- 陆艺鑫;吕震宙;冯凯旋;何良莉;
为保障涡轮轴在多种不确定性因素影响下的可靠性和寿命性能,建立了涡轮轴低周疲劳寿命可靠性分析与优化设计方法。搭建了涡轮轴结构分析、可靠性分析和可靠性优化设计的参数化平台,实现了设计参数的不同访问值处结构分析和可靠性分析的自主调用。提出了改进Monte Carlo结合自适应Kriging的算法(A-MCS-AK),通过多点加点和样本池缩减大幅提高了可靠性分析效率。针对极大化涡轮轴低周疲劳寿命均值和极小化涡轮轴低周疲劳寿命失效概率的可靠性优化模型,建立了基于自适应协作代理策略的类序列解耦算法。对选定涡轮轴的分析结果表明,搭建的参数化平台实现了分析数据的自主流动,提出的A-MCS-AK算法较传统的自适应Kriging结合MCS方法计算效率更高,建立的类序列解耦法实现了两种优化模型的高效求解,得到的优化方案显著提高了某型涡轮轴的寿命均值并降低了失效概率。
2022年02期 v.43;No.296 1-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 2619K] [下载次数：1251 ] |[网刊下载次数：267 ] |[引用频次：22 ] |[阅读次数：378 ] - 米栋;龙湘云;赵思波;胡相波;姜潮;
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。
2022年02期 v.43;No.296 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 4615K] [下载次数：521 ] |[网刊下载次数：216 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：109 ] - 王开平;闫明;孙自强;苏东海;刘海超;惠安民;
为研究剪切载荷下螺栓连接结构松动行为,首先建立了多种螺栓连接结构精细有限元模型,进行了全六面体网格划分,并运用Yamamoto方法和Spowith方法验证了模型的有效性,然后通过多种模型仿真对比,分阶段首次研究了不同影响因素下塑性松动期、旋转松动期内以及整个松动期内的螺栓松动行为及其重要临界值。结果表明:剪切载荷下螺栓初始预紧应力和其材料屈服应力之比在1.32～1.44时,松动最不容易发生;存在一初始预紧力临界值,当初始预紧力小于此临界值时,松动开始于旋转松动期,反之经历整个松动期;存在两个剪切载荷幅值临界值,当大于第1临界值时,螺栓松动会发生反之不会发生,当大于第2临界值时,松动过程经历整个松动期,反之仅经历旋转松动期;剪切载荷幅值越大,螺栓松动越容易发生,松动变化速率不单调且在某一幅值处发生突变;一定区间内,存在一个螺纹啮合面间摩擦系数范围使得松动最难发生;偏心距离越大,松动越容易发生。
2022年02期 v.43;No.296 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 3115K] [下载次数：684 ] |[网刊下载次数：228 ] |[引用频次：12 ] |[阅读次数：198 ] - 刘璐璐;李志鹏;韩佳奇;罗刚;赵振华;陈伟;
基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)装置,对发动机结构设计中广泛使用的螺栓连接结构开展了冲击试验,研究了冲击载荷作用下单螺栓结构的承载能力、损伤模式和失效机理,掌握了冲击速度、预紧力、装配间隙的影响规律。在瞬态显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA中,对单螺栓连接结构的冲击试验进行了数值仿真分析,其中螺栓结构采用考虑螺纹细节的精细有限元模型,仿真获得的应变波传播规律与试验吻合良好,验证了该模型的有效性。试验与仿真结果表明:单螺栓连接结构冲击过程分为初始加载与滑移、接头双峰强加载、卸载三个阶段;冲击速度越大,冲击力峰值显著增加;增大螺栓装配间隙或适当提高预紧力均可增强螺栓连接结构的抗冲击剪切能力,而过大的预紧力则会使抗冲击剪切能力下降;螺栓的失效模式为剪切压溃失效。
2022年02期 v.43;No.296 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 12271K] [下载次数：1080 ] |[网刊下载次数：330 ] |[引用频次：16 ] |[阅读次数：278 ] - 陈官峰;王学卫;裴会平;刘巧沐;王玉敏;
为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明:复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。
2022年02期 v.43;No.296 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 6771K] [下载次数：289 ] |[网刊下载次数：173 ] |[引用频次：8 ] |[阅读次数：110 ] - 李洪松;刘永葆;贺星;殷望添;
