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航天运载器大型金属构件激光定向能量沉积研究及应用进展(特邀)

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中国激光 2024年第10期51卷 25-47页

作者：周庆军严振宇张京京衣凤董鹏谢勇王福德郭宁首都航天机械有限公司北京100076 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学院山东济南250353 山东省机械设计研究院山东济南250031

激光定向能量沉积(LDED)增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点,非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度的发展趋势,并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。... 详细信息

激光定向能量沉积(LDED)增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点,非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度的发展趋势,并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。总结当前铝合金及其复合材料、钛合金及其复合材料、镍基高温合金及其复合材料等3类航天装备结构主体材料的LDED研究现状,在此基础上,梳理出LDED工艺的发展方向及研究进展。重点介绍航天装备主承力结构、异质合金一体化结构、集成流道整体化结构等3类典型结构LDED制造难点、研制及应用进展。最后,对LDED增材制造技术材料、工艺及装备等的发展方向进行了展望。

关键词：激光技术增材制造激光定向能量沉积金属材料大型构件航天运载器

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附加阻尼环的航空齿轮强迫响应分析方法

航空发动机 2024年第1期50卷 117-123页

作者：叶航王延荣苗国磊苏雷王帅成都航利(集团)实业有限公司成都610093 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

为了避免航空齿轮振动过大导致齿轮辐板破裂,在齿轮外缘安装阻尼环是一种有效减振方法。针对工程中阻尼环设计时缺乏有效便捷的设计方法问题,基于能量法建立了航空齿轮节径型振动下阻尼环的等效参数模型。在给定模态振型下,将阻尼环的... 详细信息

为了避免航空齿轮振动过大导致齿轮辐板破裂,在齿轮外缘安装阻尼环是一种有效减振方法。针对工程中阻尼环设计时缺乏有效便捷的设计方法问题,基于能量法建立了航空齿轮节径型振动下阻尼环的等效参数模型。在给定模态振型下,将阻尼环的影响效果简化为依赖于齿轮振幅(振动应力)的等效阻尼、等效刚度和等效质量,实现了齿轮-阻尼环系统幅频响应快速求解。以某航空齿轮为例,分析了激励载荷、摩擦系数、转速以及结构固有阻尼对强迫响应的影响,结合许用振动应力进行了阻尼环优化设计。结果表明:阻尼环减振效果与振动应力具有强非线性,在本文给定的激励载荷及100 MPa许用振动应力下,阻尼环质量比不应大于5%,最佳摩擦系数为0.1,设计得当的阻尼环能够降低50%以上的振动应力。

关键词：航空齿轮阻尼环减振等效阻尼强迫响应

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水下航行体边界层转捩流动结构实验研究

实验流体力学 2024年第2期38卷 14-22页

作者：刘瑶瑶潘翀郭辉刘建华北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室北京100191 北京航空航天大学宁波创新研究院先进飞行器与空天动力创新研究中心宁波315800 中国船舶重工集团公司第七〇二研究所船舶振动噪声重点实验室无锡214082

采用激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence,LIF)和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,对自由湍流条件下SUBOFF模型转捩边界层中的流动结构进行精细测量。实验在北京航空航天大学大型低速回流水洞中进行,SUBOFF模型... 详细信息

采用激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence,LIF)和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,对自由湍流条件下SUBOFF模型转捩边界层中的流动结构进行精细测量。实验在北京航空航天大学大型低速回流水洞中进行,SUBOFF模型长度为1.436 m,基于模型长度和来流速度的实验雷诺数为3.35×10^(5)。采用流动显示灰度场和有限时间李雅普诺夫指数(Finite-Time Lyapunov Exponents,FTLEs)对转捩边界层中的涡结构进行识别,并对转捩过程中发卡涡、二次涡等典型拟序结构的生成演化过程进行分析。采用两点相关方法提取转捩区拟序结构,同时采用椭圆拟合方法计算相干结构倾角,计算结果表明,结构倾角沿法向先增大后减小,在边界层附近达到最大值。为深入研究转捩流动结构特性,发展了基于流动显示的湍流/非湍流界面(T/NT)识别方法,并对界面几何特性进行了研究。研究结果表明,在转捩过程中,界面的法向高度和分形维数沿程增长。

关键词：边界层转捩流动显示有限时间李雅普诺夫指数湍流/非湍流界面

基于直驱并联机构的六自由度振动校准系统研究

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农业机械学报 2024年第6期55卷 414-423,433页

