SiC纤维增强整体叶环破裂转速研究

为研究航空发动机SiC纤维增强钛合金整体叶环的强度,采用有限元法计算了整体叶环子午截面的周向应力分布,分析了其承载模式和理论破裂转速,然后通过高速旋转台试验测定了整体叶环的实际破裂转速。研究结果表明,以复合材料的局部最大周向应力计算的整体叶环的破裂转速与实际测试结果最为接近。叶环残骸断口SEM照片显示,超速旋转过程中首先发生了SiC纤维丝与钛合金基体的界面分脱,随后纤维丝被拉断导致复合材料承载能力下降,最终引起整体叶环的破裂。     

钛基复合材料压气机叶环应力的数值模拟

采用有限元分析方法,建立三维循环对称模型,对连续Si C纤维增强钛基复合材料压气机叶环的应力进行了研究。考虑周围基体包套和中心复合材料的热残余应力,重点分析了叶环尺寸、温度及基体材料性能对叶环应力分布的影响。结果表明,当叶环直径较小、工作温度较低时,叶环的最大环向应力点在内径;随着直径增大、工作温度升高,最大环向应力点出现在中心复合材料靠近内径一侧。基体材料的弹性模量、热膨胀系数和密度,对叶环的应力分布有重要影响,应尽量选择密度低、弹性模量和热膨胀系数较大的钛合金作为基体材料。     

纤维增强钛基复合材料整体叶环设计技术

新材料和新结构的开发使用是航空发动机减重的一个主要技术途径,纤维增强钛基复合材料制备的整体叶环结构具有明显的减重优势。以Si C(f)/TA12整体叶环试验件为例,分别从结构、强度、工艺等方面阐述了整体叶环设计技术。利用ANSYS有限元软件进行数值模拟,并采用最大应力准则和平均周向应力准则评估了整体叶环试验件的破裂转速。通过旋转试验初步验证了整体叶环的减重效果和强度计算方法,并对今后的研究方向进行了展望。     

非连续增强金属基复合材料的热残余应力

详细地论述了非连续增强金属基复合材料热残余应力的产生、松弛机理以及热残余应力对材料组织和性能的影响，并预测了今后的发展方向。指出增强体与基体的线膨胀系数之差、界面结合和温度变化是产生热残余应力的必要条件，非连续增强金属基复合材料的热残余应力的松弛将使得金属基复合材料基体内的位错密度增加，热残余应力使复合材料的拉伸强度降低。     

考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

修正平均应力法预测轮盘破裂转速的试验研究

基于修正平均应力法，分析了TC17钛合金压气机轮盘型面尺寸参数对径向和周向破裂转速的影响，并对破裂模式的转变进行预判。进而设计了针对径向破裂模式的轮盘试验件，并开展了TC17钛合金压气机轮盘的破裂试验。轮盘破裂试验结果与修正平均应力法计算结果吻合较好，计算的破裂转速储备与试验结果的误差由修正前的7.24%下降为修正后的0.72%，可为工程应用提供依据。     

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。      

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

Ti_2AlNb合金电子束焊接接头的残余应力与再热裂纹

利用数值分析和试验测量方法研究了不同板厚和不同形状Ti_2AlNb合金电子束焊接接头的焊接应力,分析了再热裂纹的产生特点和焊后热处理过程中的组织演变,讨论了再热裂纹产生的原因。结果表明,电子束焊缝中心部位承受3向拉应力,纵向残余拉伸应力最大,超过1100MPa;横向拉伸应力较小;板较薄时厚度方向残余拉伸应力也较小,但当焊接厚板时焊缝中心厚度方向的残余拉伸应力也很大,深窄焊缝中可达1000MPa。同样板厚条件下,环形焊缝与直线焊缝相比,周向拉伸应力略小于纵向应力,但径向拉伸应力远大于横向应力,尤其是环的直径较小时。再热裂纹的产生与再热过程中晶界析出物及较高的拉伸应力有关,在加热速度低于一定值,加热到700℃左右时,裂纹沿晶界析出层与基体之间的界面产生与扩展。     

考虑基体开裂的陶瓷基复合材料应力-应变曲线模拟方法及验证

提出了蒙特卡罗方法模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂过程,采用剪滞模型描述了复合材料出现损伤时细观应力场,并推导得到了考虑基体开裂时复合材料拉伸应力-应变曲线计算公式.开展了室温环境下C/SiC复合材料的单轴拉伸试验,并将理论预测应力-应变曲线与试验结果进行对比.同时,采用该方法对SiC/CAS,SiC/Si₃N₄复合材料应力-应变曲线进行了模拟,并与国外提供的相关试验数据进行比较,发现两者吻合得较好,从而证实了蒙特卡罗法可有效地模拟考虑基体随机开裂过程的陶瓷基复合材料应力-应变曲线.此外,还分析了Weibull模量、残余热应力和初始开裂应力对应力-应变曲线的影响.研究表明:Weibull模量越大,应力-应变曲线非线性越明显;热残余应力越大,应力-应变曲线偏转越早,非线性越明显;初始开裂应力与Weibull模量对应力-应变曲线影响规律相似.      

纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,建立了基底 /涂层 /纤维三层力学模型。该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系 ,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。算例分析表明 :涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。在涂层上 ,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。涂层的弹性模量不同 ,对材料的横向应力影响最大     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

连续纤维增强整体叶环结构方案优化设计

为设计出更轻质高强度的轮盘,提高航空发动机推重比,基于ANSYS优化平台,提出并建立整体叶环子午面结构参数化模型,筛选子午面主要结构优化设计变量,在金属盘结构设计准则应力标准基础上,提出并建立纤维增强整体叶环轻量化结构优化设计数学模型。扩展并建立复合材料轮环结构优化设计约束条件。借助轮环结构优化数学模型及ANSYS优化方法,通过典型纤维增强整体叶环结构优化设计,得到满足所有强度约束条件下的轻量化轮环结构,钛基SiC纤维在增强整体叶环结构的同时可以减少39.92%的质量,表明纤维增强整体叶环设计技术在叶环结构减重方面具有明显优越性,表明纤维增强整体叶环结构方案设计方法的有效性。     

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。     

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.     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

熔融沉积制造材料的空间应用实验

为了解决熔融沉积制造(FDM)技术的空间应用问题,开展了不同材料的地面成形工艺实验研究。选取了聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)三种纯树脂材料以及碳纤维增强的PLA材料为研究对象,利用自主研发的空间微重力原理样机成功打印了标准试样,并进行了力学性能、阻燃特性、燃烧后毒气浓度、质量损失、可凝挥发等数据的测试,对比分析了PLA、PC、PEEK材料FDM成形件和传统注塑件的性能差别及不同纤维方向的碳纤维PLA复合材料试样的拉伸性能。结果表明:材料间结合能力是影响FDM成形制件性能的主要因素,异种材料间结合强度是影响复合材料样件性能的主要因素,结合能力越强的材料其FDM成形的质量越高,结晶材料的成形质量同时还受结晶度的影响,结晶度越高,制件性能越好。