CMC S弯喷管材料-结构多尺度优化设计研究
研究背景
高性能战斗机的快速发展对航空发动机的推重比等性能指标提出了更高的要求，排气系统等热端部件的减重设计可以有效提升发动机的总体性能。陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、比强度高等特点，用于制备航空发动机热端部件能够有效提升部件性能，同时其多尺度结构和各向异性的性能参数也为热端部件的优化设计提供了更多空间。本文的研究对象——S 弯喷管是高性能隐身飞行器的核心部件之一，在流热固耦合条件下具有复杂的结构变形特征，其变形抑制方法和结构减重设计是 S 弯喷管工程化应用中的研究重点。本文通过流-热-固顺序耦合计算方法，根据喷管结构变形特征设计了一种附壁式连续加强筋条结构，并对陶瓷基复合材料 S 弯喷管开展了材料-结构的多尺度优化，在抑制喷管变形的同时有效控制了喷管的结构质量。
解决的问题及创新点
本文根据 S 弯喷管在流热固耦合条件下的结构变形特征设计了一种附壁式连续筋条结构，提高了 S 弯喷管的轴向整 体 刚 度 和 局 部 刚 度，有 效 抑 制 了 喷 管 的 结 构 变 形。基 于代理模型和差分进化算法对陶瓷基复合材料 S 弯喷管各处结构的经/纬纱比例及结构尺寸进行了多尺度优化，定义了一 种 描 述 喷 管 变 形 抑 制 结 构 有 效 性 的 收 益 系 数，得 到 了 在结构变形量和陶瓷基复合材料基体开裂应力等条件约束下的具有高收益系数的多尺度优化结果。
总结与展望
本文设计了一种能够有效抑制 S 弯喷管结构变形的附壁式连续筋条加强结构，并对采用陶瓷基复合材料的 S 弯喷管进行了材料-结构多尺度优化。得到结论如下：
（1）S 弯喷管在流-热-固顺序耦合下的结构变形具有显著 的 非 均 匀 性，本 文 设 计 的 附 壁 连 续 筋 条 加 强 结 构 可 以 有效抑制 S 弯喷管的变形，筋条加强 CMC S 弯喷管基准模型的变形量相较初始模型降低 43.15%。
（2）使 用 CMC 材 料 可 以 有 效 降 低 S 弯 喷 管 的 结 构 质 量和 变 形 ，CMC S 弯 喷 管 初 始 模 型 的 结 构 最 大 变 形 量 相 较GH4169 合金初始模型降低 45.31%，结构质量降低 62.77%。
（3）材料-结构多尺度优化后的 CMC 筋条加强 S 弯喷管在 相 同 变 形 量 的 基 础 上 降 低 了 结 构 质 量，优 化 后 喷 管 结 构质量相较未优化的基准模型降低 26.21%，相较喷管初始模型结构质量降低 14.37%。
（4）针对具有严格变形要求的结构优化问题，提出了一种 通 过 结 构 收 益 率 综 合 衡 量 不 同 材 料 体 系、不 同 结 构 布 局的结构承载效率与优化效果的评估方法。CMC 材料的多尺度 模 型 与 结 构 的 多 尺 度 优 化 方 法 相 结 合 ，可 以 大 幅 提 高CMC 高温结构的优化设计空间，为 CMC 材料-结构一体化设计 提 供 可 行 方 向，但 具 体 的 优 化 效 果 仍 有 待 试 验 和 工 程 实践的进一步验证。
近几年论文
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姜卓群，黄盛，王占学. 含多层界面相的2.5D编织SiCf/SiCm复合材料多尺度建模及力学性能预测[C]. 成都：第六届空天动力联合会议暨中国航天第三专业信息网第四十二届技术交流会暨2021航空发动机技术发展高层论坛，2021
团队介绍
第一作者：戎乐，西北工业大学动力与能源学院2020级博士生，主要研究方向为S弯喷管排气系统结构设计与陶瓷基复合材料结构应用。
