冷冻温度对适航测试冰雹力学性能影响

为研究航空飞行器透明外壳测试标准(ASTM-F320-2010)中含棉冰雹及航空发动机吸雹测试中纯冰冰雹的力学性能,设计并制作冰雹模具。以自然冰雹冷冻温度为准,采用不同冷冻温度制取冰雹并在万能试验机中对冰雹进行压缩,得到了冰雹的准静态抗压强度数据及冷冻温度与冰雹力学性能间关系。结果表明,冷冻温度在-10~-30 ℃变化时,纯冰冰雹平均抗压强度略有提高,约为2 MPa,而含棉冰雹平均最大抗压强度在该温度区间内并没有表现出明显地温度相关性;冷冻温度下降至-40 ℃,两种冰雹的平均抗压强度都有上升,冷冻温度对纯冰冰雹影响更加剧烈,纯冰冰雹上升更加显著;提出可将-40 ℃制作地测试冰雹加入我国未来商用航空发动机及民用大飞机适航测试试验考虑范围。     

横向热气流中单液滴剪切破碎特性研究

为了获得热气流中单液滴剪切破碎特性,采用高速摄像机对液滴变形、破碎过程进行了捕获。结果表明:液滴初始直径减小、气流温度增加,降低了液滴发生剪切破碎所需最小气动力;液滴破碎特征时间,随气动力增加呈线性递减变化趋势,且其值与变化梯度都随液滴初始直径增加而增大;液滴破碎区域面积、子液滴质量百分数随气动力增加呈先增加后减小的变化趋势,液滴初始直径增加,液滴破碎区域面积随之增加,而子液滴质量百分数则随之减小;剪切破碎锥角,随气动力增加呈线性减小的变化趋势;液滴破碎程度随液滴初始直径增加有明显改善;标准离差率数学模型可以用于子液滴群空间分布均匀性方面的研究。     

刚性隔热瓦组件拉伸强度有限元分析与验证

为研究侧面涂层和应变隔离垫厚度及两者刚度对刚性隔热瓦及组件力学性能的影响,构建一种对称结构的刚性隔热瓦分析模型,进行了拉伸试验和有限元分析。结果表明,在拉伸载荷作用下刚性隔热瓦的应力分布不均匀,具有明显应力集中现象,其拉伸强度水平与最大应力密切相关,随涂层厚度或刚度增加,刚性隔热瓦最大应力上升,拉伸强度降低;当刚性隔热瓦粘结应变隔离垫时,应变隔离垫厚度增加或刚度减小,刚性隔热瓦最大应力下降,拉伸强度增大;当刚性隔热瓦含涂层时,增加应变隔离垫可减缓涂层对刚性隔热瓦的影响;并对有限元分析结果进行了试验验证,计算结果与试验结果吻合良好,表明建立的刚性隔热瓦分析模型合理,揭示了涂层和应变隔离垫参数与刚性隔热瓦失效的关联关系。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接连接性能

为提高复合材料单搭接头的连接性能,制备了不同参数的Z-pin增强单搭接头,通过拉伸试验,研究了Z-pin体积分数、直径以及植入角度对单搭接头连接性能的影响规律,分析了Z-pin对单搭接头性能的增强机理。结果表明Z-pin能明显提高复合材料单搭接头的连接性能：植入角度为90°、Z-pin直径为0.5 mm时,在0%~3.0%体积分数范围内,单搭接头强度随着Z-pin体积分数的增加呈线性增加,含3.0% Z-pin的接头剪切强度为16.76 MPa,比无Z-pin的接头强度提高了33.2%;Z-pin体积分数为1.5%、植入角度为90°时,Z-pin直径变化对单搭接头强度影响不大;含Z-pin体积分数为1.5%、直径为0.5 mm时,随着Z-pin植入角度（背离搭接末端）的增加,单搭接头强度先增加后下降,失效模式从Z-pin拔出失效转变为Z-pin剪断失效;在植入角度为40°时,剪切强度最大（21.04 MPa）,比无Z-pin的接头剪切强度提高了67.1%。Z-pin植入角度（倾向于搭接末端）对单搭接头强度无影响。     