燃气轮机叶片在实际工作过程中,受到高低周载荷共同作用而易发生疲劳失效。针对高低周复合疲劳损伤演化和寿命预测比较复杂这一问题,考虑高低周载荷叠加形成的耦合损伤,建立了一种新的高低周复合疲劳寿命预测模型,在此基础之上,引入弱化函数描述某些低幅高周载荷对复合损伤的弱化作用,建立了具有低载强化寿命效应的高低周复合疲劳寿命预测模型。通过试验数据的验证分析并和Miner模型、Zhu模型的预测结果进行对比,建立的高低周复合疲劳寿命预测新模型的适用性和准确性较高,为叶片完整性设计、损伤分析和寿命预测奠定基础。
2022年02期 v.43;No.296 7-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 823K] [下载次数：945 ] |[网刊下载次数：322 ] |[引用频次：19 ] |[阅读次数：386 ] - 张攀;贺国;潘兴隆;
为研究舰船通海管路腐蚀后失效压力预测问题,在DNV RP-F101准则的基础上设置模型系数,建立了管路预测模型,并通过数值分析修正模型系数。使用Abaqus软件分析管道爆破失效力学行为,研究缺陷形貌和腐蚀深度、腐蚀轴向长度对失效压力的影响。对比预测模型与数值分析可知,模型系数为Y_(FEA)=1.034时,预测模型可以较好地预测通海管路失效压力。仿真结果表明:通海管路失效形式为爆裂失效;管道壁厚对失效压力存在影响但影响很小。对于具有相同深度和长度的缺陷类型,椭球型对管路强度影响最大,柱面型最小。对同种缺陷类型,以矩形平底缺陷为例,腐蚀深度对管道强度影响最大,与失效压力呈负线性;失效压力随腐蚀轴向长度增加呈指数形式下降,但腐蚀轴向长度超过一定值时,失效压力趋于稳定。
2022年02期 v.43;No.296 27-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 2008K] [下载次数：159 ] |[网刊下载次数：180 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：105 ] - 张雨曼;石多奇;隋天校;杨晓光;
针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合。采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算。将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和DDXX共4种单晶合金的蠕变试验数据,验证了子程序对不同温度和应力、不同晶体取向、变应力/温度条件下单晶合金蠕变曲线的模拟能力。结果显示:该蠕变模型能够精确模拟单晶合金在较宽温度范围和不同晶体取向的蠕变曲线;相比于传统蠕变模型,该蠕变模型更加简单有效,对于变应力/温度条件下单晶合金的蠕变行为具有较高的模拟精度;所开发的子程序可用于单晶涡轮叶片在变工况条件下的蠕变响应分析。
2022年02期 v.43;No.296 35-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 1532K] [下载次数：611 ] |[网刊下载次数：239 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：116 ] - 肖值兴;毛建兴;胡殿印;王欣;王荣桥;
为探究孔挤压强化工艺参数对镍基高温合金GH4169低周疲劳寿命的影响规律,首先建立了经试验验证的孔挤压强化后GH4169带孔平板低周疲劳寿命模型,在此基础上研究了600℃、820MPa、应力比0.1条件下挤压量、前导角、后导角、摩擦因数、芯棒材料等典型工艺参数对孔挤压强化后疲劳寿命的影响规律。结果表明:提高挤压量能明显提升疲劳寿命,但过大的挤压量会导致疲劳寿命下降;增加前导角有助于改善挤入面疲劳寿命;后导角对疲劳寿命没有影响;摩擦因数的提高会对孔挤压强化效益产生负面影响;芯棒材料的屈服强度应大于被挤压材料。
2022年02期 v.43;No.296 67-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1073K] [下载次数：665 ] |[网刊下载次数：135 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：166 ] - 谭龙;杨晓光;孙燕涛;范永升;石多奇;
定向凝固/单晶镍基合金在服役过程中受高温、外载和时间的复杂影响会发生微结构退化,从而导致其低周疲劳性能降低。为了预测微结构退化镍基合金的低周疲劳寿命,探索材料微结构退化导致疲劳寿命缩短的机理,假定材料在标准热处理状态下承受更大载荷而不改变材料在给定载荷下的疲劳损伤机制和规律,基于连续损伤力学和应变能密度理论建立了考虑微结构状态的镍基合金寿命预测方法。采用前期开展的微结构粗化/筏化DZ125镍基合金低周疲劳试验结果,对两种模型预测结果进行了验证。结果表明:两种模型预测结果与试验结果相吻合,模型预测结果控制在±3倍分散带内。考虑微结构状态的疲劳寿命预测方法能够有效地捕捉微结构粗化/筏化对合金低周疲劳寿命的劣化作用。该方法将高温部件的疲劳性能评估在传统的载荷-寿命二维平面上增加了考虑时间作用的微结构退化维度。
