C/SiC复合材料液相渗透连接应力的数值模拟与验证

采用有限元和试验两种方法研究了复合材料孔隙率对在线液相渗透连接接头残余应力的影响.利用ANSYS有限元分析软件,建立了计算2D及3D-C/SiC复合材料连接接头残余应力的有限元几何、物理模型,分析了复合材料中孔隙率对连接接头残余应力的影响.同时,通过试验测试了不同孔隙率对连接强度的影响,其试验结果与计算结果一致,证明了所提出的计算方法的正确性.     

残余应力对加工变形影响的分析与模拟

为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势。结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合。采用有限元法进一步研究了材料去除过程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同。     

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。     

孔冷挤压残余应力计算与工艺参数确定

本文利用弹塑性理论建立了孔冷挤压的载荷，位移，应力以及残余应力分布表达式，并对与疲劳寿命紧密相关的切向残余应力计算式进行了实验验证，实验结果表明理论计算与实验结果是基本符合的。本文还提出了确定合适的挤压量的方法。     

热声激励下高温合金薄壁结构振动响应试验验证与疲劳寿命预测

为了研究金属薄壁结构在热声循环激励下形成的内部残余应力(Residual Stress)对模态频率、响应规律及疲劳性能的影响,采用耦合的有限元/边界元法(FEM/BEM)对薄壁结构进行振动响应计算,重点研究带残余应力结构的动力学响应特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明,不同温度下基频的计算值与试验值获得很好的一致性,计算的应变响应结果与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。最终结合改进雨流计数法(Improved Rain-flow Counting)、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算随机疲劳寿命。结果表明,带残余应力结构在屈曲前后温度为50℃,150℃,250℃所对应的损伤量级分别为10-7,10-4,10-7,疲劳寿命也表现出先减小后增大趋势,且硬化现象使疲劳寿命整体降低,寿命谷值随温度变化发生偏移。     

9310钢螺旋锥齿轮喷丸强化残余应力场计算仿真研究

喷丸加工诱导零件表面产生残余压应力场以提高零件疲劳寿命,是螺旋锥齿轮的关键强化工艺。为准确计算喷丸后齿面残余应力场,基于离散元与有限元耦合的方法提出一种螺旋锥齿轮喷丸工艺计算仿真模型。模型计算结果与试验结果误差在10%以内,表明模型可准确预测齿面残余应力分布。基于该模型,以AISI 9310材料螺旋锥齿轮为研究对象,探讨了喷丸工艺参数与残余应力场特征参数的关联规律。研究发现,本文所用工艺参数加工：（1）喷丸工艺主要影响轮齿表层50μm内的残余应力场;（2）喷丸覆盖率为200%时,弹丸直径和速度的改变,对表面残余压应力影响较小;（3）当弹丸速度和直径提高时,靶板表层最大残余压应力值和最大残余压应力深度都得到明显提高,其中最大残余压应力值可提高到–1251.5 MPa,最大残余压应力深度可提高到40μm。本文建立的残余应力计算模型为螺旋锥齿轮的喷丸工艺参数优选提供了计算工具与方法,把依赖试错迭代的工艺方法上升到可计算、可预测的层面。     

某粉末冶金高温合金涡轮盘破裂转速分析

介绍了平均应力法、平均径向应力修正法、残余变形法、局部塑性应变法等破裂转速预测方法,并采用这些方法对某粉末冶金高温合金涡轮盘破裂转速进行了分析.通过理论预测与试验结果的对比得知:采用平均径向应力修正法、残余变形法、局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好,而采用基于径向应力分布均匀假设的平均应力法推算的破裂转速与试验结果相差较大.      

GH33A高温合金的磨削温度与残余应力

以ＧＨ３３Ａ为例，分析了磨削时传入工件表层热量的百分比；计算了不同深度处的磨削温度，并试验验证了磨削温度场的计算结果。在考虑磨削温度对材料性能影响的条件下，分析计算了磨削残余应力。     

基于DEM-FEM耦合的超声喷丸强化数值分析

为了研究超声喷丸处理过程弹丸与构件之间弹塑性接触状态、应力场及表面状态分布规律，基于显式微粒离散函数的多弹丸撞击模型和Hertz-Mindlin(No Slip)碰撞接触力学定律，建立了弹丸冲击速度与恢复系数之间的模型。针对超声喷丸过程，建立DEM-FEM(离散元-有限元)耦合数值模型，建立ALE自适应网格模型，通过数值模拟研究恒定恢复系数与动态恢复系数对构件表面残余应力、残余应力层深度、表面宏观形貌的影响，恒定恢复系数增加的过程中，表面残余压应力、残余压应力层深度、表面粗糙度均增加，相比残余应力层深度与表面粗糙度，表面残余应力分布极值差低约12%,相比残余应力层深度内外端均值差值，表面残余应力与表面粗糙度差值低约9%～15%。结果表明，在恒定与动态恢复系数下，与残余压应力层深度相比，表面残余应力与表面宏观形貌更容易实现均匀性；与恒定恢复系数相比，动态恢复系数对构件表面引入的残余应力与试验结果误差均低于5%,预测更接近真实值。     

某结构件的非线性弹塑性分析计算

使用有限元软件MSC/Nastran,对某结构件进行了非线性弹塑性计算,分析对比了结构应力以及残余应力与材料屈服极限之间的关系,计算结果与试验值基本吻合,说明使用该软件进行工程结构非线性弹塑性计算是准确的。     

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。     

钛合金焊接薄板残余应力有限元数值分析

研究钛合金焊接薄板残余应力的大小和分布,对于研究钛合金焊接件的疲劳寿命,具有十分重要的理论和工程实际意义.利用ANSYS分析了钛合金焊接薄板的实际焊接温度场以及应力场的变化和残余应力的分布.计算结果表明,焊接熔合区存在较大的残余拉应力.     

