液体火箭发动机涡轮泵密封组件静力学特性

为了提高液体火箭发动机涡轮泵端面密封的气检合格率,开展了密封组件的静力学特性分析。采用有限元法建立了密封端面接触分析模型,针对石墨环装配过盈量、弹簧刚度偏差与气检压力3个方面进行了仿真计算,获得了端面变形量和密封压力分布的变化规律。计算结果表明:在0.13 mm过盈量下,石墨环上端面高度差为7.2μm;弹簧刚度偏差量变化引起的动静环端面压力分布最大差值约0.1 MPa;在气检过程中密封端面呈环形的压力分布。

液体火箭发动机复合材料机架初步设计研究

针对液体火箭发动机承力机架,开展复合材料机架的初步设计及探索应用研究。通过对原金属机架结构设计特点分析,提出了一种碳纤维增强复合材料机架的设计方案,并对其进行了力学性能预测及设计参数影响分析等方面研究工作;最后,采用有限元软件ANSYS的APDL语言开发了复合材料机架的计算程序,该程序基于损伤累积理论,包含结构应力分析、材料的失效判断及材料的性能退化3个主要循环过程,通过仿真手段模拟了在载荷增加过程中结构内部产生损伤,并逐渐累积直至破坏的整个过程。仿真分析结果表明:复合材料的应用可在满足原机架强度、刚度和稳定性等设计要求基础上,相对于原结构实现了50%的减重。

深度变推力液氧煤油发动机技术研究

针对未来载人登月着陆器对更大深度变推力动力的需求,开展了补燃循环液氧煤油发动机深度变推力技术研究,运用系统仿真、推力室传热特性仿真及燃烧流动特性仿真等方法,结合喷雾试验、单喷嘴点火试验、全尺寸发生器热试及原型泵水试等试验,验证了发动机变推力、燃烧组件工作稳定性及低工况冷却、深度变工况涡轮泵等关键技术。结果表明,发动机与核心燃烧组件方案合理可行、发动机性能先进,可用于我国未来载人登月下降级发动机的研制。

深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究

针对载人登月着陆器对高性能深度变推力动力的需求,结合国内外探月及空间探索变推力发动机方案与最新进展,在我国补燃循环液氧煤油发动机高性能和具有一定推力调节能力的基础上,基于发动机推力调节敏感度分析,提出推力敏感度强/调节方案简单的泵压式深度变推力液氧煤油发动机方案;同时针对液氧煤油发动机深度变推力调节特性,提出了大范围推力调节、大变比高性能喷注器、宽范围推力室可靠冷却及高性能、稳定性能涡轮泵等关键技术及其解决途径。

基于频率雨流计数法的发动机振动疲劳载荷谱编制

传统雨流计数法适用于常规疲劳载荷计算,不能保留振动疲劳的频率信息,但是频率对于振动疲劳十分重要,因此在传统雨流计数法的基础上提出一种频率雨流计数法。以某型号发动机试车振动加速信号为例,采用振动疲劳载荷谱的编制方法,编制振动信号功率谱、载荷-频次载荷谱、振动疲劳载荷谱,对频率雨流计数法进行验证。结果表明:采用本文方法编制的载荷谱能够反映发动机实际工作载荷,满足实验室疲劳试验载荷谱要求。

补燃循环发动机关机过程仿真研究

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其关机特性进行了研究。在分析发动机系统工作原理的基础上,应用模块化建模的思想,建立了该系统中各主要部件的数学模型;采用新的面向对象仿真语言Modelica和MWorks平台,开发了可扩展的发动机仿真模型库;在此基础上,利用模型库搭建了液氧煤油补燃循环发动机关机过程仿真模型,并对发动机关机过程进行了仿真计算,计算结果表明与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于5%,动态相对误差小于15%,初步验证了所建仿真模型的正确性;进一步分析了吹除气体压力、阀后腔道容积、关机工况等因素对发动机关机过程的影响。

金属点阵材料剪切实验技术研究

从已有胶黏剂、夹芯材料的剪切试验标准出发,制备金属点阵夹芯材料试样,开展金属点阵材料多种剪切实验方法的探索,同时采用有限元方法模拟各种剪切实验方案中材料的应力分布与变形特征。通过与理想剪切状态的分析对比,提出了一种适合金属点阵材料剪切实验的方法。该实验方案可将剪切力均匀作用在材料内部待剪切面内,消除附加弯矩影响,实现预先设计的剪切过程,获得准确可靠的金属点阵材料剪切性能数据。

