复合材料结构用紧固件及机械连接技术

先进树脂基复合材料具有的较多优点使其在先进飞机上的使用量越来越大,但是由于材料本身结构特性的原因,使得复合材料结构在连接、装配、使用中易产生一系列问题,针对复合材料的特点及连接和使用中存在的问题,系统地阐述了复合材料结构使用的紧固件用的材料、各种结构用先进紧固件类型以及连接中需解决的具体技术问题。     

Stiffeners layout design of thin-walled structures with constraints on multi-fastener joint loads

The purpose of this paper is to present an extended topology optimization method for the stiffeners layout design of aircraft assembled structures.Multi-fastener joint loads and manufacturing constraints are considered simultaneously.On one hand,the joint loads are calculated and constrained within a limited value to avoid the failure of fasteners.On the other hand,the manufacturing constraints of the material distribution in the machining directions of stiffeners are implemented by an improved piecewise interpolation based on a beveled cut-surface.It is proven that the objective function is strictly continuous and differentiable with respect to the piecewise interpolation.The effects of the extended method with two different constraints are highlighted by typical numerical examples.Compared with the standard topology optimization,the final designs have clearly shown the layout of stiffeners and the joint loads have been perfectly constrained to a satisfying level.     

太阳帆材料研究进展

太阳帆飞船由于无需动力等优势近年来引起了各国科学家的研究兴趣,并在深空探测领域具有重要的应用前景.太阳帆的结构设计和材料选择是影响其性能的重要因素,本文结合太阳帆飞行环境的特点,介绍了太阳帆的基本结构和飞行原理,重点针对目前几种比较典型的太阳帆设计,对其支撑材料以及帆面薄膜材料进行了综述,并分析了各种材料和设计的性能特点.     

槽道式侧推器水动力性能研究进展和展望

侧推器在从事港口作业、科考、救援和海洋资源开发等具有较高操纵性要求的船舶和海洋平台上具有广泛的应用。本文分别对槽道式侧推器的水动力性能预报方法、螺旋桨设计、槽道口减阻降噪设计、做功能力影响因素、空化噪声和脉动压力、减摇作用以及操纵效能等方面的研究进展进行了回顾；重点对影响侧推器做功能力的因素进行了梳理，将其分为槽道口形状、槽道内流场情况、船舶航速与康达效应、槽道及船体形状、侧推器同其他推进器的相互干扰、自由液面和限制水域等几个方面，并对现有相关研究工作进行了阐述。最后对侧推器水动力性能研究方面需要进一步深化以及可以拓展的方向进行了展望。     

应力波安装干涉配合紧固件

用应力波安装干涉配合紧固件,可以避免或减轻用静压法或锤击法安装时造成的初始损伤。用应力波法试验安装了30CrMnSiA钢干涉配合紧固件并作了疲劳试验,分析了安装损伤和应力波安装法的影响因素。     

航空紧固件生产车间流水线平衡量化分析及改善

为了量化地评价航空紧固件生产流水线的平衡性并对其进行改善,对一种典型的航空紧固件生产流水线进行了分析,结合流水线平衡的概念和航空紧固件生产流水线的特点,通过公式推导建立了一套可以从不同角度量化评价流水线平衡性的指标体系,阐述了其应用的方法和可行性;通过对比几种当前主要的研究流水线平衡的方法,指出航空紧固件生产流水线的平衡更适合采用工业工程的方法进行分析;研究了平衡性改进问题的解决思路,指出瓶颈工序对流水线的平衡性有重要影响,通过缩短瓶颈工序的加工时间可使整条流水线的平衡性得到有效改善,同时也使流水线上各工序的加工效率获得显著提升。最后通过实例计算对以上理论和方法进行了应用和验证。     

