基于单向流固耦合的混流泵减重技术研究

混流泵应用轻质材料是减重的主要措施之一。基于CFturbo叶轮机械设计软件开发混流泵,提出在叶轮、导叶中采用不同轻质材料组合的方案,并基于CFD仿真单向流固耦合技术,从混流泵的外特性曲线性能、叶轮及导叶的应力与形变3个方面,对6种组合方案综合评估,验证单向流固耦合技术分析方法对轻质材料在混流泵中应用的可行性。结果表明：不同材料的叶轮对混流泵的性能影响较小;在不同流量下,叶轮与导叶采用不同材料时的最大应力与最大形变分别发生在叶片轮缘处和导叶进口处,并且最大应力值和最大形变量随流量的增加反而减小;叶轮和导叶采用轻质材料的3种可行的组合方案中,混流泵的总质量最小为29.74 kg,减重比达16.86%;最大为32.08 kg,减重比达10.32%。     

镍基单晶高温合金的研发进展EI北大核心CSCD

单晶高温合金是先进航空发动机、燃气轮机的核心热端材料,单晶叶片要求高、制造工艺复杂、容错空间小,在高温、复杂应力、氧化和热腐蚀等苛刻环境下工作。本文概述了近几年镍基单晶高温合金在合金研制、组织性能演化和表征、近服役环境下力学行为评价以及叶片制造工艺等方面的研发进展,并简单介绍了难熔高熵合金等“下一代”新型高温结构材料的研发情况。     

镍基铸造高温合金低周疲劳研究进展

镍基铸造高温合金具有优异的高温性能,广泛应用于航空发动机涡轮叶片等热端部件之中。航空发动机涡轮叶片是发动机中工作环境最为恶劣、结构最为复杂的零件之一,在发动机运行过程中所产生的高温交变应力的作用下,合金承受着严重的应力、应变循环损伤,裂纹往往在合金中的薄弱区域形成并扩展,使合金以低周疲劳的模式失效,严重影响了合金的服役寿命,因此对合金低周疲劳性能的研究尤为重要。本文详细阐述了影响镍基铸造高温合金低周疲劳性能的表面缺陷、内部组织及缺陷、晶体取向和低周疲劳试验条件等四方面因素,从位错运动方式和形态变化特点出发,研究了不同温度下镍基铸造合金的变形机制,最后总结了合金低周疲劳寿命预测的应力应变准则、能量准则、损伤累积准则及临界面和临界距离准则。     

基于ANSYS Workbench的数控折弯机的优化设计

文章利用有限元方法,借助Ansys workbench 14.0,以减重为优化目标,在保证结构具有足够强度和刚度的基础上,对原有某折弯机结构分别进行了尺寸优化和拓扑优化,给出了结构的优化模型。同时,对结构中不满足强度和刚度要求的部位进行了改进。尺寸优化后,滑块的最大位移降低19%,最大等效应力降低44%;机架的危险部位最大等效应力降低56%,机架的质量降低了12.7%。拓扑优化后,机架的质量减轻了19.1%。折弯机的综合性能得到大幅提升。     

冲压发动机C/SiC喷管承压失效研究

新型三维编织碳/碳化硅复合材料存在较强的各向异性,而各个方向的性能数据积累不足,复合材料的强度计算方法尚不完善,为了发现新型三维编织碳/碳化硅复合材料在冲压发动机喷管中应用可能遇到的问题,并找到相应地解决措施,开展了这种复合材料应用于冲压发动机喷管的承压强度计算和承压实验研究。对承压实验中出现的低压破坏情况进行了分析,分析了低压破裂的原因,提出了改进措施。分析结果表明:C/SiC喷管喉部密度较低,导致强度较低,承载能力下降,是首次强度验证实验过程中该局部破坏的原因;为提高喷管强度,需要通过其形状设计并控制沉积流场,保证其喉部的沉积密度达到1.9g/cm³以上。对改进后的喷管进行了实验验证,实验结果与计算结果基本一致,满足要求。因此,在实际应用中应对喷管喉部和纵向密度的分布进行工业CT无损检测,确保喷管密度的分布均匀。      

铌合金表面高温抗氧化涂层

介绍了铌合金表面高温抗氧化涂层的4大体系——耐热合金涂层、铝化物涂层、硅化物涂层和贵金属涂层的组成、特点及制备条件。我国研究人员围绕飞机发动机涡轮叶片和火箭发动机燃烧室及尾气喷管用铌合金的防护进行了大量研究工作，研制的高温抗氧化涂层已经用于49kN推力发动机铌合围裙和姿态控制铌合金喷管。通过研究认为，PVD和传统熔烧工艺相结合的新工艺及纳米涂层技术是今后铌合金表面高温涂层制备的研究方向。     

