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流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

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中国机械工程 2024年第3期35卷 487-497页

作者：李荣启闫涛何智成米栋姜潮郑静湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 中国航发湖南动力机械研究所株洲412002

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。... 详细信息

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战,提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法,以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程,对计算域的流固材料进行统一表征;然后以最小化平均温度为目标,以流动能量耗散和结构柔度为约束,建立了流-热-力耦合的拓扑优化模型,并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析;最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计,得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

关键词：拓扑优化变密度法多物理场高性能结构

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基于改进广义解调的直升机传动系统速度追踪

振动.测试与诊断 2024年

作者：汤勇吴太欢唐振寰米栋张万阳罗华耿中国航发湖南动力机械研究所厦门大学航空航天学院

为了从复杂的非平振动信号中追踪直升机的传动系统轴转速信息，开发了一种改进的广义解调变换方法。首先，利用广义解调变换对目标信号进行移频，移频后目标分量将由非平稳转换为近似平稳；其次，基于频谱细化的短时傅里叶变换（short t... 详细信息

为了从复杂的非平振动信号中追踪直升机的传动系统轴转速信息，开发了一种改进的广义解调变换方法。首先，利用广义解调变换对目标信号进行移频，移频后目标分量将由非平稳转换为近似平稳；其次，基于频谱细化的短时傅里叶变换（short time Fourier transform，简称STFT）方法计算得到解调信号时频图；然后，估计信号的瞬时频率，利用迭代计算提升频率估计精度；最后，基于估计的转速信息开展同步分析，提高传动系统齿轮故障振动的信噪比。仿真分析和实测分析结果表明：所提出方法估计的轴速度信息具有较高的精度，满足基于速度信息开展同步分析的需求；利用估计的速度开展同步分析可有效提高信噪比，增强阶次谱上的故障特征，便于准确提取齿轮故障特征。

关键词：广义解调变换瞬时频率估计直升机传动系统同步分析故障诊断

考虑率效应的Ladeveze本构模型在复合材料损伤失效中的研究

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应用数学和力学 2024年

作者：黄宗峥米栋欧阳志高贺象黄兴周威蒋蓝蓝郭早阳马良颖中国航发湖南动力机械研究所哈尔滨工业大学(深圳)理学院

为研究单向纤维增强复合材料在单轴载荷作用下的承载特性与失效模式差异，对复合材料单向板承载时的塑性累积与损伤演化等力学响应进行了有限元预测。首先，引入基于2D连续介质损伤理论的Ladeveze本构模型，并将其看作平面应力问题。考... 详细信息

为研究单向纤维增强复合材料在单轴载荷作用下的承载特性与失效模式差异，对复合材料单向板承载时的塑性累积与损伤演化等力学响应进行了有限元预测。首先，引入基于2D连续介质损伤理论的Ladeveze本构模型，并将其看作平面应力问题。考虑材料塑性行为的影响，并假定塑性强化为各向同性强化，利用Fortran编程语言对LS-DYNA进行二次开发，编写了基于Ladeveze损伤本构模型的用户材料子程序。利用LS-DYNA建立复合材料单向板的有限元仿真模型，研究其在承受纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸，面内剪切等载荷下的典型失效行为，并与试验结果进行对比，对所编写子程序的有效性进行了验证。最后，引入对数型率相关修正函数，对复合材料承受不同应变率载荷下的破坏行为进行了预测，研究了单向纤维增强复合材料率效应敏感度与承载组分之间的关系。

关键词： Lavedeze 损伤演化率效应塑性

空气涡轮起动机包容性数值仿真与结构优化设计方法研究

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推进技术 2024年第6期45卷 209-216页

作者：刘建新何泽侃张亚楠欧阳志高米栋宣海军中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002 浙江大学能源工程学院浙江杭州310027

运输类飞机适航条款明确规定空气涡轮起动机等含高能转子的设备必须具备足够的轮盘破裂包容能力,但国内相关单位普遍缺乏空气涡轮起动机包容结构的正向优化设计方法。为解决该问题,本文采用有限元数值仿真方法开发出多参数优化的自动化... 详细信息