2022年02期 v.43;No.296 86-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 4662K] [下载次数：587 ] |[网刊下载次数：173 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：248 ] - 刘小刚;朱阳阳;申顺;彭伟平;
为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。
2022年02期 v.43;No.296 104-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 8068K] [下载次数：318 ] |[网刊下载次数：180 ] |[引用频次：6 ] |[阅读次数：120 ]
- 郭自闯;李范春;张荣磊;张君杰;张源;
以压气机叶轮为研究对象,轻量化设计为研究目标,设计了一种适合旋转周期对称结构应用的点阵填充点阵胞元。其目的是在保证满足设计要求的前提下,使叶轮刚度和强度具有可调性的同时降低叶轮质量。对转速为8×10~4r/min极限工况下的无填充轮、实心轮和不同点阵梁直径点阵填充轮进行了分析对比。结果表明,单个胞元梁直径为0.2mm,0.4mm,1mm的点阵轮相对于实心轮叶梢的平均周向变形分别降低了4.84%,3.49%,3.71%。对于点阵梁直径为0.4mm的叶轮,其重量相对于实心叶轮可降低22.68%,轮毂与叶片部分应力相对于实心轮可降低75MPa。点阵轮的叶梢周向平均变形位于无填充轮和实心轮之间。这一结果说明点阵填充轮毂的压气机叶轮不但可以有效减重,还可以提高压气机的工作效率。
2022年02期 v.43;No.296 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 6400K] [下载次数：481 ] |[网刊下载次数：168 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：162 ] - 周小兵;吴艳辉;郭鑫;范鑫;
径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路。针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距S_h对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理。结果表明:在设计封严冷气量工况下,相较于传统的径向轮缘密封结构,D为0.375mm和0.5mm的圆柱孔状径向轮缘密封具有更好的封严性能,其喷射的冷气与主流冷气混合后形成"屏障",阻止燃气的进一步入侵,使得封严效率分别提高大约2%和4%;S_h为0.75mm和1.825mm圆柱孔状径向轮缘密封可以提高封严效率4%左右,但S_h为0.75mm的密封结构会在盘腔内发生回流现象,导致燃气扩散,而S_h为1.825mm的密封结构由于圆柱孔远离燃气率先入侵位置,可以有效地阻碍燃气在盘腔内的入侵。因此,D为0.5mm以及S_h为1.825mm的圆柱孔状轮缘密封是本文研究获得的最优设计方案。
2022年02期 v.43;No.296 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 6413K] [下载次数：248 ] |[网刊下载次数：162 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：126 ] - 张晓军;舒慧明;邢鹏涛;朱国伟;朱佳佳;
为了更加科学有效地评估纤维缠绕复合材料结构的可靠性,根据复合材料渐进失效特点,应用结构系统可靠性理论和方法,将复合材料视为连续体的结构系统,基于复合材料有限元模型对"单元"和"系统"进行了定义,构建了概率渐进失效分析的基本流程,提出了主要失效序列和结构整体的失效概率的精确解算式和近似计算方法。为解决复杂结构系统主要失效序列识别耗时巨大,甚至不可能实现的问题,提出了快速分枝-界限法、临界组群(组件)失效、最弱链模型、分枝点的确定性初步筛选等技术方法。以固体火箭发动机纤维缠绕壳体为典型应用对象,首先运用渐进失效分析方法对纤维缠绕壳体进行了有限元分析和实验验证,然后基于验证的有限元模型,应用本文所提方法,对其进行了概率渐进失效分析和结构整体失效概率的计算,结果与建立方法的假设一致,验证了本文方法的科学性和有效性。
2022年02期 v.43;No.296 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 2271K] [下载次数：626 ] |[网刊下载次数：138 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：118 ] - 黄发;王恒;钟世林;龚晓庆;陈晖;徐庆锋;刘洋;
