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关键词： 双卡套管路接头   光纤光栅   应力   密封性能   安装偏差   基础激励  

摘要： 航空管路系统由管体、卡箍和管路接头组成,与泵、阀和作动器连接,实现飞机的各项操控任务。管路接头作为连接和密封部件,在泵源流体脉动和基础激励作用下,容易导致其密封性能会下降、渗漏、泄漏甚至失效,对于飞机系统可靠性和安全性构成重大威胁。航空管路接头类型主要有永久式管路接头、可分离式管路接头和柱端式管路接头,其中可分离式管路接头又分为扩口式管路接头和无扩口式管路接头。无扩口式卡套式管路接头因其安装过程简单、减少漏点、节省空间、降低成本等优点,得到了广泛应用。目前,国内外学者对扩口式管路接头的密封性能开展了研究,并取得了丰富的研究成果,其结果表明扩口锥面接触应力是评价接头密封性能最重要的指标,而且对于无扩口管路接头应力测试与密封性能分析报道较少,通过对接触应力的测试可以客4观的评议密封性能的衰减,但由于无扩口管路接头内部空间狭小,传统的传感器无法布置,因此,本文研究了基于光纤光栅的无扩口卡套式管路接头应力测试方法,并进行了不同工况下接头密封性能分析,为航空管路系统安全可靠运行提供了技术指导。 本文以卡套式管路接头为对象,采用仿真计算与试验测试相结合的方法,建立了考虑管路接头的管路系统有限元模型,分析了安装参数与结构参数对管路接头内部应力的影响,提出了基于光纤光栅传感的管路接头应力的测试方法,获得了不同装配状态、振动环境下管路接头应力的变化规律。具体进行的研究内容及其研究结果如下。 1)提出了基于等强度梁的光纤光栅应变传递系数标定试验方法,搭建了光纤光栅等强度梁试验系统,通过等间隔加载力作用,获得光纤光栅传感应变传递系数。在此基础上进一步进行了动态激振力对比试验,并于传统应变片测试结果进行了对比分析,验证了光纤光栅传感测量的有效性。 2)建立了考虑不同预紧力的管路系统有限元模型,分析了不同拧紧力矩下管接头的应力变化趋势和密封带宽变化,光纤光栅试验测试结果与仿真计算结果进行了对比验证。在此基础上,进一步讨论了管壁厚度、接触摩擦系数、材料参数管接头接触应力的变化规律。 3)建立了考虑初始安装角度偏差的管路接头有限元模型,分析了不同安装角度偏差对管路接头的应力变化趋势和密封带宽变化的影响,进一步分析了不同拧紧力矩下安装角度偏差对管路接头的应力变化影响,在此基础上,搭建了考虑初始安装角度偏差的管路接头应力测试系统,试验测试结果与仿真结算进行了对比验证。 4)考虑管路接头基础激励作用,搭建了基础激励下管路接头振动应力测试系统,开展了共振下和非共振状态下管路接头振动应力变化。并与仿真计算结果进行了对比验证。在此基础上,进一步讨论了不同激励幅值下管路接头振动应力的变化,揭示了基础激励下管接头振动应力的变化规律。 本文建立了管路接头的管路系统有限元模型,分析了不同拧紧力矩下管路接头的应力变化趋势和密封带宽变化,揭示了安装角度偏差对管路接头内部接触应力的影响规律,搭建了基础激励下管接头振动应力振动试验测试系统,获得了基础共振下和非共振状态下激励下管路接头振动应力的变化规律。本文的研究工作可为航空管路系统的运行状态监测与安全可靠运行提供技术指导。