预变形对Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金的组织与力学性能的影响

采用显微硬度测试、拉伸力学性能测试、扫描电镜及透射电镜观察等分析手段,研究了预变形对Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金的组织与力学性能的影响.结果表明:时效前的冷轧变形加速了Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金的时效进程,提高了时效的峰值硬度,促进Ω相的析出,增加Ω相的数量.随着变形量的增加,合金时效过程中双阶段时效硬化的现象减弱,预变形小于10%时,时效过程中出现明显的双阶段时效硬化特征,预变形大于10%时,时效过程仅出现明显的单阶段时效硬化特征;随着预变形量的增加,合金的抗拉强度和屈服强度逐渐增加,延伸率逐渐降低.综合考虑合金的强度和塑性,Al-Cu-Mn-Mg-Ag合金的预变形量应为10%～20%.     

初始直径对单液滴破碎特性影响的试验

为了获得均匀横向气流中单液滴变形、破碎特性,采用高速摄像机对液滴的变形、破碎过程进行了测量.通过试验获得了液滴初始直径对液滴破碎模式、变形时间、变形与破碎总时间、无量纲索太尔平均直径的影响.在试验设计工况下所得结果表明:液滴破碎临界韦伯数随液滴初始直径的增加而增加;液滴初始直径增加使得液滴由单一的破碎模式转变成多种破碎模式共生的混合型破碎模式;相同韦伯数下,在初始直径尺寸较大的区域液滴变形时间、变形与破碎总时间都比尺寸较小的区域要大,变形时间随韦伯数增加呈先减小后不变的线性变化关系,而变形与破碎总时间随韦伯数增加呈先减小后增加再减小的线性变化关系;液滴初始直径对无量纲索太尔平均直径的影响能力要强于气液初始相对速度对其影响.      

Mn含量对2519铝合金的组织与力学性能的影响

通过显微硬度测试、拉伸测试、透射电镜及扫描电镜观察分析等手段研究了Mn含量对2519铝合金组织与力学性能的影响.研究结果表明,当Mn含量小于0.29wt%,合金的强度随Mn含量的增加逐渐增大;当Mn含量大于0.29wt%后,合金强度随Mn含量的增加却有所降低;随Mn含量的增加,合金170 ℃时效硬化速度逐渐加快,峰值时效时间提前,但合金的延伸率随Mn含量的增加而逐渐降低;当Mn含量大于0.29wt%,合金的时效硬化效果随Mn含量的增加而有所降低.综合考虑合金的强度和塑性,2519铝合金中的Mn含量以0.29wt%为宜.     

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

环氧E-51 改性S-1 硅橡胶涂层的制备与性能

利用化学接枝法制备了一种环氧改性硅橡胶。用红外光谱对其结构进行了表征,分析了制备过 程中催化剂和环氧树脂含量对其力学性能的影响,同时对其固化体系进行了研究。将所制备改性硅橡胶用于 固体火箭发动机外防热涂层材料中,并进行了风洞试验。结果表明:在环氧改性硅橡胶制备过程中加入适量钛 酸丁酯,可有效提高改性硅橡胶的力学性能,且其力学性能随环氧树脂含量的增加而提高;当环氧树脂含量> 20wt%后,改性硅橡胶拉伸强度>2 MPa,扯离强度>3 MPa;RCA-聚酰胺650 复合固化体系是环氧改性硅橡胶 合适的固化剂,涂层经过风洞试验后试件结构完整,其背温低于152℃。     

Z-pin增强复合材料帽型加筋壁板接头拉伸性能

为了提高复合材料帽型加筋壁板结构中筋条与蒙皮界面处的连接强度,引入Z-pin三维增强技术。制备了Z-pin增强帽型接头试样,并对其进行拉伸试验,研究Z-pin对帽型接头界面增强机理及不同Z-pin体积分数、直径及加载跨距对筋条与蒙皮界面处连接性能的影响规律。结果表明:Z-pin直径为0.5 mm、植入角度为90°时,在体积分数0%~1.0%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度随着体积分数的增加而增加,增长趋势随体积分数增加而减缓,含1.0% Z-pin增强帽型接头比未增强接头强度提高了31.2%,在体积分数1.0%~1.5%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度呈降低趋势;Z-pin直径对帽型接头拉伸强度影响不显著;随着加载跨距的增加,含0.5%(直径0.5 mm)Z-pin增强帽型接头伴随有失效模式转变,拉伸强度呈现降低趋势。     

