冲压发动机管路断裂故障分析及结构改进

针对发动机管路系统断裂故障,开展故障机理分析。通过软件仿真和试验相结合的结构模态分析,找出模态振型与疲劳破坏的联系,对管路结构断裂故障原因进行初步定位和定性分析。利用ANSYS nCode DesignLife软件对结构开展随机振动疲劳寿命计算,总结了随机振动疲劳计算流程和设计方法。仿真预示的管路结构断裂位置与试验结果基本一致。提出多个结构改进方案,利用振动疲劳仿真计算对不同改进结构进行定量的疲劳寿命预测,优选出最佳方案。优化方案提高了管路结构的抗振性能,降低了RMS应力值和损伤,在主要破坏工况(x向振动)疲劳损伤寿命提高到3.2×107 s,其余振动方向疲劳损伤寿命分别提高到202%(y向)和190%(z向)。通过试验考核验证改进措施有效。     

液体火箭发动机推力室喉部结构热疲劳寿命预估研究

为了准确预估液体火箭发动机推力室喉部结构的热疲劳寿命,采用热-力耦合方法对推力室喉部结构在整个循环加载过程中的变形进行数值模拟。以最危险的温度最高和变形最大处为考察点,在多次循环载荷下,综合运用循环疲劳和准静态疲劳理论,对数值计算结果进行分析,预估了结构的热疲劳寿命。研究表明:单次循环下,喉部结构寿命预估值最小,偏保守和安全,因而推荐工程设计和工程应用最优先参考。     

巡天任务复杂工况下超静平台作动器疲劳寿命评估

为研究超静平台作动器的疲劳寿命特性，以其在轨执行巡天任务时的复杂工况分析为出发点，开展了典型工况下的超静平台物理试验，获取作动器实测载荷数据；采用有限元仿真模型进行疲劳损伤系数计算，根据“累积损伤-临界损伤”干涉模型进行累积损伤建模，推导了基于损伤系数外推的作动器概率疲劳寿命解析模型；利用最大损伤系数对应工况进行试验载荷谱设计，开展作动器疲劳寿命试验获取疲劳寿命分布，结合模型计算给出超静平台上不同损伤系数对应作动器的疲劳寿命评估结果。结果表明，运用建立的方法及模型，能够结合超静平台巡天任务工况，利用基于载荷谱编制的疲劳寿命试验结果，计算出平台上各作动器可靠度随在轨时间变化规律及概率疲劳寿命，可为超静平台作动器等一类在轨工况及载荷谱复杂、多样的空间运动机构提供一种真实有效的寿命评估技术途径。     

常规载荷与振动环境共同作用下导弹接头吊耳的疲劳寿命计算

针对导弹接头吊耳在常规载荷和振动环境共同作用下产生的疲劳问题,提出了一种结构疲劳寿命预测方法。首先,基于两种载荷作用下金属材料的疲劳失效特征共性,建立了对应载荷下两种疲劳损伤的累加规则;其次,采用Miner理论和Dirlik模型分别计算两种载荷下结构的疲劳损伤值;最后,通过对两种疲劳损伤的综合计算,建立了结构疲劳寿命的预测方法。使用该方法对导弹接头吊耳在两种载荷共同作用下的疲劳寿命进行了分析计算。     

特种结构固体火箭发动机燃烧室随机振动疲劳分析

随机振动下固体火箭发动机的疲劳破坏分析与疲劳寿命准确预测一直是困扰固体发动机设计的难题。通过模态分析、随机振动分析和基于高斯分布的三区间法、Miner疲劳累积损伤理论进行的疲劳计算，仿真分析了一种特种结构固体发动机燃烧室经过随机振动试验后的疲劳破坏规律及影响因素。结果表明，发动机燃烧室在经历径向随机振动激励时，结构响应最大，最大等效应力位于与燃烧室壳体交界附近的装药杯支撑杆上，是发动机燃烧室的最薄弱处;发动机燃烧室存在90、294、411 Hz三个共振频率，设计时要注意避开。极限随机振动试验表明，振动60 s时，燃烧室未发生疲劳破坏，而振动15 min发生了疲劳破坏，这与仿真的结果是吻合的，验证了数值振动模型和疲劳破坏计算方法的有效性，可为预测固体火箭发动机的疲劳破坏和疲劳寿命提供参考和指导。     

