CMC S彎噴管材料-結構多尺度優化設計研究
研究背景
高性能戰鬥機的快速發展對航空發動機的推重比等性能名額提出了更高的要求，排氣系統等熱端部件的減重設計可以有效提升發動機的總體性能。陶瓷基複合材料具有低密度、耐高溫、比強度高等特點，用于制備航空發動機熱端部件能夠有效提升部件性能，同時其多尺度結構和各向異性的性能參數也為熱端部件的優化設計提供了更多空間。本文的研究對象——S 彎噴管是高性能隐身飛行器的核心部件之一，在流熱固耦合條件下具有複雜的結構變形特征，其變形抑制方法和結構減重設計是 S 彎噴管工程化應用中的研究重點。本文通過流-熱-固順序耦合計算方法，根據噴管結構變形特征設計了一種附壁式連續加強筋條結構，并對陶瓷基複合材料 S 彎噴管開展了材料-結構的多尺度優化，在抑制噴管變形的同時有效控制了噴管的結構品質。
解決的問題及創新點
本文根據 S 彎噴管在流熱固耦合條件下的結構變形特征設計了一種附壁式連續筋條結構，提高了 S 彎噴管的軸向整 體 剛 度 和 局 部 剛 度，有 效 抑 制 了 噴 管 的 結 構 變 形。基 于代理模型和差分進化算法對陶瓷基複合材料 S 彎噴管各處結構的經/緯紗比例及結構尺寸進行了多尺度優化，定義了一 種 描 述 噴 管 變 形 抑 制 結 構 有 效 性 的 收 益 系 數，得 到 了 在結構變形量和陶瓷基複合材料基體開裂應力等條件限制下的具有高收益系數的多尺度優化結果。
總結與展望
本文設計了一種能夠有效抑制 S 彎噴管結構變形的附壁式連續筋條加強結構，并對采用陶瓷基複合材料的 S 彎噴管進行了材料-結構多尺度優化。得到結論如下：
（1）S 彎噴管在流-熱-固順序耦合下的結構變形具有顯著 的 非 均 勻 性，本 文 設 計 的 附 壁 連 續 筋 條 加 強 結 構 可 以 有效抑制 S 彎噴管的變形，筋條加強 CMC S 彎噴管基準模型的變形量相較初始模型降低 43.15%。
（2）使 用 CMC 材 料 可 以 有 效 降 低 S 彎 噴 管 的 結 構 質 量和 變 形 ，CMC S 彎 噴 管 初 始 模 型 的 結 構 最 大 變 形 量 相 較GH4169 合金初始模型降低 45.31%，結構品質降低 62.77%。
（3）材料-結構多尺度優化後的 CMC 筋條加強 S 彎噴管在 相 同 變 形 量 的 基 礎 上 降 低 了 結 構 質 量，優 化 後 噴 管 結 構品質相較未優化的基準模型降低 26.21%，相較噴管初始模型結構品質降低 14.37%。
（4）針對具有嚴格變形要求的結構優化問題，提出了一種 通 過 結 構 收 益 率 綜 合 衡 量 不 同 材 料 體 系、不 同 結 構 布 局的結構承載效率與優化效果的評估方法。CMC 材料的多尺度 模 型 與 結 構 的 多 尺 度 優 化 方 法 相 結 合 ，可 以 大 幅 提 高CMC 高溫結構的優化設計空間，為 CMC 材料-結構一體化設計 提 供 可 行 方 向，但 具 體 的 優 化 效 果 仍 有 待 試 驗 和 工 程 實踐的進一步驗證。
近幾年論文
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[3]程經理,黃盛,周莉,等.出口寬高比對S彎噴管熱固耦合響應的影響[J/OL].航空動力學報,1-18[2024-06-13].https://doi.org/10.13224/j.cnki.jasp.20230228.
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[6]孫鵬,周莉,王占學,等.雙S彎噴管的流固耦合特性研究[J].推進技術,2022,43(10):158-167.