一种轻质大柔性索网结构模态测试技术

针对轻质大柔度空间索网天线的结构特点及其动力学特性,提出了一种适合于该类索网结构的模态测试技术。设计了一套适用于索网结构激励的非接触气动激振系统,采用三维扫描激光测振系统(3D SLDV)进行非接触振动测量,并利用随机减量技术(RDT)及Ibrahim时域法(ITD)识别结构的模态参数。研究表明,运用本试验方法成功进行了索网结构振动模态测试,拓展了常规的模态试验手段,具有广阔的推广应用价值。

浸液离心轮非接触式模态特性识别技术

针对浸液离心轮结构,提出一种非接触式模态特性识别技术,给出浸液介质对离心轮湿模态影响的量化表征。利用三维激光多普勒测振系统实现结构测点拾振,并在浸液结构中充分考虑不同介质引起的激光折射效应,采用LMS模态分析系统实现模态特性识别。非接触式模态特性识别技术获得的离心轮模态特性与常规成熟加速度传感器测试结果保持很好的一致性,该项识别技术能够很好地运用于浸液结构模态特性识别。开展离心轮在水和液氧模拟介质下模态特性测试,浸液介质导致结构频率不同程度的下降,但在不同阶次上的影响可以保持很好的一致性,不同液位浸液介质对结构模态特性表现出不同的影响规律。

补燃循环发动机强迫起动过程

以补燃循环液氧煤油发动机系统为研究对象,对其强迫起动特性进行了研究.建立了描述补燃循环发动机瞬变过程的数学模型,提出了求解推进剂供应管路瞬变流控制方程的Chebyshev伪谱方法.采用新的面向对象仿真语言Modelica,建立了可扩展的发动机仿真模型库,在MWorks平台上,利用模型库搭建了补燃循环液氧煤油发动机仿真模型.对发动机强迫起动过程进行了仿真计算,计算结果与试车数据基本相符,其中稳态相对误差小于4%,动态相对误差小于10%,初步验证了模型的正确性.进一步分析了火药起动器工作时间、阀门打开时序等因素对发动机起动过程的影响.结果表明,为保证该发动机可靠起动,发生器点火应在氧化剂头腔充填完成后,火药起动器工作时间应持续到发生器点火.

改进模拟退火算法的喷管动力学模型修正

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型,提出一种基于改进模拟退火算法(Improved Simulation Annealing Algorithm,ISAA)的有限元模型修正方法。首先,将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳,建立喷管的参数化有限元模型;在此基础上,以结构模态参数为参考基,构造出联合使用模态频率及模态振型的目标函数,并运用灵敏度分析提取设计变量,从而建立其优化模型;提出带记忆、局部搜索功能的改进模拟退火算法,运用ISAA在设计空间进行多目标全局寻优;最后,采用基于MSC Patran/Nastran软件平台二次开发的结构动力学模型修正软件ZDXZ V1.0进行模型修正,并对模型修正方法的有效性进行了校验。结果表明,修正后喷管的前3阶计算模态频率与试验值相对误差小于2%,振型相关性最小MAC值大于0.9,大大提升了喷管模型的动力学符合性,模型精度满足工程应用要求;表明所述模型修正策略的有效性,该方法具有高效、强鲁棒性等特点,适合于大型复杂结构的模型修正。

临近声速气流条件下电子束空气等离子体特性

为了研究高速动态气流中的电子束等离子体特性,建立了一个由蒙特卡罗模型、多组分等离子体模型与计算流体力学模型组成的多阶段耦合数值模型,在临近声速气流条件下,对1.33×104 Pa空气电子束等离子体特性进行了研究。结果表明,电子束能量沉积具有极强的空间不均性,电子束激发下的风洞流场呈现不同的性质,亚声速流场下游边界区密度减小,而在超声速流场中可诱发弱激波;相比于静止气体,在动态气流中等离子体密度下降,且存在额外的输运行为,使其向气流下游输运,但在临近声速条件下,气流速度大小对气流下游等离子体分布的影响不大;电子束入射角对等离子体空间分布和大小均有影响。

载荷发生频次和超载迟滞的耐久性载荷谱编制方法研究

国内所编制的所有型号飞机的载荷谱,均是代表机队平均使用情况的疲劳载荷谱,而未编制耐久性载荷谱,解决这些问题无论是对我国新一代飞机的研制,还是对旧型飞机使用延寿都迫在眉睫。本文在研究与总结现有载荷谱编制方法及载荷谱处理的关键技术基础上,提出了两种耐久性载荷谱的编制方法:1)对各级载荷发生频次进行概率统计,增大各级载荷发生频次,进而形成较为严重的耐久性载荷谱,即基于载荷发生频次的耐久性载荷谱编制方法; 2)将载荷谱中的高载降低为较低级载荷,削弱其对后续小载荷的迟滞效应,使得所编制的载荷谱偏严重,即基于超载迟滞效应的载荷谱编制方法。根据上述两种耐久性载荷谱的编制思想,编制了基准载荷谱和两种耐久性载荷谱,并对这两种载荷谱进行对比试验。通过试验结果证明,本文提出来的两种编制方法均可以达到预期的严重效果,满足耐久性载荷谱的编制要求。

