航空油冷发电机过热保护设计的研究及分析

发电机热场分布对过热保护构件失效影响显著,是其优化设计中应重点考虑的参数。借助ANSYS软件中Fluent稳态压力求解器和湍流模型对故障模式下发电机内部热场分布进行仿真,获得主发电机定、转子和壳体循环油路热场分布;在此基础上,调整部分关键部位熔点及材料软化温度,优化热脱扣保护装置设计方案,实现电机过热保护,该方案已成功应用于某飞机,且已通过试验和试飞验证。结果表明:仿真热场结果与实际工况下的温度场分布一致,电机出口油温达到260℃时绝缘衬套软化,导致电机腔体内发生漏油,当发电机绝缘衬套软化温度提高至350℃,可有效避免发电机烧损。

基于多传感器融合的无人舰载机舰面定位研究

无人舰载机在航母舰面的自主定位是实现自主转运、提高驶入/驶出效率的重要前提.其中,如何依靠机载传感设备实现GPS拒止环境下的舰载机自主舰面定位是亟待解决的关键技术.为此,提出了一种基于视觉和激光雷达融合的无人舰载机舰面自主定位算法.该算法通过结合手眼标定和互信息标定方法进行多传感器在线标定,使无人舰载机在面对风浪及航母运行等情况下机身摇晃导致传感器外参标定结果变化后仍能保持稳定运行;引入因子图用于无人舰载机的多传感器位姿联合优化并基于自主转运过程中的运动模型建立了简单高效的传感器失效标准,从而有效地融合了激光雷达和视觉定位结果,使该算法在单个传感器失效的情况下依然可以进行精确的自主定位;最后建立了基于多传感器的舰载机舰面仿真系统对本文算法进行验证,实验结果表明,本文算法在单个传感器失效的情况下定位误差仍维持在0.2m以内,满足实际应用要求.

基于耗氧惰化技术的飞机燃油箱热模型

温度是燃油箱耗氧惰化系统适航符合性验证过程中重要指标。基于MATLAB Simulink软件,建立了飞机燃油箱耗氧型惰化系统油箱部件的传质传热模型,并验证其可靠性。在此基础上,分析了惰化系统抽气流量和出口温度对飞机燃油箱气相空间节点温度和燃油节点温度的影响。结果表明:所建立的飞机燃油箱传质传热模型具有较高的可靠性;随着惰化系统抽气流量的增加和惰化系统出口温度的升高,气相空间节点温度随之升高但对燃油节点温度影响不明显。

基于平铺刚度法的弧形加筋板的轻量化设计

加筋板结构是航空航天结构设计中常见的承载部件,可以在保证加筋板性能的基础上减轻其结构质量,能够带来巨大的实际效益.因此,加筋板结构的轻量化设计一直是航空航天领域的研究重点.基于同步失效的概念,设计了一种新型的弧形加筋板,旨在充分利用加筋肋的轴向承载能力.同时,基于平铺刚度法,准确预测了弧形加筋板的临界屈曲载荷.最后采用粒子群优化算法对弧形加筋板进行了轻量化设计.算例结果表明,弧型加筋板承载能力优异,轻量化设计效果显著,具有良好的优化效果.

基于近端策略优化的空战决策算法研究

面对未来有/无人机协同作战场景,实时准确的空战决策是制胜的关键。复杂的空中环境、瞬变的态势数据以及多重繁琐的作战任务,使有/无人机协同作战将替代单机作战成为未来空战的发展趋势,但多智能体建模和训练过程却面临奖励分配困难、网络难收敛的问题。针对5v5有/无人机协同的空战场景,抽象出有人机和无人机智能体的特征模型,提出基于近端策略优化算法的空战智能决策算法,通过设置态势评估奖励引导空战过程中有/无人机智能体的决策行为向有利态势发展,实现在与环境的实时交互中,输出空战决策序列。通过仿真实验对所提空战决策算法进行验证,结果表明:本文提出的算法在经过训练学习后,能够适应复杂的战场态势,在连续动作空间中得到稳定合理的决策策略。