针对单边膨胀组合喷管(Single expansion ramp nozzle,SERN)不规则几何结构设计难题,以提高SERN结构刚度、强度为目标,从安装布局方案以及承力结构拓扑优化两个方面开展设计工作,分析了不同位置安装节点对载荷分布、关键位置变形的影响,基于拓扑优化方法,建立了SERN部件级结构概念设计方法和流程,实现了SERN的结构设计。研究结果表明:新增辅助侧拉杆能减小关键位置的变形,同时往左上方移动侧拉杆、右上方移动辅助安装节以及左下方移动主安装节有利于关键位置变形控制和各安装节点载荷的合理分布;优化后的安装方案相比初步安装方案,最大关键位置变形下降了83%,主安装节最大载荷下降了35%,辅助安装节最大载荷下降了55%。设计的SERN结构随TBCC发动机完成了高马赫数模态转换试验,试验后结构状态良好,验证了设计的合理性。
2022年02期 v.43;No.296 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 7721K] [下载次数：367 ] |[网刊下载次数：162 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：155 ] - 王雁;周才华;周演;徐胜利;王博;李玉韦;刘中华;
支架是航空发动机滑油箱组件中的重要部件,用于连接和固定滑油箱组件中的箍带。但现有支架设计会引起与之相连的箍带承受偏心拉力,导致结构应力水平偏高进而发生疲劳破坏。本文提出了一种考虑结构局部刚度的拓扑优化方法,能够在提升支架整体刚度的同时兼顾局部刚度,使支架的刚度分布更加合理,进而显著降低与之相连的箍带的应力水平。利用该优化方法优化后的支架结构质量与初始结构相同,最大形变量降低了17.7%,与之相连的箍带结构不再受偏心拉力,应力分布更为均匀,最大应力降低了30.84%,验证了考虑结构局部刚度的拓扑优化方法在支架结构设计中的有效性。
2022年02期 v.43;No.296 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 2911K] [下载次数：923 ] |[网刊下载次数：266 ] |[引用频次：13 ] |[阅读次数：266 ] - 杜昆;陈麒好;孟宪龙;王力泉;裴祥鹏;焦英辰;李华容;刘存良;
陶瓷基复合材料(CMC)具有密度低、耐高温的优异特性而被视为新一代航空发动机的战略热结构材料,其制备工艺、性能设计及其在燃烧室和涡轮等热端部件的应用已成为现阶段航空发动机研究领域的热点。然而,由于编织特征导致的各向异性特性,给CMC在热端部件的应用和加工带来巨大挑战。本文总结了有关陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用研究现状和存在的挑战,提出未来CMC热端部件精细化热分析发展建议。
2022年02期 v.43;No.296 113-131页 [查看摘要][在线阅读][下载 5072K] [下载次数：6905 ] |[网刊下载次数：304 ] |[引用频次：107 ] |[阅读次数：829 ] - 于斌;张建军;顾森东;张海;李玉峰;
为提高航天复合材料压力容器(COPV)性能因子,COPV壳体常采用超薄壁塑性工作金属内衬和高强碳纤维缠绕的双层壳体结构。通过对传统的网格理论进行优化,提出了塑性工作内衬COPV结构静力学计算的算法,联立求解各内压载荷阶段的静力学平衡方程和应变协调方程,对COPV纤维与内衬应力应变进行计算和分析。利用ANSYS有限元软件,根据复合材料层合板理论和内衬弹塑性理论完成了COPV的有限元建模和分析计算,有限元应力分析结果和本算法解析解法计算结果一致。根据本算法对卫星推进系统用COPV进行了结构设计和工程研制,COPV工作压力和爆破压力分别为30MPa和60MPa,COPV鉴定试验结果满足技术要求。结果表明:本算法能够得到塑性工作内衬COPV准确的应力应变解析解,可用于塑性工作内衬COPV的结构设计。
2022年02期 v.43;No.296 132-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 3303K] [下载次数：471 ] |[网刊下载次数：149 ] |[引用频次：7 ] |[阅读次数：159 ] - 罗丰;张立章;米栋;钱正明;
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%。
2022年02期 v.43;No.296 141-147页 [查看摘要][在线阅读][下载 1105K] [下载次数：488 ] |[网刊下载次数：134 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：110 ] - 仰宏伟;白少先;