某滑动轴承-转子系统次同步失稳机理分析及试验研究

通过简化的轴承转子系统模型,分析了次同步失稳机理,给出了次同步失稳解决方案。在试验台架上进行了5叶可倾瓦滑动轴承支承的柔性转子系统运转试验,当工作转速处于2和3阶临界转速之间时,观察到了明显的次同步失稳现象,获得了失稳门槛转速,分析得出轴承中环形流体周向平均速度系数。通过修改转子结构,提高低阶横向弯曲临界转速,有效消除了次同步失稳,实现了试验转子的超高速稳定运行。

双推力室机架快速优化设计方法研究

针对双推力室发动机机架结构开展快速优化设计方法研究,包括模型参数化和结构的优化设计。通过2种不同工况机架实体和简化模型结构分析结果比较,验证了采用梁单元和MPC单元简化模型进行优化设计的合理性。自编程序直接生成包含机架结构布局和尺寸参数信息的有限元模型文件,解决了传统参数化设计中建模精度和时间对优化设计的制约问题。综合考虑强度、刚度和稳定性进行机架结构布局和轻质化优化设计,机架结构在满足各项约束条件下重量发生明显下降,优化设计收到理想的效果。

多胞管增强泡沫铝复合结构的压缩和吸能性能研究

针对泡沫铝强度较低、吸能性能弱的问题,提出了一种有效的增强办法:将金属多胞管填充至泡沫铝中,并用环氧胶固定,制备出新型多胞管增强泡沫铝复合结构(MTRF)。通过实验和商业有限元软件ABAQUS/explicit研究了该类复合结构的压缩和吸能性能。实验结果表明:与常规泡沫铝相比,多胞管增强泡沫铝复合结构的抗压强度和单位质量吸能性能分别提升了500%和700%,显示了MTRF结构优越的承载能力和能量吸收性能。同时,实验结果验证了有限元模型的准确性。在此基础上数值研究了MTRF的增强机理,结果表明:泡沫铝为多胞管提供了强的侧向支撑,抑制了其在压缩载荷作用下横向变形,使得变形模式由低阶变形模式向高阶的变形模式转变,即表现为塑性铰数目增多,使得MTRF结构承载和吸能性能显著提高。

多孔型橡胶填充金属波纹板隔声和减振性能研究

采用冲压成型和焊接/胶接工艺制备两种多孔型橡胶填充金属波纹板,并对这类金属波纹板的隔声和减振性能进行研究。通过隔声实验对比金属波纹板和填充了多孔型橡胶的金属波纹板的隔声性能,并通过冲击实验,对比金属波纹板和填充多孔型橡胶金属波纹板的自由衰减过程。实验结果表明:金属波纹填充多孔型橡胶板后隔声能力和减振性能均得到显著提升。

基于多面体单元的三维ES-FEM理论研究

建立了基于多面体单元的三维光滑边域有限元法(ES-FEM-Poly),包括多面体单元中光滑域的划分方法、形函数的构造,以及几何矩阵、刚度矩阵的推导。同时利用Matlab软件编制了相应的计算程序,研究了空心球模型和梁模型在不同数量多面体单元下的应力分布,与常规四面体单元和六面体单元有限元计算结果通过应力相对误差和能量相对误差进行比较。研究结果表明,基于多面体网格的三维光滑边域有限元法相比常规有限元法具有更好的精度和收敛性,且对于复杂的几何结构也有较好的适应性。

基于PCE法的某涡轮泵转子动力学特性不确定性分析

为解决某火箭发动机涡轮泵转子动力学建模中存在的参数不确定性问题,采用PCE法对连接刚度的不确定性问题进行研究。建立转子系统的有限元模型,与确定的模态试验结果进行对比,前两阶的模态频率误差不超过4%。采用PCE法建立局部连接刚度含不确定性参数的动力学模型,研究连接刚度为服从高斯分布的随机变量时引起的转子动力学特性的不确定性。将结果与基准解进行对比分析,验证了该方法的有效性。

典型无序结构芯体夹层梁的振动特性试验分析

通过悬臂梁模态试验研究了典型无序芯体(纤维毡、闭孔泡沫铝以及开孔泡沫铝)夹层结构的振动特性,并与夹层结构所对应等质量钢板进行振动特性对比分析。研究结果表明:无序芯体夹层结构相较于对应等质量钢板均有着更高的前三阶固有频率和阻尼比;等质量钢梁任一横截面上各点具有相同振动特性,而夹层结构任一横截面上各点振动特性受芯体结构影响较大。