尾缘控制措施对开式空腔噪声抑制效果研究

利用基于Menter SST k-ω湍流模型的改进延迟分离涡模拟方法,对开式空腔气动声学特性进行了数值模拟研究,在腔体尾缘采用后壁开孔板加耗能腔的方法进行流动控制。分别研究了在亚声速和超声速来流条件下,所选取的控制措施对气动噪声的抑制效果;利用数值纹影方法等流场分析技术对开式空腔气动噪声的控制机理进行了分析。研究结果表明:亚声速来流条件下,耗能腔尺寸的选择对噪声抑制效果存在较大影响,若耗能腔尺寸过小,不但无法有效抑制腔体内气动噪声反而会使噪声水平大幅升高,最高升幅达12 dB;耗能腔尺寸增加后,腔体内噪声得到抑制,噪声降低幅度随着耗能腔尺寸的增加而增大。超声速来流条件下,所选用的控制措施可以有效地抑制腔体内气动噪声水平,开式空腔内自持振荡循环被终止,各阶模态频率的纯音噪声消失,噪声最高降幅达到23 dB.

模拟海洋大气环境下7B04铝合金板-TC16钛合金铆钉搭接件电偶腐蚀研究

目的加强对7B04铝合金和TC16钛合金之间电偶腐蚀规律的认识,为特定海洋大气环境下服役的飞机在腐蚀防护方面提供指导。方法在模拟海洋大气环境下,对用钛合金铆钉铆接的7B04铝–7B04铝搭接件和极化试件进行10周期加速腐蚀试验,通过PARSTAT 4000电化学工作站测量2种合金加速腐蚀0、10周期后的极化曲线,并以测得的电化学参数为边界条件,利用COMSOL对搭接件进行数值模拟仿真,从而与试验结果进行对比分析;通过疲劳试验得到搭接件加速腐蚀4、6、8、10周期后的疲劳寿命;利用光学显微镜观察腐蚀微观形貌并进行疲劳断口附近的腐蚀坑深度测量;借助X射线衍射仪分析铝合金的腐蚀产物成分。结果在加速腐蚀0周期和10周期后,铝合金的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为−802 mV和−872 mV,2.357×10^(−7) A/cm^(2)和1.477×10^(−6) A/cm^(2),钛合金则分别为−313 mV和−274 mV,1.638×10^(−8) A/cm^(2)和4.144×10^(−8) A/cm^(2)。疲劳断口位置和腐蚀最严重区域与数值模拟仿真电位差最大位置一致,随着腐蚀周期的延长,腐蚀越来越严重,腐蚀坑深度逐渐增大。结论2种合金之间发生电偶腐蚀,7B04铝合金作为阳极发生腐蚀,并随着腐蚀周期的延长自腐蚀电位负移,腐蚀速率增大;TC16钛合金作为阴极,随着腐蚀周期的延长自腐蚀电位正移;XRD图谱显示铝合金腐蚀产物的成分主要为Al(OH)_(3)、Al_(2)O_(3);数值模拟仿真的结果与试验结果一致;飞机新结构设计和旧结构维护要重点关注铆钉周围,避免疲劳失效。

飞机薄壁结构面外载荷下三维疲劳裂纹扩展仿真分析

飞机结构中部分薄壁结构在服役中不可避免地承受面外弯曲载荷,这对飞机的安全性有显著影响。采用FRANC3D和ABAQUS联合仿真的方法,对薄板受弯曲载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为开展研究,分析边界约束强度和初始裂纹形状对此类疲劳裂纹扩展模拟的影响,并评估仿真方法的适用性。结果表明:模拟中施加较弱的边界约束,会使计算的应力强度因子增大;相比于初始非孔边的表面裂纹,初始孔边角裂纹在裂纹扩展初期扩展速率更高;现有的FRANC3D和ABAQUS联合仿真的方法在模拟面外弯曲载荷下薄板孔边裂纹扩展时,存在受压面裂纹无法扩展的问题。