关键词： 光学薄膜   带通滤波器   法布里-珀罗理论   多通道带通   高光谱成像  

摘要： 随着光学薄膜技术的发展,带通滤波器在不同领域的应用前景愈发广阔,为各领域的技术进步和创新提供了有力支持。由于应用场景的繁杂多样,对带通滤波器的要求也各有不同,为滤波器的研制带来了极大困难。目前单通道带通滤波器存在应力形变、测试精度等问题,多通道带通滤波器存在光谱范围展宽以及多谱段设计等问题。本文基于法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）理论,针对单/多通道带通滤波器展开研究。 针对激光雷达探测系统应用需求,完成带宽<1 nm的单通道带通滤波器的研制,解决了应力形变和测试精度的问题。选用Ta2O5和Si O2薄膜材料,确定沉积工艺,并完成光学常数的精确测量。基于F-P理论和材料特性,完成膜系的设计。使用离子束溅射的方法在φ25×1 mm的熔融石英基底上完成薄膜的制备。建立应力形变模型,通过背面增加匹配层的方法以及面型应力补偿的方法优化膜系设计,应力补偿后的滤波器面型Power值为0.22λ,减小应力对单通道带通滤波器带来的光谱漂移影响。针对单通道带通滤波器的光谱测试,分析光束入射的锥角效应,利用激光光束发散角小的特点,搭建高精度光谱特性测试与表征方案,测试单通道带通滤波器中心波长为532.00 nm,峰值透过率为87.23%,半高宽0.79 nm。建立发散角误差分析模型,从理论分析不同发散角对光谱透过率的影响。建立测量误差纠正模型,通过常用的分光光度计测试,得到更精准的光谱透过率曲线,对窄带滤波器的设计和制备具有指导意义。通过带通滤波器的时效性测试,滤波器的中心波长、峰值透过率和带宽有所变化,但变化浮动较小,放置30天后,滤波器性能趋于稳定。 针对智能穿戴设备应用需求,完成515～545 nm、645～675 nm和925～955 nm三通道带通滤波器的研制,解决光谱范围展宽与大角度使用的问题,在光学滤波器的同一区域内,实现频域上的多通道分光。选用Ta2O5和Si O2薄膜材料,通过分析不同温度下Ta2O5薄膜的折射率和表面粗糙度变化趋势,确定最优工艺参数,选择180℃沉积温度。基于F-P窄带理论,利用窄带滤波膜系在中心波长主峰两侧的透射次峰,并通过多个F-P腔结构叠加,设计三通道带通滤波器,优化后膜层共84层,物理厚度约为9.36μm。分析膜层敏感度,设定厚度标准偏差为5‰,随机模拟20次,925～1000 nm波段透过率变化范围在84.24%～99.99%之间,平均透过率大于90%,满足设计要求。采用电子枪热蒸发技术,结合6个晶控片和3个光控片共同监控膜层沉积厚度。最后对光谱特性、粗糙度、弱吸收和SEM进行测试,测试结果满足系统使用要求。切割减薄后得到尺寸2×4mm,厚度0.2 mm的三通道带通滤波器。 针对高光谱成像应用需求,完成7～12μm波段多通道带通滤波器的研制,解决长波红外谱段数量少和透过率偏低的问题。分析多通道窄带滤波器的基本结构、分光方式及工作原理,选择线扫式滤波器阵列的方式,在不同台阶区域实现不同光谱维度的区分。通过对红外基底材料的分析,选择Ge基底。薄膜材料选择Ge和Zn S,测量材料的精确光学常数。基于F-P理论,确定自由光谱范围,优化匹配层结构,提升光谱透过率,透过率从61.23%提升至99.50%,完成多通道带通滤波器的膜系设计。采用电子束热蒸发的方法沉积Ge材料,采用电阻蒸发的方式沉积Zn S材料。沉积底层布拉格镜和间隔层后,进行光刻-刻蚀工艺,对间隔层进行4次光刻-刻蚀,得到16个不同厚度的台阶结构,再沉积顶层布拉格镜。将制备的多通道带通滤波器集成到氧化钒探测器上,并完成光谱成像相机的组装。利用单光仪对光谱成像相机进光谱响应测试,以及SEM测试,16个通道边界清晰分布均匀,覆盖了7～12μm光谱范围,带宽在0.3～0.4μm之间,均小于0.5μm。