为提高密封气膜的开启能力以满足长寿命设计要求,基于气体润滑理论研究了环瓣式浮环密封表面瑞利台阶型槽的动压特性。采用有限差分方法,数值计算了密封气膜压力分布和动压效应,分析了操作参数和型槽几何参数对密封气膜压力和泄漏率的影响规律。结果表明,表面瑞利台阶型槽可以产生明显的气体润滑动压效应,可使得密封气膜平均压力和泄漏率分别增加38.6%和10.3%;型槽几何参数对动压效应影响明显,槽宽、槽数和槽深的增加均可使气膜平均压力增加;随着槽宽和槽数半径比的增加,无量纲平均压力先增加后减小。
2022年02期 v.43;No.296 148-154页 [查看摘要][在线阅读][下载 3407K] [下载次数：422 ] |[网刊下载次数：161 ] |[引用频次：16 ] |[阅读次数：120 ] - 张森;曾继来;张新民;李华星;和文强;万剑峰;张安超;
为了准确预测离心泵双密封环平衡系统的泄漏特性,通过分析该平衡系统的几何特征和液体流动特点,对其主要过流部件进行简化,将泵腔液体流动简化为由圆周剪切流和径向压差流叠加而成的轴对称二维粘性层流运动,同时将密封环间隙液体流动简化为两平行平板间的定常不可压缩粘性流体层流运动。然后,利用N-S方程分别建立了泵腔和密封环间隙的液体流动模型,并通过泄漏量相等建立了双密封环平衡系统泄漏量预测模型。为了验证该预测模型的可靠性,以IS80-50-315型离心泵为模型,对不同工况下的双密封环平衡系统泄漏特性进行实验测量,并与预测结果进行比较。结果显示,在不同平衡孔直径和密封环间隙条件下,预测结果与实验数据的相对误差在设计工况下均小于3%,在非设计工况下均小于10%。研究表明,不仅在设计工况下,而且在非设计工况下,本文提出的预测模型均可以较准确地预测离心泵双密封环平衡系统的泄漏特性。
2022年02期 v.43;No.296 198-206页 [查看摘要][在线阅读][下载 3870K] [下载次数：242 ] |[网刊下载次数：190 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：175 ] - 包幼林;张立章;赵艳云;李立新;
为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明:在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。
2022年02期 v.43;No.296 218-227页 [查看摘要][在线阅读][下载 1912K] [下载次数：259 ] |[网刊下载次数：273 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：205 ] - 牛晓鹏;朱顺鹏;高杰维;廖鼎;何金超;
为了更好地满足叶盘结构的设计需求,针对叶盘结构疲劳寿命分散和几何参数众多等问题,基于随机有限元法构建了融合多源不确定性的叶盘结构疲劳可靠性分析与优化设计框架。首先,采用应力敏感因子分析筛选叶盘结构关键尺寸;然后,将关键尺寸、材料属性及载荷定义为随机变量,基于其分布规律进行拉丁超立方抽样以开展随机有限元分析和寿命预测;最后,结合寿命预测结果,分别运用插值法、概率累积疲劳寿命法以及Kriging代理模型进行了叶盘结构可靠性优化设计。结果显示,经上述三种方法优化后,叶盘结构中值疲劳寿命分别提升了27%,1.4%和108%。其中,基于Kriging代理模型建立的优化方法效果最佳,显著提升了叶盘结构的使役可靠性。
2022年02期 v.43;No.296 228-236页 [查看摘要][在线阅读][下载 1271K] [下载次数：1168 ] |[网刊下载次数：163 ] |[引用频次：15 ] |[阅读次数：215 ]
- 马同玲;张扬军;王正;赵伟;杨鑫;张华;
柔性联轴器是某型涡轮热电转换系统的核心部件,对转子动力学特性和工作可靠性有重要影响。本文针对闭式循环热电转换柔性联轴器的结构优化设计问题,开展转子固有频率与临界转速分析,设计柔性联轴器的正交试验,建立转子固有频率同柔性联轴器尺寸参数之间的数学关系;研究转子固有频率随柔性联轴器尺寸参数的变化规律,进行柔性联轴器尺寸参数灵敏度分析。研究表明:转子从起动至额定工况,须经过三阶弯曲模态临界转速,由于第三阶弯曲模态临界转速最高,转子在经过该临界转速时的不平衡响应最大,对转子的危害性也最大;在联轴器结构参数中,柔性杆的直径对转子第三阶弯曲模态的固有频率影响最大;转子第三阶弯曲模态的固有频率随联轴器柔性杆长度的增加而减小,随柔性杆直径、电机端膜片斜度和发动机端膜片斜度的增加而增大。在此基础上,以降低转子在起动过程中经过弯曲模态临界转速时的不平衡响应为目标,对转子柔性联轴器的尺寸参数进行优化。
2022年02期 v.43;No.296 237-245页 [查看摘要][在线阅读][下载 7048K] [下载次数：711 ] |[网刊下载次数：145 ] |[引用频次：16 ] |[阅读次数：126 ] - 唐振寰;米栋;卢愈;龙伦;汤勇;
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。
2022年02期 v.43;No.296 246-255页 [查看摘要][在线阅读][下载 4155K] [下载次数：532 ] |[网刊下载次数：205 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：199 ] - 曾振坤;张大义;黄巍;杨诚;