C—103铌合金环件工艺研究

一、前言C-103(Nb-10Hf-1 Ti-0.5Zr)铌合金具有较高的高温强度(在1500℃,σ_b≥5.0公斤/毫米~2),和优异的可焊性、成形性、加涂性。它主要用于制造高性能火箭发动机辐射冷却推力室和喷管延伸段。为适应我国宇航科学技术的发展,在研制成功C-103铌合金板、棒材的基础上,对火箭发动机连接法兰环件进行了研制。     

镍基单晶高温合金涡轮叶片薄壁效应研究进展

镍基单晶高温合金具有优异的高温综合性能,是航空发动机涡轮叶片和导向叶片等部件的首选材料,承受高温度和高应力的严苛服役环境。目前,高冷效叶片的结构设计中采用多种复杂冷却结构以提高其承温能力,其中以层板冷却和双层壁冷却为代表的微型冷却结构是其主流发展方向。但由于这类复杂涡轮叶片中存在超薄壁结构,已成为叶片制造的关键点和难点。本文综述了镍基单晶高温合金薄壁结构的发展趋势,分析了薄壁受限空间的缺陷产生及枝晶生长规律,阐述了薄壁结构对力学性能的影响,展望了先进涡轮叶片的制备及其组织控制的发展趋势。     

GH4169合金经高温及应力时效处理后的组织演变及性能

以GH4169高温合金为研究对象,通过对其进行不同条件下的高温时效以及高温应力时效处理后,进行拉伸和疲劳寿命测试,研究其微观组织演变、剩余强度和疲劳寿命以及其相关机理。结果表明,GH4169合金在550℃时效时组织稳定;650℃高温时效后γ″相开始出现粗化,在应力作用下发生γ″→δ转变,强度和寿命降低;700℃高温时效后晶内γ″相向δ相转变明显,耦合应力进一步促进了相的转变。高温耦合应力的环境下表面发生氧化开裂大大降低了GH4169合金的疲劳寿命。     

等离子喷镀制造纤维增强钛基复合材料

连续纤维增强的钛复合材料是航空发动机压气机部件很有吸引力的材料，然而，它们的制造仍然是材料科学和工程的一个复杂课题．钛基复合材料（TMC）的应用使航空发动机压气机的设计从惯用的盘和燕尾叶片改为TMC叶状环．这种叶状环设计利用复合材料的纵向强度来传输高的圆周应力，并保持足够的横向强度来传输经向应力．制作的示范叶状环部件，预计减重达到70％；还用T14C制造了诸如致动器和压杆．所有TMC制造方法都要求连续的S江纤维和钛合金基体以正确的纤维取向和体积分数精心排列，以获得最佳的力学性能．在制备未加工的TMC预型坯过…     

Particle behavior in supersonic flow during the cold spray process

The cold spray process is a relatively new process that uses high velocity metallic particles for surface modifications. Metallic powder particles are injected into a converging-diverging nozzle and accelerated to supersonic velocities. In this study two-dimensional temperature and velocitiy distributions of gas along the nozzle axis are calculated and the effects of gas pressure and temperature on particle velocities and temperature inside and outside the nozzle are investigated. It was found that acceleration of the gas velocity takes place in the area of the nozzle throat, and it increases and reaches a maximum value at the nozzle exit. Due to compression shocks, irregular changes of the gas jet properties were found in the area after the nozzle and these resulted in the experience of the maximum particle velocity by the change of the particle size at a given gas pressure and temperature.     

分布式压缩、旋流冲压发动机旋流流场模拟

通过分析几款新型发动机的优缺点,对分布式压缩、旋流冲压发动机作一介绍,并对旋流冲压部分进行设计模拟。主要设计过程为:选用工作设计流量已知的离心压气机,再设计与此相连接的模拟喷管作为旋流冲压发生装置,使用数值模拟软件来分析气动设计的性能结果。通过将不同数量的压气机总流量叠加作为入口条件,分析达到冲压发动机有效工作的速度条件。最终得出此款发动机设计可行的结论。     

发动机喷管扩张密封片裂纹失效机理研究

航空发动机喷管扩张密封片采用JG4246A金属间化合物高温合金铸造。针对发动机工作过程中产生的扩张密封片裂纹故障,利用视频显微镜、扫描电镜等设备,通过对故障扩张密封片进行宏观检查、断口分析、表面形貌检查、材质分析以及JG4246A材料高温热模拟试验组织对比分析,确定扩张密封片裂纹的性质和失效机理。结果表明:扩张密封片裂纹为以热应力为主引发的疲劳裂纹;组织热模拟试验对比得出,故障部位承受的最高温度已超过JG4246A的许用温度1 200℃,组织中初生γ'相明显回溶,导致性能大幅降低;在冷热交变条件下,故障部位产生较大的热应力梯度,超过了材料的疲劳极限,从而最终导致疲劳开裂。提出提高铸造工艺和优化设计的改进建议。     