超声速混合层燃烧研究进展

超声速混合层燃烧研究是解决超声速燃烧难点的有效途径,对于超燃冲压发动机的发展具有重要意义。这一领域在过去20多年中开展了大量工作,需要对此进行总结。由于无反应超声速混合层流动特性研究是超声速混合层燃烧研究的基础,因此,首先综述了该流动特性,包括瞬时流场结构和时均统计特性;其次,讨论了着火特性,包括着火距离和着火过程;再次,综述了火焰特性,特别是火焰结构;然后,关注了熄火特性;接着,对释热和可压缩性影响进行了总结;最后,给出了燃烧不稳定性的研究进展。通过综述可知,超声速混合层燃烧研究仍需开展大量工作。在着火特性、火焰特性和熄火特性方面,后续研究可重点采用湍流数值模拟和详细反应机理,研究着火过程、火焰传播过程和熄火过程,以及流动参数、热力学参数、组分参数和外界因素对着火距离、火焰结构和熄火位置的影响;在释热和可压缩性影响方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究高释热和高可压缩性条件下有反应超声速混合层的瞬变特性和统计特性;燃烧不稳定性方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究超声速混合层燃烧不稳定性产生的普遍准则及其内在机制。     

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

M5复合材料螺栓的设计与试验

为解决机械连接过程中金属紧固件与复合材料结构热膨胀不匹配问题,开展了复合材料螺纹紧固件研制。通过分析比较,选择了合适的树脂体系,并对成型工艺方法进行了研究,研制了M5复合材料螺纹紧固件。同时创建了数值仿真分析模型,对紧固件力学性能进行了预示。试验结果表明:复合材料紧固件性能满足设计要求,并成功研制出了复合材料螺纹紧固件,扩大了树脂基复合材料结构的应用范围。     

紧固件刚度不同对连接部位疲劳寿命影响的研究

在航空器结构修理中，由于受施工条件限制或结构原连接状态的限制，可能会在修理加强件与原结构件之间的连接部位，混合使用不同剪切刚度的紧固件。本文通过疲劳寿命计算和试验，研究了结构连接部位的紧固件剪切刚度不同，对疲劳寿命的影响。研究结果表明，结构件之间的连接部位混合使用不同剪切刚度的紧固件，将会比较明显地降低结构连接部位的疲劳寿命。该研究成果对航空器结构设计人员和修理人员均具有一定的参考价值。     

基于BVD原理的高保真空间重构方法

简要综述了一类基于单元边界变差最小化(Boundary Variation Diminishing,BVD)原理,设计双曲守恒律高保真数值格式的空间重构方法。BVD原理要求尽量减少通过重构得到的网格边界两侧物理量之间的差,从而能够有效地控制黎曼求解器中的数值黏性。BVD方法针对数值解的空间分布特征,选择多个函数作为空间重构的候补函数,并根据BVD判定准则从候补函数中选取最合适的函数进行空间重构。BVD判据不需要根据求解对象进行经验参数(阈值)的调整。选用适当的候补函数和BVD准则,可以完全避免现有算法中为抑制数值振荡而必须采用的非线性限制。BVD格式能在抑制数值振荡的同时,有效地控制数值耗散,可以对光滑解与间断解都获得高保真的计算结果。本文概述了BVD方法的基本思想、设计相关格式的基本思路,以及一些具有很强实用价值的BVD格式。并通过单相和两相可压缩流动的一些典型算例验证BVD格式的特点和优势。     

受剪紧固件DFR_τ的确定方法

本文介绍DFR_τ和其他疲劳参数之间的关系以及利用受拉光滑试件疲劳试验数据、根据强度理论并考虑擦伤影响来确定DFR_τ的方法。     

受剪紧固件DFR_τ的确定方法

本文介绍DFR_τ和其他疲劳参数之间的关系以及利用受拉光滑试件疲劳试验数据、根据强度理论并考虑擦伤影响来确定DFR_τ的方法。     

LY12CZ铝合金铆接件微动损伤防护技术研究

 本文详细地分析了LY_(12)CZ铝合金铆接件微动损伤的微观特征以及各种搭接表面处理方法对疲劳强度的影响。试验结果表明:对搭接表面采用恰当的处理方法,铆接件的疲劳寿命一般均有不同程度的提高,其中,胶铆结构的采用是防止铆接件产生微动损伤的有效措施。当轴向交变应力σ_(max)=125MPa以下时,胶铆试件的疲劳寿命比干涉铆接的疲劳寿命提高60％以上。     