为研究径向支承刚度非对称对航空发动机转子系统的影响,采用集中参数模型和有限元理论建立此类转子振动特性的求解方法,研究关键影响参数及影响规律。结果表明:支承刚度非对称导致转子系统在两正交方向质量刚度特性不同,使稳态响应相位非同步变化和幅值差异,这是引发转子反进动涡动和椭圆形轴心轨迹的内在原因。增大支承刚度非对称程度使转子椭圆进动轨迹离心率增大,各阶临界转速单调变化;增大支承阻尼能有利于降低支承刚度非对称对转子响应幅值和进动状态的不利影响;利用ANSYS求解刚度非对称转子系统的多阶模态频率误差不大于0.3%,稳态响应峰值误差不大于0.96%,验证了利用ANSYS求解的可行性。
2022年02期 v.43;No.296 256-265页 [查看摘要][在线阅读][下载 1664K] [下载次数：562 ] |[网刊下载次数：207 ] |[引用频次：8 ] |[阅读次数：137 ] - 窦金鑫;于晓光;杨同光;刘忠鑫;
为了研究含裂纹航空液压直管的振动响应特性,防止液压管路系统出现灾难性失效,针对液压直管可能出现的斜裂纹故障,考虑剪切力以及剪切系数的影响,推导出斜裂纹液压直管的局部柔度系数表达式,从而建立斜裂纹液压直管流固耦合有限元模型。利用Newmark-β积分法求解了液压直管的振动响应,将数值计算结果与试验测试结果对比分析,验证了有限元模型的正确性。利用本文模型分析了裂纹夹角和柱塞泵转速对液压直管系统振动响应特性的影响,结果表明:裂纹夹角的变化会影响液压直管的振动响应,当裂纹夹角趋于0°时,液压直管的振动响应幅值最小,随着裂纹夹角的增加,裂纹对液压直管振动响应的影响更显著;在不同的转速下,横向裂纹液压直管的振动响应幅值均大于斜裂纹液压直管。
2022年02期 v.43;No.296 266-274页 [查看摘要][在线阅读][下载 5527K] [下载次数：295 ] |[网刊下载次数：146 ] |[引用频次：10 ] |[阅读次数：123 ] - 黄江博;廖明夫;刘巧英;薛永广;王四季;周旋;
为了研究带套齿连接结构的转子系统振动稳定性,推导了套齿连接结构的内摩擦力表达式,由此求解了转子系统振动失稳的条件。设计并搭建了带柔性和刚性两种不同套齿连接结构的实验转子系统。实验研究了带不同套齿连接结构的转子系统振动的稳定性。实验发现,带柔性套齿连接结构的转子系统易于发生由内、外套齿齿面间内摩擦所引起的振动失稳。失稳的特征是转子振动中出现较突出的次谐波分量,次谐波频率为转子系统的第一阶自振频率。次谐波出现的门槛转速略高于转子系统的第一阶临界转速。不对中度的增大对次谐波具有激励作用,促使转子失稳加剧,锁紧螺母拧紧力矩增大对失稳有抑制作用。带刚性套齿连接结构的转子系统越过了工作转速范围内的第三阶临界转速,未出现失稳现象。在第一阶模态与第二阶模态处分别进行了300s的"共振"实验,实验过程中未出现次谐波振动分量,转子保持稳定。结果表明,带刚性套齿连接结构转子的稳定性高于带柔性套齿连接结构的转子。
2022年02期 v.43;No.296 275-285页 [查看摘要][在线阅读][下载 4350K] [下载次数：458 ] |[网刊下载次数：148 ] |[引用频次：7 ] |[阅读次数：99 ] - 柳恺骋;闫成;陈立强;张绍文;
为解决高保真失谐叶轮模型计算量大的问题,在Craig-Bampton部件模态综合法的基础上,结合波子结构法对界面自由度进一步减缩,发展了适用于带分流叶片离心叶轮的模型减缩方法,并给出其复数形式下的数学表达。采用该方法建立了工程实际叶轮高保真有限元模型的减缩模型,自由度数减缩率达99.8%。分别采用减缩模型和完整模型,通过计算谐调和不同程度失谐时的模态频率和振型,验证了减缩模型的模态计算精度;通过计算不同程度失谐和不同激励阶次下叶轮的归一化最大失谐位移响应幅值,进一步验证了减缩模型的响应计算精度。数值计算结果表明:在叶片弹性模量失谐标准差15%范围内,采用该方法建立的减缩模型具有较高的模态计算精度并且在各激励阶次下具有较高的响应计算精度,波减缩基对不同程度失谐具有良好的鲁棒性。
2022年02期 v.43;No.296 286-294页 [查看摘要][在线阅读][下载 1326K] [下载次数：150 ] |[网刊下载次数：142 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：183 ] - 刘勇;王朝;周平;
为了提前感知滚动轴承故障,避免民用航空发动机非计划维护带来的损失,提出了一种故障预警方法。对轴承振动信号进行特征工程,提取其时域和频域特征,引入梯度提升决策树(Gradient boosting decision tree,GBDT)算法,量化了特征重要度;在特征相关性分析的基础上,利用核主成分分析(Kernel principal component analysis,KPCA)方法实现特征融合与主元提取,再次结合GBDT构建了故障预警模型,使用交叉验证法实现了模型泛化能力评估。结果表明:KPCA+GBDT模型的泛化性能显著,模型的F1分数高达0.991,对应的受试者工作特性(Receiver operating characteristic,ROC)曲线下面积的值为0.998,体现出该方法用于支撑航空发动机健康管理与维护决策工作的工程应用价值。