等离子喷涂用硼化锆粉体的优化及控制研究

由于其独特的化学键,ZrB_(2)具有高硬度、高熔点、高强度、高导电率和热导率等特性,被广泛应用于航空航天、核工业及超高速飞行器中的热防护领域,其中ZrB_(2)的热喷涂技术一直是其应用的关键。在热喷涂技术中,等离子喷涂在全世界热喷涂市场中占有量最大,其高性能涂层的制备技术一直是研究的热点,而实现该技术的关键在于需要依靠具有合适粒径、高球形度、高流动性的粉体。通常原始ZrB_(2)粉末平均粒径较小,不具备良好的球形度和流动性,需要二次造粒以制得适合等离子喷涂使用的粉体。其中,喷雾造粒法是一种成熟的热喷涂粉末制备技术,适用于制备等离子喷涂用的ZrB_(2)粉体。本文针对等离子喷涂用ZrB_(2)粉末的制备,引入了新的材料组分,系统研究了粘结剂的种类、粘结剂含量、喷头转速三个参数对粒径、形貌、真实密度和流动性的影响。研究结果表明,将质量分数为40%~50%ZrB_(2)微粉、45%~50%去离子水、4%~6%的聚乙烯亚胺(PEI)、8‰的柠檬酸铵加入罐磨机中球磨,之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中,将进风温度设置为270℃、出风温度调整为95℃、喷头速率调至20~50 r/min、蠕动泵进料速率设为(25±5)r/min,通过烘干和过筛后得到粒径为40~80μm、球形度高、流动性好的ZrB_(2)粉体。通过该方法制得的粉体可直接用于等离子喷涂,适合大批量生产,对高性能ZrB_(2)基涂层的制备具有重大研究价值。

马赫数范围为0~4混合并联二元弯曲压缩进气道设计及试验研究

采用内外压缩型面可控的弯曲压缩进气道反设计方法,设计了一种新型混合并联式二元弯曲压缩进气道,重点针对进气道模态转换过程及冲压单独工作条件下进行了数值仿真及试验研究,获得了进气道宽速域性能,结果也表明新型混合并联式弯曲压缩进气道具有较高的综合气动特性,冲压工作状态马赫数为4、攻角为3°时总压恢复0.5以上,马赫数为3、攻角为3°时总压恢复0.75以上,涡轮工作状态马赫数为2、攻角为3°时总压恢复0.88以上,综合畸变指数小于5%,满足宽速域进发匹配需求。

局部进气裂解油气向心涡轮气动设计与轴向力分析

从涡轮结构形式的角度探究了油气涡轮轴向力平衡问题。建立了半开式、开式与闭式3种局部进气裂解油气向心涡轮,通过数值仿真对比分析了设计工况下3种油气涡轮的气动性能与轴向力,并归纳总结了非设计工况下总轴向力随压比的变化规律。仿真结果表明:半开式、开式与闭式油气涡轮的总体气动性能相近但轴向力表现有明显的差别。当涡轮压比发生变化时,开式油气涡轮轴向力稳定性最好,半开式油气涡轮轴向力稳定性最差,闭式油气涡轮轴向力始终是3种油气涡轮中最小的。由结果分析可知,当涡轮压比低于3时,应避免选用半开式油气涡轮,而涡轮压比变化较大时,则宜采用开式油气涡轮,此外,在采用闭式油气涡轮时需要轴承预留足够的轴向载荷裕度。

