纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

复合材料叠层板固化成型后的变形分析计算

分析复合材料铺层的微观结构，研究复合材料成型过程变形特点，以此建立两类针对性的有限元模型，并采用典型复合材料叠层板固化成型温度载荷，进行叠层板翘曲变形和板内应力的计算分析。在此基础上，将计算结果与实际试验制件实测结果进行对比。结果表明，本文所提供的有限元分析计算模型可对实际情况进行简便和较为精确的模拟。     

复合材料机械连接结构分析中的接触算法适用性研究

采用有限元方法计算复合材料机械连接结构孔边接触应力分布时,需要保证其结果的可靠度。分别以Nastran、Marc和Abaqus为平台,研究小滑移接触检测技术和有限滑移接触检测技术以及拉格朗日乘子法、直接约束法和罚函数法等接触约束施加技术的基本原理与特点,结合复合材料销钉连接结构应力分析实验与数值计算,验证各接触算法的准确性和适用性。结果表明:在复合材料机械连接结构有限元分析中,应当采用有限滑移接触检测技术和罚函数接触约束施加方法以提高计算精度。     

单钉机械连接孔边应力及失效分析

采用非线性Gap单元建立了复合材料层合板单钉连接有限元分析模型,并对五种不同铺层比例的层合板进行了计算,同时,还运用Hoffman失效判据对层合板进行了失效分析.根据计算结果分析了铺层比例对孔边应力分布、钉孔接触力分布和孔边失效系数的影响,得出最优铺层比例方案,其结论对复合材料层合板单钉机械连接设计具有一定的工程参考价值.     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

基于有限元仿真的含中心孔层压板强度预测方法

在材料承载应力不可能超过其自身强度的原则上,假设复合材料遵循弹性-塑性等效就位力学行为,提出了一种基于线弹性有限元分析的含中心孔层压板渐进失效和强度预测的仿真方法;在仿真中对单元材料属性进行随机赋值以模拟真实材料状态,采用Hashin准则对材料失效进行判定并对失效材料按照其失效模式进行弹性常数退化;通过试验测试了5种不同铺层的玻璃/环氧复合材料带孔层压板的强度,在不单独考虑分层的条件下,含孔层压板的预测强度与试验结果吻合较好,与传统有限元预测方法相比,本方法不需要人为地确定失效材料的退化因子。     

细观几何结构对复合材料初始屈服面的影响

采用宏—细观统一的弹塑性本构模型分析了多轴载荷作用下不同纤维形状、不同纤维排列方式对金属基复合材料初始屈服面的影响。研究表明:在纵向正应力作用下,圆截面纤维复合材料的初始屈服应力基本上与方形截面纤维复合材料的初始屈服应力相等;不同纤维排列方式的复合材料初始屈服应力基本上相同。当存在横向应力或纵横剪切应力时,圆截面纤维复合材料初始屈服面在方形截面纤维复合材料初始屈服面之内;六角形排列时最容易屈服,而方形对角排列屈服应力最高。      

多钉连接初始破坏强度的工程方法研究

采用有限元方法对复合材料层压板多钉机械连接载荷分配及其承载能力进行了研究,以一列三钉为例对比工程计算中提出的直接计算法与载荷比例法求解多钉连接初始破坏载荷的计算精度及适用范围,得出的结论对复合材料层压板多钉机械连接设计具有一定的工程参考价值.     

一种含分层复合材料层合板高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料县合板高阶弯曲位移模式。此模式考虑了横向剪切的影响,得到一种新的厚板有限元模型。对于含有分层的单元,通过改变其单元内横向剪切应力的分布,达到改变单元刚度的目的。因此,此模型适用于任何厚度的或含有分层的复合材料层合板。     

纤维缠绕复合材料结构可靠性评估方法及其应用

为了更加科学有效地评估纤维缠绕复合材料结构的可靠性,根据复合材料渐进失效特点,应用结构系统可靠性理论和方法,将复合材料视为连续体的结构系统,基于复合材料有限元模型对"单元"和"系统"进行了定义,构建了概率渐进失效分析的基本流程,提出了主要失效序列和结构整体的失效概率的精确解算式和近似计算方法.为解决复杂结构系统主要失效...     

复合材料层合板胶接补强结构的承载能力分析

在任意四边形四节点复合材料层合板壳单元的基础上，推导了相应的八节点胶单元，并采用蔡-希尔强度理论以及蔡氏刚度退化准则，对复合材料层合板胶接补强结构进行刚度分析和极限承载能力分析，编制了相应的有限元分析程序。通过算例，对不同的补强面积对结构挠度的影响，以及对复合材料层合板开孔处补强结构的破坏载荷进行了分析和讨论，得到了一些有益的结果。     

基于非协调单元的液体火箭发动机推力室热结构分析

用巴兹公式和发动机的热力计算数据,得到了推力室内的燃气壁面对流传热系数和燃气温度的分布,并用有限单元法计算了推力室的温度场.在温度场计算基础上,采用Wilson非协调单元,对推力室的应力场进行了计算,其中位移函数采用二阶形式,将计算精度提高到二阶.结果表明:相比常规单元,Wilson非协调单元在计算结构比较复杂,温度梯度比较大的结构时,精度比较高,结果合理.      