2022年02期 v.43;No.296 295-304页 [查看摘要][在线阅读][下载 3953K] [下载次数：445 ] |[网刊下载次数：136 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：108 ] - 田晶;刘丽丽;张凤玲;王志;艾延廷;
针对中介轴承故障理论尚不完善这个缺点,特别是中介轴承多点故障机理认识不清,基于非线性Hertz接触理论,采用时变位移激励函数对中介轴承内、外圈同时存在的故障进行描述,建立中介轴承多点故障4自由度动力学模型。搭建中介轴承故障实验台,对中介轴承多点故障进行试验模拟,通过对比试验数据与动力学数值仿真结果发现,故障特征频率仿真结果与实验结果误差小于1%,验证动力学模型的有效性。基于此模型分析了缺陷宽度、径向载荷和转速比对典型故障特征参数的影响。研究表明:随着缺陷宽度、径向载荷和转速比的增大,峰值和均方根值均呈现增大趋势,而峭度因子变化规律较为复杂。轴承存在故障时,峭度因子始终大于3,波形因子则对故障不敏感。
2022年02期 v.43;No.296 305-314页 [查看摘要][在线阅读][下载 4882K] [下载次数：597 ] |[网刊下载次数：173 ] |[引用频次：25 ] |[阅读次数：153 ] - 程翰林;刘杰明;周标;张宏建;
在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。
2022年02期 v.43;No.296 315-323页 [查看摘要][在线阅读][下载 2357K] [下载次数：341 ] |[网刊下载次数：161 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：251 ] - 赵璐;廖明夫;薛永广;刘巧英;李岩;葛新瑞;
为降低航空发动机高压转子的振动,提高高压转子对复杂工况的可容度,本文建立带双阻尼器的高压转子动力学模型,开展模态分析和响应分析,研究高压转子关键结构参数对"可容模态"的影响规律。构造了可容度评价函数η,建立了"可容模态"设计方法。设计了高压转子模拟实验器,通过模态校核实验验证了计算模型和计算方法的准确性,通过"可容模态"实验验证了设计方法的可行性。研究发现,利用当量临界转速■估计转子系统前两阶临界转速的方法可行,高压转子实验器的临界转速满足■;高压转子实验器在两阶"可容模态"下连续"共振"时长达到7125s,实验器转子关键部位的振动位移峰值不超过79.42μm,振动速度有效值不超过2.33mm/s,最大波动不超过10.59%。结果表明,所建立的发动机高压转子"可容模态"设计方法是行之有效的。
2022年02期 v.43;No.296 324-336页 [查看摘要][在线阅读][下载 3732K] [下载次数：322 ] |[网刊下载次数：136 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：118 ]
- 张帅;张强波;董江;文敏;
航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明:考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。
2022年02期 v.43;No.296 337-346页 [查看摘要][在线阅读][下载 6370K] [下载次数：740 ] |[网刊下载次数：241 ] |[引用频次：21 ] |[阅读次数：137 ] - 边杰;梅庆;陈亚农;徐友良;彭春雷;
针对变分模态分解(VMD)需要人为确定输入参数的问题,提出了一种参数自适应VMD(APVMD)方法,其通过粒子群(PSO)算法优化VMD的输入参数。使用APVMD结合切片谱的方法,对双转子航空发动机振动正常和异常状态下的实测弹性支承应变信号进行分析。分析结果表明,APVMD方法可以自适应地实现对实测弹性支承应变信号的分解;当发动机振动正常时,高低压转子弹性支承应变信号的APVMD模态分量中只存在高低压转子的1倍频和2倍频成分;当发动机振动异常时,低压转子弹性支承应变信号的APVMD模态分量除了包含低压转子的1倍频及倍频成分,还包含高压转子的1倍频和分频成分,以及高低压转子间的调制频率和组合频率成分;在高压转子弹性支承应变信号的APVMD模态分量中,除了高压转子的1倍频和2倍频成分,还存在高压转子的分频成分。
2022年02期 v.43;No.296 347-354页 [查看摘要][在线阅读][下载 1300K] [下载次数：520 ] |[网刊下载次数：230 ] |[引用频次：7 ] |[阅读次数：156 ] - 张龙;邱荣凯;刘春辉;程俊;刘秉斌;廖文林;