Thermal-mechanical response of microscale functional film for infrared window

Infrared window in hypersonic missile usually suffers complex aerodynamic force/heat during high-speed flight. A finite element method was adopted to simulate the thermal and stress response of microscale functional film for infrared window under different aerodynamic heats/forces conditions. Temperature and stress distribution were obtained with different heat fluxes. There is almost constant stress distribution along the film thickness except a sudden decrease near the substrate. The maximum stresses are located at the points which are 0.5 mm away from the edges. Different film materials result in different stress values. The temperature and stress in ZrN are larger than those in Y₂O₃. Besides the numerical simulation, an oxygen propane flame jet impingement test was performed to investigate thermal shock failure of the infrared window. Some place of the window surface has spots damage and some place has line crack damage after thermal shock.     

某微型涡喷发动机离心压气机设计

单级离心压气机在微型航空发动机中有着十分广泛的应用,为了探索高速的离心压气机设计技术,利用参数造型方法完成了一台压比为3.2的离心压气机设计,总结了离心压气机的关键设计方法。主要的设计过程为:经过一维方案设计完成初始参数选择,再以二维流通计算为基础,通过调整叶片环量分布来完成叶轮三维造型,最后使用数值模拟软件来分析气动设计的性能结果。结果表明:离心压气机在设计工作点的内部流动参数分布合理,各项性能参数都能够满足设计要求。     

基于响应面法的C型金属封严环优化设计及其蠕变疲劳寿命计算

在高温载荷作用下,蠕变是金属密封环失效的主要原因之一。为了优化结构设计,满足蠕变疲劳寿命要求,本研究针对C型金属密封环研究各单一要素对密封性能的影响规律,在此基础上提出基于响应面法的优化设计方法。考虑各参数耦合效应进行C型环结构优化,并基于发动机工作时长2000 h大修的工作寿命,对C型环进行疲劳寿命验证。结果表明:最大等效应力随压缩量和材料厚度的增大而增大,回弹率随压缩量和材料厚度的增大而减小。接触应力变化较为复杂,当板厚度小于0.25 mm时,最大接触应力随压缩量和材料厚度的增大而增大;当板厚度为0.30 mm时,最大接触应力随压缩量的增大先增后减。基于响应面法优化设计的结构尺寸满足疲劳寿命要求。     

典型封闭环焊缝多道焊焊接残余应力的模拟分析

针对两种典型的封闭环焊缝焊接--圆盘镶块和平板垂直接管的多道焊焊接进行了三维数值模拟,分析采用子程序来实现高斯分布表征的热源移动,得到了焊接的热循环过程及焊后残余应力分布.分析表明,封闭环焊缝在起焊/收焊区域的残余应力状况复杂,存在较大的环向残余拉应力,往往会诱使焊缝开裂失效.相比而言,接管环焊缝的应力状况更应引起足够的重视.     

钎焊金刚石磨抛盘基体结构设计与仿真研究

根据磨抛高强度钢用树脂砂轮片的磨抛特性,仿形设计出适合于制备钎焊金刚石磨抛盘的基体结构,确定了与基体形状有关的几何参数,其中磨抛面由磨抛盘外缘面、斜面及上平面组成;对磨抛盘各结构参数进行了优化,确定了参数设计范围。采用ABAQUS仿真软件对磨抛盘磨抛受力状态进行仿真分析,结果表明:影响基体磨抛形变的因素主要为进给力,沿磨削面的切向磨削力以及离心力对磨抛变形影响较小;最大应力集中区在弯角R2处,并随进给力的增大而增大;弯角R2最佳弯曲半径在6~10mm区间。     

高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展

高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、 结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。     

焊接结构学中的热–力耦合问题简析

针对热加工制造中的热力耦合基础问题,借助基本力学理论,分别研究了一维刚性约束杆、二维平板及满足刚性约束的3-Bar模型在升降温过程中的应力应变演化规律.结果表明,3-Bar模型中加热条带的宽度即为焊接塑性区的宽度;焊接塑性区的纵向残余应力接近材料屈服强度;塑性区大小,塑性区尺寸及其所在位置为焊后变形控制及焊接接头设计关键所在,焊缝塑性区应尽可能接近并对称于结构中性轴分布,以避免产生附加变形;将加热温度峰值与加热宽度输入3-Bar模型,可预测火焰调修控制变形效果.火焰调修时自第二个热循环作用起,残余应力与塑性应变均无法发生改变,调修中反复加热同一区域为无用功.