推力矢量型V/STOL飞行器短距降落控制策略设计

针对推力矢量型垂直/短距起降(V/STOL)飞行的短距降落(SRVL)过程,进行了纵向动力学建模。基于飞机的减速性能与轨迹、速度稳定性,采用可达平衡集方法,构建了策略参数的边界,制定了参数选取标准,设计一种制定短距降落策略的方法。根据降落策略,分段进行了相应的控制框架建立,内环采用动态逆控制律,并引用一种基于频域尺度的效能分配准则进行控制分配设计。基于蒙特卡洛仿真法,对降落策略的鲁棒性进行了仿真验证,结果表明:针对不同降落阶段的策略参数边界制定方法能够满足该阶段的任务需求,且这些参数边界对短距降落策略制定有着明确的参考意义。以L1自适应控制器作为内环增稳控制器,所设计的短距降落策略使得飞行器在着陆过程中有着良好的轨迹鲁棒性。

随机激励作用下飞机飞行姿态动力学研究

在不考虑客观随机因素的飞机飞行姿态动力学建模和仿真过程中,仿真结果通常与飞行实测数据具有一定的偏差。以飞行实测数据的统计分析为基础,研究了一种具有随机激励的飞行姿态动力学建模方法,并采用随机动力学的研究手段对飞机的飞行动力学问题进行仿真分析。计算结果显示,随机因素对于飞行姿态具有显著的影响,且考虑不确定因素的仿真模型随机响应能够比确定性响应更精准地模拟飞机在真实环境中的飞行状态,为下一步精准分析飞行姿态提供了新的思路。

飞行载荷发展综述

飞行载荷设计是飞行器设计的一个重要组成部分,是连接总体气动设计和结构强度设计的桥梁。本文从飞行载荷设计所需要遵循的规范、飞行载荷的设计方法、严重载荷选取、飞行载荷的验证等方面对飞行器飞行载荷设计的发展历程进行了回顾,并对未来飞行载荷的发展方向进行了展望。

7B04铝合金-CFRP300在模拟海洋大气环境下的电偶腐蚀行为

为了有效地从腐蚀防护角度为飞机异种金属选材提供指导,针对飞机特定的服役环境,通过有限元仿真和腐蚀实验研究飞机典型搭接结构的腐蚀行为。对铝合金、复合材料及搭接件进行了实验室的周浸实验,然后通过极化曲线测量实验、宏微观形貌的观察、疲劳测试、XRD等表征手段研究7B04铝合金与CCF300/QY9511复合材料搭接件的电偶腐蚀规律,并以极化曲线测得的电化学参数为边界条件,建立了搭接件的腐蚀仿真模型。结果表明,在周浸实验0周期和10周期后,铝合金的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-802 mV和2.357×10^(-7)A/cm^(2),-872 mV和1.477×10^(-6)A/cm^(2),复合材料则分别为-240 mV和6.217×10^(-7)A/cm^(2),-98 mV和2.286×10^(-7)A/cm^(2),随着腐蚀周期的延长7B04铝合金材料呈现自腐蚀速率加快、自腐蚀电位负移的变化趋势,而复合材料呈现自腐蚀电位正移、自腐蚀速率缓慢增大的变化趋势;搭接件腐蚀产物逐渐增多,腐蚀程度越来越严重;疲劳寿命随着腐蚀周期的延长而降低;随着腐蚀周期延长,腐蚀坑深度逐渐增大;腐蚀的产物包括Al(OH)_(3),Al_(2)O_(3),AlCl_(3);搭接件仿真结果与加速腐蚀实验后的结果具有良好的一致性。该研究给出了飞机典型搭接结构的易腐蚀部位,揭示了电偶腐蚀规律,为飞机结构的腐蚀防护指明了方向。