基于损伤权重的混合多钉连接件疲劳寿命预测方法

复合材料与金属材料混合多钉连接形式是当代飞机结构中最常见的连接形式,因此对于混合多钉连接件疲劳性能的研究有助于提高对飞机结构疲劳损伤的认知。针对以Ti-6Al-4V钛合金为螺栓的ZT7H/QY9611碳纤维增强树脂基复合材料连接板与30CrMnSiNi2A金属连接板混合多钉连接结构进行数值分析和试验研究。利用有限元方法,分别对复合材料和紧固件进行疲劳损伤预测,估算复合材料连接板上螺栓孔附近的损伤,依据复合材料和紧固件的损伤量所占权重,提出了以紧固件分布和复合材料连接板铺层层数为参数的经验公式,进而有效提高混合多钉连接结构疲劳寿命的预测精度。利用试验结果将螺栓孔损伤形式进行分类讨论,探索混合多钉连接件的损伤演化方式;利用C扫描技术得到复合材料分层损伤结果,与模拟结果进行对比分析,进一步解释了模型的合理性。与试验结果对比可以看到,考虑损伤权重的寿命预测值与试验值的对数误差仅为1.1%,相对于不考虑损伤权重方法的8.4%的对数误差,该模型寿命预测精度显著提高。     

太阳能热推进技术的研究进展

综述了太阳能热推进的发展历程及现状,分析了不同方案太阳能热推进的原理、结构和性能特点,并对研究中的重点、难点问题结合国外发展情况进行了进一步的探讨,这对我国开展相关研究,赶上世界先进水平具有重要意义。     

石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器，具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点，已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点，梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势，指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。     

金属和复合材料紧固件连接柔度解析计算研究

针对现代大型客机结构典型的紧固件连接形式,利用解析算法计算金属与复合材料单钉单剪搭接和单钉双剪搭接连接件的载荷-变形特性(P—δ曲线)和单钉连接柔度,并与试验结果对比,验证解析算法的可行性,作为多钉连接件钉载分配、细节应力分析和飞机结构强度计算的基础。     

Electromagnetic riveting technique and its applications

With the increasing applications of novel materials and structures in new-generation aircraft, conventional joining techniques in aircraft component assembly are greatly challenged. To meet those challenges, the electromagnetic riveting (EMR) technique was developed as an advanced joining tool, which exhibits obvious advantages in the assembly of new-generation aircraft. In this paper, the riveting principle of EMR was analyzed, and its development history and status were presented in detail. Then, equipment features of three typical EMR systems were given. Moreover, three important applications of EMR were covered, i.e., composite structure riveting, titanium rivet and large-size aluminum rivet riveting, and interference fit bolt installation. Specially, a novel strengthening method for mechanical linking holes based on EMR was also presented, which can significantly improve the fatigue behaviors of mechanical joints. Finally, open questions in the EMR field were discussed, and some recommendations for future work were also made. This paper can be useful for optimizing the joint designs of aircraft components and improving the level of aircraft maintenance.     

Topology optimization of joint load control with geometrical nonlinearity

This paper presents an extended topology optimization approach considering joint load constraints with geo-metrical nonlinearity in design of assembled structures. The geometrical nonlinearity is firstly included to reflect the structural response and the joint load distribution under large deformation. To avoid a failure of fastener joints, topology optimization is then carried out to minimize the structural end compliance in the equilibrium state while controlling joint loads intensities over fasteners. During nonlinear analysis and optimization, a novel implementation of adjoint vector sensitivity analysis along with super element condensation is introduced to address numerical instability issues. The degrees of freedom of weak regions are condensed so that their influences are excluded from the iterative Newton-Raphson (NR) solution. Numerical examples are presented to validate the efficiency and robustness of the proposed method. The effects of joint load constraints and geometrical nonlinearity are highlighted by comparing numerical optimization results.