作者：翟国栋常浩刘志华蔡晨光王耀辉王利民孙瑞峰中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083 中国计量科学研究院北京100029 华能煤炭技术研究有限公司北京100070

直驱并联机构六自由度振动校准系统可以实现高精度和多自由度的运动模拟和校准,具有良好的应用前景。为了解决平台驱动关节滑块位置跟踪精度低的问题,对该机构进行动力学力矩前馈补偿分析。利用虚功原理建立该机构动力学模型,提出一种... 详细信息

直驱并联机构六自由度振动校准系统可以实现高精度和多自由度的运动模拟和校准,具有良好的应用前景。为了解决平台驱动关节滑块位置跟踪精度低的问题,对该机构进行动力学力矩前馈补偿分析。利用虚功原理建立该机构动力学模型,提出一种基本伺服算法与动力学前馈补偿相结合的控制策略。在实验样机上进行力矩前馈补偿,实验结果表明,在开放伺服程序增加力矩前馈补偿后,可以降低该机构在运动时的跟随误差,进行不同幅值单自由度正弦运动时,跟随误差分别下降40.32%、39.04%、43.24%、48.19%。并对振动台进行了性能检测,在平台基础上,搭建激光测量系统和数据采集模块,进行传感器校准和性能分析,平台横向振动比较小,谐波失真度均小于2%,平台具有较好的稳定性和性能。

关键词：六自由度振动校准系统虚功原理动力学前馈补偿传感器校准

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激光冲击薄壁TC17钛合金表面塑性变形与残余应力及其关联性研究

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热加工工艺 2024年

作者：孙汝剑于天然王新宇陈凯曹子文车志刚邹世坤吴俊峰中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空科技重点实验室沈阳飞机工业(集团)有限公司北京航空航天大学机械工程及自动化学院

表面塑性变形与残余压应力是金属薄壁结构激光冲击强化典型特征。采用有限元数值模拟方法，探究方形和圆形激光光斑冲击TC17钛合金薄壁结构表面塑性变形与残余应力的分布规律及两者的内在关联。结果表明：表面塑性变形、残余压应力均与... 详细信息

表面塑性变形与残余压应力是金属薄壁结构激光冲击强化典型特征。采用有限元数值模拟方法，探究方形和圆形激光光斑冲击TC17钛合金薄壁结构表面塑性变形与残余应力的分布规律及两者的内在关联。结果表明：表面塑性变形、残余压应力均与激光冲击参数（激光能量、冲击次数）之间存在明显的函数关系。表面塑性变形与激光冲击参数呈幂函数关系，表面残余应力与激光冲击参数呈指数函数关系。表面残余应力还进一步与塑性变形呈指数函数关系。在1.0 mm薄壁TC17钛合金上经方形光斑、圆形光斑激光冲击后的残余压应力饱和值分别接近于560和520 MPa。

关键词：激光冲击强化薄壁结构 TC17钛合金塑性变形残余应力

基于切比雪夫多项式展开的转子动力特性区间分析

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航空动力学报 2020年第4期35卷 757-765页

作者：王存中国航天科工集团有限公司北京动力机械研究所激光推进及其应用国家重点实验室北京100074

基于切比雪夫多项式展开,建立了转子系统临界转速和稳态响应区间分析方法,能在仅具有参数上下界的情况下获得结果分布区间。针对临界转速区间分析问题,将支承刚度、密度和弹性模量视为区间变量,建立转子系统固有频率的切比雪夫多项式表... 详细信息

基于切比雪夫多项式展开,建立了转子系统临界转速和稳态响应区间分析方法,能在仅具有参数上下界的情况下获得结果分布区间。针对临界转速区间分析问题,将支承刚度、密度和弹性模量视为区间变量,建立转子系统固有频率的切比雪夫多项式表达式,最终获得临界转速区间,临界转速误差不超过0.07%。在固有特性分析基础上,应用切比雪夫方法求解转子系统的稳态响应,并由模态叠加原理对响应区间进行修正,解决了固有特性不确定性较大时稳态响应求解精度不足的问题。与蒙特卡洛插值结果相比,响应上界误差不超过8%。基于切比雪夫展开的非确定分析方法,不需修改原结构的振动微分方程。结果表明该方法结合商业有限元软件后,应用简单,并具有理想的精度。