运输类飞机适航条款明确规定空气涡轮起动机等含高能转子的设备必须具备足够的轮盘破裂包容能力,但国内相关单位普遍缺乏空气涡轮起动机包容结构的正向优化设计方法。为解决该问题,本文采用有限元数值仿真方法开发出多参数优化的自动化计算软件平台和流程,通过建立包容环结构的多参数实验设计(Design of Experiments,DOE)样本数据库,根据样本数的优化结果构建Kriging近似模型,并利用有限元计算获得最优的结构设计参数。该方法选取U形包容环截面的厚度δ,槽宽a,槽深h和槽缘宽s等参数进行优化,采用数值仿真和试验验证相结合的方式进行对比分析。结果表明,优化后的包容环径向变形量可达到29.7%,相比于优化前的18.9%具有明显提升;优化后的包容环径向变形更充分、吸能效果更好,在相同包容性条件下减重效果高达38%。通过采用本文提出的结构优化设计方法,实现了某型空气涡轮起动机包容环的正向优化设计,该方法可用于在役空气涡轮起动机包容环的优化与新型号空气涡轮起动机包容环设计。

关键词：空气涡轮起动机包容性正向设计数值仿真多参数优化

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基于核主成分分析的涡轮盘结构设计优化

推进技术 2022年第2期43卷 135-141页

作者：罗丰张立章米栋钱正明中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

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... 详细信息

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%。

关键词：涡轮盘非均匀有理B样条结构设计优化核主成分分析降维空间

航空发动机增材制造结构强度、寿命评估与设计:研究现状及展望

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航空动力学报 2022年第10期37卷 2112-2126,I0001页

作者：胡殿印潘锦超米栋闫成王荣桥北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191 北京航空航天大学航空发动机结构强度北京市重点实验室北京100191 中小型航空发动机联合研究中心北京100191 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002 厦门大学航空航天学院福建厦门361102

介绍了增材制造技术在航空发动机中的应用现状,重点论述航空发动机中增材制造结构强度、寿命评估与设计等关键技术的研究进展。分别从增材制造缺陷的无损检测方法与等效准则、考虑缺陷影响的关重件强度与寿命预测方法,以及创新结构一体... 详细信息

介绍了增材制造技术在航空发动机中的应用现状,重点论述航空发动机中增材制造结构强度、寿命评估与设计等关键技术的研究进展。分别从增材制造缺陷的无损检测方法与等效准则、考虑缺陷影响的关重件强度与寿命预测方法,以及创新结构一体化设计技术等方面探讨了现有研究进展、存在不足,以及发展趋势。结果表明:航空发动机中增材制造结构强度、寿命评估处于起步阶段,大多针对增材制造材料及简单结构的单一失效模式,仍需在复合疲劳失效、“结构特征-广布缺陷-表面形貌”多因素耦合失效等方面开展研究,从而发展适用于航空发动机增材制造结构的数据驱动评估方法、损伤容限设计方法以及专用试验技术。

关键词：增材制造缺陷表征损伤机制强度与寿命评估一体化设计

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一种直升机尾传动轴抗弹击损伤容限分析方法

推进技术 2022年第2期43卷 88-97页

作者：米栋龙湘云赵思波胡相波姜潮湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

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... 详细信息

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。

关键词：直升机尾传动轴损伤容限损伤动力学疲劳裂纹扩展

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轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究

推进技术 2022年第2期43卷 240-249页

作者：唐振寰米栋卢愈龙伦汤勇中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

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... 详细信息

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。

关键词：轴承共腔非线性振动耦合振动双转子系统耦合振动试验

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基于边界积分方程求解二维移动滚动接触问题

科学技术与工程 2023年第2期23卷 471-477页

作者：舒小敏米栋中国航发湖南动力机械研究所株洲412002

工程机械中,由于接触体之间的相对运动造成的损伤或疲劳一直是研究的重点。然而相对运动中,接触相对位置不断变化。为保证接触区应力精确模拟,需对所有可能接触区网格进行加密。为避免这一问题,采用网格更新法,保证仅当前时刻可能接触... 详细信息

工程机械中,由于接触体之间的相对运动造成的损伤或疲劳一直是研究的重点。然而相对运动中,接触相对位置不断变化。为保证接触区应力精确模拟,需对所有可能接触区网格进行加密。为避免这一问题,采用网格更新法,保证仅当前时刻可能接触区网格需加密,并保证接触区节点一一对应。同时采用旋转坐标系法,推导出边界积分方程移动滚动前后时刻的等价性,避免积分重复计算。基于上述方法,提出二维移动滚动接触问题解方法并利用数值算例证明本文方法的有效性。

关键词：移动滚动接触边界积分方程