通讯作者：黄盛，西北工业大学动力与能源学院副教授，主要学术方向为航空发动机高温薄壁超单元方法与航空发动机热结构反问题识别方法。
喷气推进理论与工程研究所（JPRL研究团队）是“新概念喷气推进技术”国防科技创新团队、“空天动力军民融合”陕西省科技创新团队，拥有“新概念喷气推进技术”国防重点学科实验室和“航空发动总体与控制数智技术”工信部重点实验室。
团队承担了“两机”专项基础研究重大项目、国家973与国防973课题、国家自然科学基金重点项目等多项重大科研项目，研究成果已经应用到最新航空发动机研究的相关领域。近五年累计科研到款8000万元，获国家和省部级科技奖励5项，获授权发明专利/软件著作权30项，发表SCI论文40篇，出版学术专著6部。
2024年第9期目录
总体与系统
航空发动机整机动力学建模及模型确认
梁昊天;高东武;尉询楷;王 鑫;王 浩;臧朝平;
模态转换对变循环发动机多维度耦合模型性能影响研究
王承熙;周 莉;张晓博;王占学;
流体力学 气动热力学
平均载荷系数0.5一级的双模式压气机设计研究与验证
黄 磊;郭昶宏;田小红;张 军;潘小娟;楚武利;
开式燃油离心叶轮汽蚀特性非定常仿真及分析
李 嘉;周 文;王淑红;张 伟;代朝武;
基于功比例因子的径向流内燃波转子发动机热力循环分析
郑仁传;巩二磊;李建中;姚 倩;韦晓农;
基于流体振荡器阵列的S型流道主动控制实验研究
王士奇;邵 冬;罗 斌;贾志刚;陆华伟;孔晓治;
S弯收扩喷管过膨胀状态下流动分离特性研究
王明新;周 莉;史经纬;张 诣;王占学;
燃烧 传热 传质 燃料
旋流组合稳焰的宽范围亚燃冲压燃烧室性能研究
刘 瑶;谭建国;张冬冬;蒯子函;刘易明;
一体化加力燃烧室热态流场与特性数值研究
王治武;李民强;李俊林;肖静涛;詹义民;龙 好;
空间发动机离心喷嘴真空下脉冲工作雾化特性实验研究
王 平;姚兆普;毛晓芳;刘奇优;成锦博;富庆飞;杨立军;
预混煤油/空气两相旋转爆轰传播特性数值研究
刘秋月;王 放;翁春生;赵庆军;
乙烯富燃燃气/富氧空气旋转爆轰自起爆现象研究
邱 晗;白桥栋;韩家祥;黄炳耀;刘嘱勇;翁春生;
并联通道中超临界RP-3航空煤油流量分配特性数值研究
王彦红;李雨健;贾玉婷;李洪伟;
凹坑对并排气膜孔冷却性能的影响研究
赵胜岩;贺业光;冯国淼;李润东;
第三类加热边界条件下超临界正癸烷的流动换热和热裂解特性研究
胡希卓;徐 诗;朱剑琴;程泽源;
长期贮存发动机中HTPB推进剂老化特性及蠕变本构模型
申志彬;邓旷威;李海阳;张慧慧;
静电发射器对微米级金属单颗粒的供应特性研究
王 旭;王天龙;刘永祺;徐 旭;杨庆春;
结构 强度 材料 制造
孔挤压强化对GH4169孔结构高温疲劳裂纹扩展行为影响研究
毛建兴;咸志帆;王 欣;刘 茜;刘海燕;王荣桥;胡殿印;
CMC S弯喷管材料-结构多尺度优化设计研究
戎 乐;黄 盛;杨 晗;姜卓群;周 莉;王占学;
变弯度导叶铰接位置对风扇振动特性的影响
张晓杰;毛建兴;李洪波;刘 茜;赵 炎;王荣桥;胡殿印;
测试 试验 控制
基于自适应变分模态分解的齿轮箱故障诊断
谢锋云;汪 淦;赏鉴栋;樊秋阳;朱海燕;
基于可调文氏管的液氧流量闭环控制特性研究
陈兰伟;宫绍天;蒋卓航;李清廉;成 鹏;
高空台多任务模拟指定时间抗扰控制
李金柏;伦岳斌;王宏伦;钱秋朦;张 松;但志宏;
新型推进及其它推进
磁场对霍尔推力器气体电离率的影响规律研究
于 博;黄 浩;徐亚男;连百万;张 岩;
微型射频离子推力器自中和引出特性研究
付宸聪;董宜承;李亦非;王海波;王伟宗;李兴达;王晓毅;闫家启;