为了研究钛合金叶片振动疲劳特性,基于电磁振动测试平台和非接触式电涡流位移传感器,开展了试验工装和试验程序设计。通过本文的传感器标定和振动应力标定方法研究,发展了基于电涡流位移传感器的非接触测量式钛合金叶片振动疲劳试验手段,进而完成了疲劳考核试验和裂纹扩展试验,研究了裂纹长度和固有频率随疲劳循环数累积的变化规律。试验结果表明,钛合金叶片具有较好的抗疲劳特性,疲劳裂纹萌生寿命较长,但裂纹扩展寿命较短。
2022年02期 v.43;No.296 355-361页 [查看摘要][在线阅读][下载 2058K] [下载次数：627 ] |[网刊下载次数：131 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：140 ] - 栾孝驰;沙云东;柳贡民;徐石;赵宇;赵奉同;朱林;
为了能够有效地从轴承早期故障激励的高频振动信号中提取出故障特征信息,基于最优小波包基选取方法和峭度值最大筛选原则,提出了一种改进的小波包分解(WPD)、峭度值指标(KVI)与Hilbert变换相结合的滚动轴承早期故障特征识别方法。计算选取最优小波包基,确定分解层数;采用WPD方法对轴承故障振动信号进行分解,获得若干个Node分量;基于峭度值指标最大原则筛选出有效的Node分量进行信号重构;对重构信号进行包络解调分析,提取出故障特征频率对轴承故障进行诊断。采用建立的方法对凯斯西储大学滚珠轴承外圈、内圈故障实验数据和自行开展的滚棒轴承外圈、滚动体故障实验数据进行了分析与诊断。研究结果表明:该方法能够有效提高故障信号高频分辨率、保留周期性冲击成分,并能准确有效提取出滚珠和滚棒轴承故障特征频率的1～7倍频及其与轴转频调制的系列边频带频率,实现对滚动轴承故障特征的精准识别与故障诊断。
2022年02期 v.43;No.296 362-373页 [查看摘要][在线阅读][下载 4624K] [下载次数：740 ] |[网刊下载次数：257 ] |[引用频次：32 ] |[阅读次数：130 ] - 许敬晖;乔百杰;刘美茹;郜伟强;陈雪峰;
为了实现转子叶片裂纹非接触式监测,提出基于?0范数的叶端定时欠采样信号稀疏重构算法。针对叶端定时信号欠采样问题,建立欠采样信号稀疏表示模型,利用分块正交匹配追踪算法对叶端定时欠采样信号进行分段重构,进而监测在变转速非稳态工况下转子叶片动频的变化情况,据此判断转子叶片是否产生裂纹。针对应变片信号间隔采样的特点,研究基于同步提取变换的时频分析方法,以提高时频图的时频聚集性。开展旋转叶片裂纹扩展试验,同时采用叶端定时和应变片系统测量叶片振动。对比叶端定时和应变片的分析结果,二者均可在裂纹叶片断裂之前至少20min,监测到裂纹叶片和正常叶片的动频发生分离的现象,即裂纹萌生致使叶片动频发生偏移,表明所提出的叶端定时欠采样信号重构方法能够实现转子叶片裂纹的监测与诊断。
2022年02期 v.43;No.296 374-382页 [查看摘要][在线阅读][下载 5755K] [下载次数：720 ] |[网刊下载次数：177 ] |[引用频次：13 ] |[阅读次数：217 ] - 赵炎;胡殿印;石炜;张卫方;徐毅;
为研究金属疲劳裂纹扩展的在线监测技术,基于改进传输矩阵的光谱模拟方法,建立反映光纤布拉格光栅(FBG)光谱变形机理的裂纹扩展在线监测方法。研制了疲劳裂纹扩展在线监测系统平台,提出基于平移不变量小波法的试验光谱去噪方法,解决试验光谱信号中非连续与快速变化点难以平滑的问题;提出仅与裂纹扩展状态相关的FBG光谱面积参数,克服了光谱中心波长、光谱带宽等传统特征参数仅适用于恒定外载与恒定温度或对裂纹不敏感的局限性,给出基于光谱面积曲线拐点的裂纹扩展状态判定依据。
2022年02期 v.43;No.296 383-391页 [查看摘要][在线阅读][下载 7095K] [下载次数：532 ] |[网刊下载次数：163 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：192 ] - 史同承;江有为;柴象海;
针对航空发动机风扇叶片爆炸飞断试验难度大、成本高的问题,在发动机研制初期,通过等效平板试验件爆炸损伤机理试验,模拟风扇叶片实际损伤与飞断过程。基于包容性试验对叶片爆炸飞断位置、转速、时间和额外动能的要求,以飞断质量、动能和损伤截面积等效为准则,首先,根据飞断截面平均应力进行等效平板和爆炸结构设计。然后,采用显式动力学数值仿真方法对等效平板爆炸损伤和飞断过程进行模拟,评估飞断时间和飞断动能,并根据仿真结果对试验方案进行优化。最后,通过平板等效试验和真实风扇叶片试验对优化后的爆炸飞断方案进行验证。经评估,风扇叶片爆炸飞断位置准确,飞断转速误差控制在[0%,+1%]之内,符合适航规章的要求,且爆炸未对飞断碎片施加额外动能。采用爆炸飞断等效试验与分析方法,能够有效提高真实风扇叶片包容试验的成功率,具备工程应用的可行性。
2022年02期 v.43;No.296 392-402页 [查看摘要][在线阅读][下载 6433K] [下载次数：211 ] |[网刊下载次数：158 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：175 ] 下载本期数据