姜卓群，黃盛，王占學. 含多層界面相的2.5D編織SiCf/SiCm複合材料多尺度模組化及力學性能預測[C]. 成都：第六屆空天動力聯合會議暨中國航天第三專業資訊網第四十二屆技術交流會暨2021航空發動機技術發展高層論壇，2021
團隊介紹
第一作者：戎樂，西北工業大學動力與能源學院2020級博士生，主要研究方向為S彎噴管排氣系統結構設計與陶瓷基複合材料結構應用。
通訊作者：黃盛，西北工業大學動力與能源學院副教授，主要學術方向為航空發動機高溫薄壁超單元方法與航空發動機熱結構反問題識别方法。
噴氣推進理論與工程研究所（JPRL研究團隊）是“新概念噴氣推進技術”國防科技創新團隊、“空天動力軍民融合”陝西省科技創新團隊，擁有“新概念噴氣推進技術”國防重點學科實驗室和“航空發動總體與控制數智技術”工信部重點實驗室。
團隊承擔了“兩機”專項基礎研究重大項目、國家973與國防973課題、國家自然科學基金重點項目等多項重大科研項目，研究成果已經應用到最新航空發動機研究的相關領域。近五年累計科研到款8000萬元，獲國家和省部級科技獎勵5項，獲授權發明專利/軟體著作權30項，發表SCI論文40篇，出版學術專著6部。
2024年第9期目錄
總體與系統
航空發動機整機動力學模組化及模型确認
梁昊天;高東武;尉詢楷;王 鑫;王 浩;臧朝平;
模态轉換對變循環發動機多元度耦合模型性能影響研究
王承熙;周 莉;張曉博;王占學;
流體力學 氣動熱力學
平均載荷系數0.5一級的雙模式壓氣機設計研究與驗證
黃 磊;郭昶宏;田小紅;張 軍;潘小娟;楚武利;
開式燃油離心葉輪汽蝕特性非定常仿真及分析
李 嘉;周 文;王淑紅;張 偉;代朝武;
基于功比例因子的徑向流内燃波轉子發動機熱力循環分析
鄭仁傳;鞏二磊;李建中;姚 倩;韋曉農;
基于流體振蕩器陣列的S型流道主動控制實驗研究
王士奇;邵 冬;羅 斌;賈志剛;陸華偉;孔曉治;
S彎收擴噴管過膨脹狀态下流動分離特性研究
王明新;周 莉;史經緯;張 詣;王占學;
燃燒 傳熱 傳質 燃料
旋流組合穩焰的寬範圍亞燃沖壓燃燒室性能研究
劉 瑤;譚建國;張冬冬;蒯子函;劉易明;
一體化加力燃燒室熱态流場與特性數值研究
王治武;李民強;李俊林;肖靜濤;詹義民;龍 好;
空間發動機離心噴嘴真空下脈沖工作霧化特性實驗研究
王 平;姚兆普;毛曉芳;劉奇優;成錦博;富慶飛;楊立軍;
預混煤油/空氣兩相旋轉爆轟傳播特性數值研究
劉秋月;王 放;翁春生;趙慶軍;
乙烯富燃瓦斯/富氧空氣旋轉爆轟自起爆現象研究
邱 晗;白橋棟;韓家祥;黃炳耀;劉囑勇;翁春生;
并聯通道中超臨界RP-3航空煤油流量配置設定特性數值研究
王彥紅;李雨健;賈玉婷;李洪偉;
凹坑對并排氣膜孔冷卻性能的影響研究
趙勝岩;賀業光;馮國淼;李潤東;
第三類加熱邊界條件下超臨界正癸烷的流動換熱和熱裂解特性研究
胡希卓;徐 詩;朱劍琴;程澤源;
長期貯存發動機中HTPB推進劑老化特性及蠕變本構模型
申志彬;鄧曠威;李海陽;張慧慧;
靜電發射器對微米級金屬單顆粒的供應特性研究
王 旭;王天龍;劉永祺;徐 旭;楊慶春;
結構 強度 材料 制造
孔擠壓強化對GH4169孔結構高溫疲勞裂紋擴充行為影響研究
毛建興;鹹志帆;王 欣;劉 茜;劉海燕;王榮橋;胡殿印;
CMC S彎噴管材料-結構多尺度優化設計研究
戎 樂;黃 盛;楊 晗;姜卓群;周 莉;王占學;
變彎度導葉鉸接位置對風扇振動特性的影響
張曉傑;毛建興;李洪波;劉 茜;趙 炎;王榮橋;胡殿印;
測試 試驗 控制
基于自适應變分模态分解的齒輪箱故障診斷
謝鋒雲;汪 淦;賞鑒棟;樊秋陽;朱海燕;
基于可調文氏管的液氧流量閉環控制特性研究
陳蘭偉;宮紹天;蔣卓航;李清廉;成 鵬;
高空台多任務模拟指定時間抗擾控制
李金柏;倫嶽斌;王宏倫;錢秋朦;張 松;但志宏;
新型推進及其它推進
磁場對霍爾推力器氣體電離率的影響規律研究
于 博;黃 浩;徐亞男;連百萬;張 岩;
微型射頻離子推力器自中和引出特性研究
付宸聰;董宜承;李亦非;王海波;王偉宗;李興達;王曉毅;闫家啟;