-声耦合动力学分析

斜激波作用下复合材料壁板-空腔系统气动弹性问题涉及非线性气动力、壁板大变形振动和声腔流体声波的强耦合作用,是高速飞行器弹性壁板设计中关注的重要问题.以往研究主要分析声腔恒定压力对壁板颤振特性的影响,忽略了声场与结构之间的动态耦合特性.为了弥补这一研究缺陷,文章提出一种隐式分区计算方法实现对高速可压缩流体、大变形壁板和声腔流体声波3个物理场进行强耦合计算.基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)框架的有限体积法求解可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,采用高阶剪切锯齿理论和有限元方法建立复合材料壁板非线性动力学模型,采用波动方程描述空腔内可压缩声学流体.揭示了空腔物理参数(声学流体密度、平均压力和空腔深度等)对壁板-空腔系统气动弹性响应的影响规律,发现了若干新现象:改变空腔物理参数可导致壁板运动从定点稳定静变形转变到周期极限环颤振;空腔内声学流体的“弹簧效应”导致壁板表面声压载荷反相位作用于壁板运动;特定空腔深度比下,空腔声模态变化会改变声压脉动与壁板振动的相位关系,导致壁板临界颤振动压降低.

基于Guyan缩聚的颤振优化设计方法

飞行器在设计过程中为了避免颤振发生,会对舵面及其局部连接结构进行反复的迭代设计,直至满足规定的裕度要求。为了提高飞行器颤振优化过程中结构模态分析的效率,本文利用结构动力学原问题的力学特征,选择一组合适的减缩基向量,基于Guyan缩聚与超单元的模态综合法将大型结构的动力学问题进行物理降阶,将设计结构中不变方案的部分进行缩聚,变成外部超单元,提高结构方案迭代的效率,最终通过结构优化,实现了防止颤振的目标。