Mechanics analysis of axisymmetric thin-walled part in warm sheet hydroforming

To obtain the influence of fluid pressure and temperature on warm hydroforming of5A06-O aluminum alloy sheet, the unified mechanics equilibrium equations, which take throughthickness normal stress and friction into account, were established in spherical coordinate system.The distribution of through-thickness normal stress in the thickness direction was determined. The relation between through-thickness normal stress and fluid pressure was also analyzed in different regions of cylindrical cup. Based on the method of subtracting one increasing function from another, the constitutive equation of 5A06-O applied to warm hydroforming was established and in a good agreement with uniaxial tensile data. Based on whether the thickness variation was taken into account, two mechanic models were established to do the comparative study. The results for the studied case show that the calculated stress values are pretty close according to the two models and consistent with results of finite element analysis; the thickness distribution in flange computed by the second model conforms to the experimental data. Finally, the influences of fluid pressure on the flange thickness and radial stress were analyzed.     

减涡器破裂转速预测方法及试验验证

采用数值分析同试验相结合的方法研究了减涡器破裂转速问题。根据减涡器支撑环孔边的应力状态，设计了支撑环结构的模拟试验件，开展了单调拉伸载荷下的破坏试验，得到了体现结构应力特征的破坏参数。进而基于有限元方法，将模拟试验件的破坏参数引入减涡器支撑环破裂转速预测中，并对比了不同破裂准则对破裂转速预测结果的影响。分析表明:所设计的模拟试验件与减涡器支撑环的应力梯度吻合较好，可准确描述结构应力特征；局部塑性法和基于材料强度的方法预测破裂转速时结果更为保守，分别比平均应力法的预测值低15%和23%，对此类结构的破裂分析具有工程参考价值。      

陶瓷基复合材料螺栓渐进损伤计算与强度预测

为了准确预测陶瓷基复合材料螺栓的强度及损伤演化过程,建立了陶瓷基复合材料螺栓有限元模型,并采用渐进损伤模型实现了陶瓷基复合材料螺栓的失效分析,形成通用有效的陶瓷基复合材料结构渐进损伤有限元仿真方法。计算结果表明：陶瓷基复合材料螺栓在载荷1129N时萌生损伤。加载到失效载荷（1459N）时,损伤沿着螺纹槽扩展至整个螺纹槽。最后,损伤从螺纹槽扩展至螺杆中心导致螺杆断裂失效。螺栓的破坏位置在螺纹接触最上面的螺纹槽处,螺栓断裂的主要原因是材料的Z向拉伸破坏。     

一种多部位损伤全寿命分析的工程方法

提出了一种多部位损伤全寿命分析的工程方法,该方法包含3部分内容。对多裂纹萌生问题,通过研究多细节结构中裂纹萌生机理,将裂纹萌生寿命的取值事件转化为3个独立事件的积事件,前者的发生概率等于3个独立事件发生概率的乘积,3个独立事件的发生概率可由单细节结构裂纹萌生寿命的概率分布求得。从而可由单细节结构裂纹萌生寿命概率分布得到多细节结构中依次出现的各条裂纹的萌生寿命的概率分布。对多裂纹扩展问题,先通过有限元方法计算出多裂纹指定长度组合下的应力强度因子,然后引入响应面法,定量地建立了裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,由响应面模型得到多裂纹任意长度组合下的应力强度因子,最后采用循环接循环法进行裂纹扩展分析。对多裂纹结构失效分析,采用亚临界条件判断结构是否失效,认为结构上萌生的首条裂纹与第2条裂纹的位置相邻,裂纹发生首次连通时,结构失效。进行了单细节带孔板与多细节带孔板的裂纹萌生扩展试验,并对多细节带孔板的裂纹萌生扩展寿命和首次裂纹连通寿命进行了预测。预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

塑性工作内衬复合材料气瓶结构设计研究

为提高航天复合材料压力容器(COPV)性能因子,COPV壳体常采用超薄壁塑性工作金属内衬和高强碳纤维缠绕的双层壳体结构.通过对传统的网格理论进行优化,提出了塑性工作内衬COPV结构静力学计算的算法,联立求解各内压载荷阶段的静力学平衡方程和应变协调方程,对COPV纤维与内衬应力应变进行计算和分析.利用ANSYS有限元软件...     

复合材料风扇叶片高周疲劳薄弱点位置预测

提出了一种复合材料风扇叶片高周疲劳薄弱点位置预测方法。利用铺层信息文件,在ACP(ANSYS Composite Pre-Post)中通过壳单元法向拉伸建立全尺寸风扇叶片有限元模型,基于ANSYS-Workbench和Tecplot底层函数接口,开发的后处理程序完成铺层叶片有限元数据提取和数据库建立。根据复合材料CLD(constant life diagram)模型,采用薄弱点指标来预测叶片高周疲劳失效的位置。算例结果表明:叶片失效位置高度均不超过整个叶高的40%。1阶弯曲模态、1阶扭转模态、2阶扭转模态最先失效应力为层间正应力,2阶、3阶弯曲模态、弦向弯曲模态最先失效应力为层间切应力。叶片弯曲模态层间正应力薄弱点位于弦向中部;扭转模态振动应力幅值点全部为结构层,S3薄弱点靠近尾缘。压缩平均应力会导致叶片的高周疲劳破坏,具有较小静应力值的区域会成为薄弱点。      

复合材料层板固化全过程残余应变/应力的数值模拟

采用商业软件对带有铝板的复合材料层板固化全过程残余应变/应力进行数值模拟计算。在固化过程的模拟中,应用有限元法计算复合材料层板热-化学模型,有限差分法计算固化动力学模型,通过设置较小的时间步实现求解两个模型强耦合的关系。在残余应力数值模拟中,化学收缩引起的应变在每一计算步以初始应变施加在复合材料结构上。基于以上技术,对带有铝合金的复合材料层板固化全过程残余应变/应力演化进行数值模拟,并分析纤维方向和垂直纤维方向复合材料的残余应变/应力演化历程。通过与试验中层板曲率的比较,验证文中模型计算的准确性。