复合材料C型柱轴压失效分析的层合壳建模方法

由于易于设计、制造以及承载效率高,C型柱作为一种典型的垂向支撑结构,大量应用于大型运输类飞机货舱地板下部。以复合材料C型柱结构为对象,并结合复合材料C型柱轴向压缩试验,旨在发展其在轴向压缩载荷下失效分析的有限元方法。首先,对材料模型的应力-应变曲线进行参数化研究,明确Lavadèze材料单层模型、Puck IFF基体失效准则和Yamada Sun纤维失效准则中参数的物理意义并给出取值建议。其次,建立"层合壳"模型,模拟轴向压缩载荷下破坏失效的力学行为,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明,该建模方法能够较好地模拟渐进压缩破坏过程,平均压缩载荷、比吸能的预测值与试验结果具有较好的一致性。     

Determining effects of impact loading on residual strength of fiber-metal laminates with grid-characteristic numerical method

The Grid-Characteristic numerical Method (GCM) that is quite common in solving aero and hydrodynamic problems can also be applied for mechanics of solids. It allows to implement complex border and contact conditions, including the non-reflecting border and the destructible contact. Both this conditions are very important for the precise and effective modeling of Low-Velocity Impacts (LVI) on fiber and Fiber-Metal Laminates (FML) and the resulting Barely Visible Impact Damage (BVID) that influences the residual strength of a composite aircraft part. BVID is the type of damage that is not visible by the naked eye and can be hardly detected by a standard ultrasound equipment that is used for regular maintenance. It can appear during any weak impacts like bird strike or hail. Determining its influence on the residual strength of the part is very important to define the priorities of development of ultrasound diagnostics. In this paper, the GCM was applied for a full cycle of loading of an FML aircraft cover part. The FML consisted of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) and a single titanium layer on the upper surface. The cycle of loading in a single calculation consisted of an LVI caused by a small striker and a comparatively slow compressive in-plane loading. Three-dimensional patterns of velocity and stress distributions over the time of calculation are given. Destruction patterns, obtained via the Hashin failure criterion are given and analyzed.     

热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则

根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和,必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度,则冰层发生破坏,破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。      

不同编织结构Cf/Al复合材料高温压缩性能与失效机理

对基于真空气压浸渗法制备的三维五向、三维正交、叠层穿刺和2.5D浅交直联4种不同编织结构C_f/Al复合材料,分别在350℃和400℃下进行压缩试验,分析其高温压缩性能以及温度对复合材料压缩性能的影响,并进一步利用SEM观察叠层穿刺结构的断口形貌,探讨其压缩失效机理。结果表明,不同编织结构的复合材料在高温环境下压缩性能差异较大,三维正交结构的压缩强度最高,在350℃和400℃下分别为351.4 MPa和288.6 MPa;2.5D浅交直联结构的压缩强度最低,分别为87.3 MPa和52.2 MPa。同时不同编织结构的C_f/Al复合材料高温稳定性也存在较大差异,当温度由350℃升高到400℃时,2.5D浅交直联结构的压缩强度下降幅度较大,约为40.2%,其高温压缩稳定性较差;叠层穿刺结构的压缩强度下降幅度较小,约为4.0%,其高温压缩稳定性较好。叠层穿刺结构复合材料的高温压缩失效过程根据切线模量特征可分为两个阶段：第一阶段基体合金承受主要载荷,第二阶段基体与增强纤维共同承受载荷。     