低动能来流下背负式进气道非定常流动特性分析

为了改善飞翼布局背负式S弯进气道低动能来流状态下的流动性能,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法对原型及改进型背负式进气道流场进行了数值模拟研究,对比分析了进气道流量特性及内部脉动压力特性。结果表明:低动能来流时背负式进气道上部唇口附近存在很大的气流转折角,导致唇口产生分离涡;原型进气道唇口分离涡强度高,高能量分离涡在进气道顶部破裂产生了大范围旋涡结构,进一步加剧了流动分离,从而引发进气道内产生强烈的压力脉动,声压级最大幅值高达145 dB;改进型进气道唇口分离涡得到了有效控制,强度大幅下降,进气道内部压力脉动幅值也显著降低,声压级降幅达8 dB;改进型进气道分离的抑制使进气道有效流通截面积增大,质量流量增加。同时,流场出口品质提升,进气道出口综合畸变指数降低了9. 5%。

面向推力优化的并联TBCC组合喷管设计方法

针对宽速域飞机机体/推进的强耦合,提出一种在给定几何尺寸约束下面向推力优化的并联涡轮冲压组合发动机(TBCC)组合喷管设计方法。通过理论分析和数值模拟相结合的手段,实现了宽速域组合喷管在欠膨胀和过膨胀流动状态下涡轮/冲压流道面积膨胀比的优化分配。在研究的涡轮/冲压落压比范围内,相比基准组合喷管,面向推力优化设计得到的组合喷管均能具有更高的推力性能,两者综合推力系数的差异在涡轮单独工作的过膨胀流动状态尤为明显,通过推力优化可使得马赫数为0.2和3时的推力系数分别提高4.89%和4.14%。推力优化喷管的升力和俯仰力矩随飞行马赫数的变化幅度相比基准喷管分别减小了33%和47.3%,这可以有效减小机体/推进耦合下全机气动焦点的变化范围,有利于减小宽速域飞机配平阻力并降低飞行器操稳控制难度。

高超声速飞机热管理系统控制模型构建与仿真

以高超声速飞机为研究对象,提出了一种基于单相流体回路的热管理系统(TMS)模型,通过热控制策略与热沉调度模型实现热沉制冷能力最大化目标,解决新型高速飞机日益彰显的冷源不足问题。热控制策略利用系统辨识与热载荷预测算法,提出基于能量平衡与温度反馈配合的热控制模型,解决热惯性带来的控制延迟问题。基于热沉冷却能力评估与热载荷匹配提出热沉调度模型,旨在合理利用各种冷源,解决飞行后期冷源不足的问题。研究通过MATLAB/Simulink仿真验证模型及算法,结果表明:所设计的TMS能够满足高超声速飞机长时间飞行需求;考虑能量平衡的控制模型在超调量及衰减比方面均优于温度反馈控制模型;基于热沉调度策略能够降低冷源消耗速率,更充分地利用各种机载热沉。

推力矢量型V/STOL飞行器动态过渡过程的操纵策略优化

针对推力矢量型垂直/短距起降(vertical/short takeoff and landing,V/STOL)飞行器的动态过渡过程模型,综合考虑过渡走廊限制、操纵冗余及不同起降任务需求指标,研究最优过渡操纵策略。考虑V/STOL飞行器的喷射气流效应,对飞行器进行全量动力学建模。利用可达平衡集方法,建立通用过渡走廊计算框架。设计了能够在V/STOL过渡段和高速飞行间平稳过渡的操纵方式。将推力矢量飞行器的动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,根据不同起降任务特点建立合理的指标和约束,采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解,得出不同任务特点下的最优操纵策略与过渡过程。采用可达平衡集计算过渡走廊的方法,不仅不受飞行器类型的限制,更简化了构造过程,具有良好的通用性与鲁棒性。以光滑过渡为目标的优化结果使得飞行员在飞行器过渡过程中的操纵量变化大幅减小,从而使得飞行员能更加专注于对飞行器运动的操纵;以距离更短为目标的优化结果则使得降落过程的飞行距离缩短了30%左右。从操纵策略出发的优化结果使得驾驶员能够更好掌握操纵关注点及边界,增加了整个动态过渡过程的安全性。

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。