残余应力超声测量技术影响因素研究

针对大型空间站寿命和质量进一步提高带来的残余应力精确测量问题，开展了影响残余应力测量准确性的因素和校正方法研究，在对温度、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等原因分析的基础上，对主要影响因素引起的测量误差进行试验测定。试验结果表明：温度变化、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等因素都可能引起较大的测量偏差，需引入温度补偿系数、表面粗糙度试块校正、优选耦合剂等修正与控制方法；有效控制影响因素，能够提高超声波检测残余应力的精准度，减小测量误差。该研究可为超声波残余应力测试技术在航天器舱体结构的应用发展提供技术参考。     

材料初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的影响研究

C/SiC热残余应力影响材料服役性能,而初始缺陷影响热残余应力,因此有必要对平纹编织C/SiC复 合材料的初始缺陷与热残余应力的关系进行研究。通过试样截面扫描电镜(SEM)图像对材料各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,建立含初始缺陷的宏观材料的代表体积单元(RVE)和纤维束 RVE有限元模型;采用 稳态变温法及有限元细观计算力学(FECM)方法预测含初始缺陷的纤维束 RVE有效性能参数及热残余应力。结 果表明：应力预测值与试验值吻合较好,得到了各类初始缺陷与宏观材料热残余应力之间的定量映射关系。     

用残余应力确定涡轮盘应变循环研究

提出了一种避开瞬态温度场测试而通过残余应力计算得到最大应力应变循环的方法。应用以应力释放位移为几何边界条件的残余应力确定法对某型发动机高压涡轮盘进行了残余应力分析,得到了涡轮盘中心孔与径向销钉孔交界处的残余应力,并计算了该危险点最大应力应变循环,预测了低循环疲劳寿命。研究结果表明,该方法可以较准确地确定影响零部件寿命主要因素的最大应力应变循环。      

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。     

喷丸残余应力及夹杂影响小裂纹仿真概率模型

提出考虑喷丸残余应力及内部夹杂影响的随机内部小裂纹形核扩展概率模型，实现构件内部疲劳裂纹萌生过程的仿真。针对高温合金X，在开展试验的数据基础上，识别模型所需的残余应力分布参数、“形核相关”夹杂尺寸分布参数、微观结构相关塑性本构参数及小裂纹形核扩展参数。模型成功预测喷丸等直棒两种主要的形核方式：残余拉应力平衡层夹杂形核及无残余应力区夹杂形核。与试验对比，模型预测内部裂纹萌生寿命及其分散精度高，残余拉应力平衡层预测萌生寿命中值误差为2%，-3σ寿命误差为37%，无残余应力区预测萌生寿命中值误差为3%，-3σ寿命误差为3%；此外，模型仿真的内部裂纹形貌为“鱼眼形”，贴合试验件断口形貌。     

基于光学畸变要求的注射成型透明平板应力翘曲分析

研究了注射成型翘曲应力计算模拟对成型透明件光学畸变预测的意义.首先建立了残余应力计算模型和翘曲计算模型,采用了HsCAE软件的相应模块,对透明平板注射过程中的残余应力、翘曲变形及收缩进行了分析.结果表明,平板边缘的残余应力和厚向收缩大而且不均;而中间区域的残余应力和厚向收缩率小且比较均匀;平板中间区域的翘曲变形量最大,且沿平板平面向四周均匀递减.实测了注射成型平板的外形尺寸,验证了模拟结果.光学畸变测试表明,计算模拟显示残余应力和厚向收缩分布不均的区域光学畸变相对严重,而残余应力和厚向收缩均匀的区域具有低光学畸变;翘曲变形均匀也有利于获得低光学畸变,从而显示了翘曲应力的计算模拟对光学畸变预测的指导意义.     

基于云纹干涉与钻孔法的等离子热障涂层残余应力实验研究

应用云纹干涉法与钻孔法结合的光测力学实验方法,研究了等离子热障涂层基体材料镍基高温合金DZ125的残余应力。通过实验和计算获得了等离子喷涂工艺下基体DZ125的残余变形场、残余应变场和残余应力,并描述了其主要特征。结果表明,采用云纹干涉法与钻孔法结合测定热障涂层残余应力具有全场测量和高灵敏度等优点,这对于采用光学手段研究热障涂层残余应力有着积极的意义。     

7085铝合金残余应力及加工变形的数值仿真与试验

毛坯残余应力的测量以及零件的加工变形分析是航空整体结构件数控加工工艺研究的难题。应用MSC.Marc软件对某型飞机主起支撑接头的7085铝合金锻件毛坯的淬火-压缩工艺进行了数值仿真,获得了毛坯残余应力分布趋势;应用X射线衍射法与钻孔法测量了毛坯表层残余应力分布,提出了基于系数修正法的毛坯残余应力分析方法,通过最小二乘法（LSM）拟合仿真值与试验值以获得应力修正系数,并对毛坯残余应力分布的仿真结果进行修正,获得了实际毛坯的残余应力分布;由此进行了主起支撑接头缩比零件加工变形仿真与验证试验。研究结果表明：7085铝合金块状毛坯残余应力数值仿真结果与测试结果的趋势吻合,为应力修正提供了物理基础;相对于未修正的应力分布,基于修正后的应力分布仿真获得的变形结果精度提高了50%;7085-T7452铝合金的毛坯残余应力是导致主起支撑接头加工变形的主要因素。