结冰环境下结冰/除冰过程的气动参数测量实验技术

采用结冰风洞实验方法,在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段对圆柱模型的结冰/除冰过程进行了气动参数测量实验。建立了电加热圆柱模型和适合低温高湿环境的五分量外式微量天平,获得了结冰气象环境下圆柱模型结冰/除冰过程的气动力/力矩随时间的变化规律。喷雾对载荷和动压的影响可以忽略,单位时间内模型受到喷雾的最大水平力、最大动压增量分别为0.6%和0.2%。基于结冰风洞低温高湿环境的测力实验技术可以捕捉结冰/除冰过程的气动力/力矩变化。结冰过程中,圆柱模型阻力系数随时间不断增大,呈现出近似线性增长趋势,而升力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数的变化可忽略不计。除冰过程中,前缘冰壳滑动改变了姿态,会造成阻力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数等迅速变化,其对气动性能的影响难以预测。      

固化温度对苎麻纤维增强复合材料性能的影响

研究了固化温度对苎麻纤维增强复合材料力学性能的影响,同时对比研究了平纹苎麻织物、单向苎麻纤维和单向玻璃纤维增强复合材料的力学性能.结果表明:环氧树脂3233分别在120℃,140℃和l80℃固化2h后,其拉伸性能和弯曲性能没有明显的变化;而基于环氧树脂3233的苎麻纤维增强复合材料在120℃和l40℃固化2h后力学性能相当,但是在180℃固化2h后,强度明显减小,模量变化不大;单向苎麻纤维增强复合材料的力学性能要远远大于平纹苎麻织物增强复合材料的力学性能,如单向苎麻复合材料uRamie-3233-120的压缩强度和压缩模量分别为154.0 MPa和35.6 GPa,而苎麻织物增强复合材料fRamie-3233-120分别为95.0 MPa和9.2 GPa;玻璃纤维增强复合材料的强度也会高明显高于苎麻纤维增强复合材料的强度.     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

Modified micro-mechanics based multiscale model for progressive failure prediction of 2D twill woven composites

To consider fiber random distribution at the microscale for the multiscale model based on the micro-mechanics failure (MMF) theory, clustering method is used for the extraction of amplification factors. As the clustering method is a kind of unsupervised machine learning method, the elements with similar mechanical behavior under external loading can be included in a cluster automatically at the microscale. With this modification, the fiber random distribution model can be used for multiscale damage analysis in the framework of MMF theory. To validate the modified multiscale analysis method, progressive damage analysis of a kind of 2D twill woven composites is conducted based on different microscale models. The stress values for microscale models with fiber hexagonal and random distribution patterns are compared first. Much higher stress concentration is generated in the fiber random distribution model due to the smaller inter-fiber distance especially under longitudinal shear loading. The obtained cluster distribution results exhibit the characters of the stress distribution in the two microscale models. Thereafter, tensile and compressive responses of the 2D twill woven composite are predicted with the modified multiscale analysis method and accuracy of the method is verified through comparison with published experimental results. From the simulation results, it can be found that the matrix damage initiation from the model based on the fiber random distribution model is premature compared with that from the model based on the fiber hexagonal distribution model. Besides, under tensile loading, the damage all initiates from the fill tows and propagates to the wrap tows. However, under compressive loading, the matrix damage initiates from the wrap tows in the model based on the fiber random distribution model.     

无纬碳布增强针刺毡C/C复合材料性能的研究

比较了几种不同工艺制备的针刺毡C/C复合材料。对针刺碳毡织物首先进行预增密处理,得到初始密度和碳纤维含量较高的坯料,然后用树脂浸渍法进一步致密化。研究表明,用该方法制备的C/C复合材料比未经预处理的试样,拉伸强度提高39%,压缩强度提高14%,层间剪切强度提高36%。通过SEM观察和常温力学性能的测试,分析表明工艺的改进是强度提高的主要原因。     

碳纤维-环氧树脂波纹梁吸能能力的试验研究

 用试验研究了碳纤维 -环氧树脂圆弧型波纹梁在轴向准静态载荷下的损毁过程、峰值载荷和能量吸收能力。通过 3组不同尺寸的波纹梁在轴向准静态载荷下的压缩试验,研究了波纹梁的缓冲吸能机理,并对波纹梁的峰值载荷和吸能能力做了定量分析,讨论了不同结构尺寸对波纹梁在轴向准静态载荷下的峰值载荷和吸能能力的影响。