关键词：不确定性区间分析转子动力特性临界转速切比雪夫多项式

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吊舱组合导航系统弹性杆臂误差补偿方法

北京航空航天大学学报 2024年

作者：王海鹏刘海娜王振东缪存孝张贺叶文北京科技大学机械工程学院北京航天控制仪器研究所航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司中国计量科学研究院

针对机载光电吊舱受迫振动和框架角动态变化引起的动态弹性杆臂效应问题，提出了一种补偿弹性多杆臂误差的组合导航滤波方法。通过分析吊舱受迫振动的主要形式，建立吊舱线振动和角振动的动力学模型及由吊舱振动引起的弹性外杆臂模型；... 详细信息

针对机载光电吊舱受迫振动和框架角动态变化引起的动态弹性杆臂效应问题，提出了一种补偿弹性多杆臂误差的组合导航滤波方法。通过分析吊舱受迫振动的主要形式，建立吊舱线振动和角振动的动力学模型及由吊舱振动引起的弹性外杆臂模型；在多杆臂误差模型的基础上，对吊舱振动引起的速度、位置误差及振动角误差进行推导，分别建立弹性外杆臂误差模型和振动角误差模型，并将其引入到状态向量中，通过对不同机动状态下的系统状态向量进行可观测度分析，得到各状态向量可观测的充分条件，为规划机动方案提供了基于可观测度的自适应调整依据。仿真实验结果表明：弹性多杆臂误差补偿后，相较于刚性杆臂误差补偿后速度误差的均方根误差最大减少了73.4％，位置误差的均方根误差最大减少了77.4％，有效提升了吊舱组合导航精度。

关键词：光电吊舱受迫振动杆臂误差卡尔曼滤波可观测度分析

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超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

无机材料学报 2022年第1期37卷 86-92页

作者：琚印超刘小勇王琴张伟刚魏玺北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 中国航天科工集团公司北京动力机械研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室北京100074 中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京100190

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB_(2)-ZrC-SiC和HfB_(2)-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高... 详细信息

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB_(2)-ZrC-SiC和HfB_(2)-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为。研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC基复合材料,烧蚀后复合材料表面原位生成了固液两相致密氧化膜,两相协同作用实现了抗冲蚀和抗氧化的效果,对液相SiO_(2)的流失起到了阻碍作用,提升了材料的超高温烧蚀性能。在此基础上,提出了设计超高温复相陶瓷基复合材料应考虑的因素。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定的指导意义。

关键词：超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为基体设计 SiC

新型高温渗碳不锈航空齿轮钢齿轮的弯曲疲劳失效机理

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航空动力学报 2022年第3期37卷 589-599页

作者：唐鑫朱如鹏杨卯生唐朋李发家熊兴波南京航空航天大学直升机传动技术重点实验室南京210016 中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所直升机传动技术重点实验室湖南株洲412002 钢铁研究总院特殊钢研究所北京100081 济南大学机械工程学院济南250022

以新型高温渗碳不锈航空齿轮钢圆柱齿轮为研究对象,采用国标GB/T 14230⁃1993规定的“B试验法”开展了齿轮弯曲疲劳试验,并对轮齿的断裂的失效机理进行了研究。分析结果发现存在三种造成轮齿断裂失效的诱因:表面碳化物、表面缺陷和内部... 详细信息

以新型高温渗碳不锈航空齿轮钢圆柱齿轮为研究对象,采用国标GB/T 14230⁃1993规定的“B试验法”开展了齿轮弯曲疲劳试验,并对轮齿的断裂的失效机理进行了研究。分析结果发现存在三种造成轮齿断裂失效的诱因:表面碳化物、表面缺陷和内部碳化物。其中,表面碳化物对轮齿弯曲疲劳寿命的影响比内部碳化物和表面加工缺陷都要严重。当齿面没有碳化物和加工缺陷时,在长时间循环应力作用下会产生内部碳化物,进而造成裂纹萌生和扩展,较小尺寸碳化物会形成粗糙的“鱼眼”区形貌。采用航空新型高温渗碳不锈航空齿轮钢的齿轮要得到较高的寿命,应当在加工过程中控制轮齿表面及近表面碳化物尺寸、数量及形状系数和表面加工缺陷,以避免在轮齿表面形成裂纹源。

关键词：航空齿轮钢弯曲疲劳失效机理裂纹源,碳化物表面加工缺陷