基于数据匹配的机载外挂装备部件振动试验优化设计方案

单独对喷气式飞机外挂某装备的部件开展振动试验时出现了过试验,造成该部件功能失效,与飞行实际情况不符。为此提出了振动响应数据匹配要求。根据随机振动理论分析了导致试验频响数据与实测数据差异的工程因素。通过控制方案研究、加载部位及载荷传递路径模拟以及夹具频响特性设计改进,实现了该部件振动试验响应数据与实测数据的匹配。采用该试验方法能够有效避免过试验,提高振动试验模拟的真实性和有效性。     

振动与疲劳

木文综述了随机振动环境所致疲劳损伤及破坏,即振动疲劳的概念、损伤模型、疲劳裂纹扩展及疲劳寿命估算公式,以及相应的振动疲劳试验方法。探讨了宽带随机振动环境下,振动疲劳的理论计算与试验方法。最后展望了振动疲劳在航天领域的应用前景。     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析。分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究。使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了雨流计数,获得了用于裂纹扩展计算的应力循环谱块,研究了疲劳试验的应变循环峰值、幅值等时域分布特征;采用Newman闭合理论对长裂纹的NASGRO裂纹扩展速率曲线进行修正,给出了试验件材料的相关参数;最后,使用一种疲劳应力谱块平均施加方法进行了裂纹扩展寿命的快速计算。通过与试验结果对比,验证了计算方法有效、可靠。     

薄壁加筋壳强度变差系数仿真预估方法研究

针对运载火箭结构价格昂贵，通过试验获取强度变差系数困难问题，提出了基于产品实测数据仿真预估强度变差系数方法。以轴压载荷作用下的1 m直径薄壁正交网格加筋圆柱壳试验件为对象，开展了实现技术途径及试验验证研究。测量并统计试验产品材料性能、结构尺寸及几何形貌不确定性；应用双重傅立叶级数对实测几何形貌表征，将其引入到结构理想有限元分析模型，实现极限强度精确仿真分析；采用混沌多项式展开（Polynomial Chaos Expansion，PCE）代理模型，实现考虑关键参数不确定性的极限强度高效模拟打靶和强度总体变差系数预估；并开展了3个试验件的轴压强度破坏试验验证。结果表明，预估的强度变差系数可很好包络试验样本变差系数，具有较高可靠性的同时，相对历史统计数据有较大降低，对实现结构可靠性安全系数的精确量化设计，挖掘现代先进结构承载潜力有重要意义。     

激励频段对航天器随机振动载荷的影响

在航天器随机振动等效准静态载荷计算中,高频因对随机振动载荷的贡献较小而可以被截去,但目前截止频率的选择还未有完全确定。为确定随机振动环境下的计算频段,文章设计了不同动态特性的组件进行不同截止频率的随机振动试验,并根据试验数据分析研究了不同特性组件在不同振动频段下应变的变化规律。研究结果认为,对于一般组件,随机振动的计算截止频率可取为组件主频率的1.5倍。针对非均匀输入加速度谱的随机振动载荷计算问题,文章提出分频段的分析方法。按3个基本频段计算随机振动载荷,分析得到了不同频段对总随机振动载荷贡献大小和规律,以及截止频率误差的影响因素和影响大小。算例表明,分频段法可以用于不同状态输入加速度谱的随机振动载荷计算。     

船载雷达随机振动疲劳寿命分析

振动疲劳作为结构破坏失效形式之一，正日益得到重视。传统的船载雷达设备设计往往仅考虑静强度，从而导致结构抵抗疲劳破坏的能力不足。从模态分析的角度入手，利用模态叠加法进行随机振动分析，得到结构的各向应力功率谱密度。在此基础上进行基于Von Mises应力的谱分析，并分别从宽带和窄带过程的角度进行了疲劳寿命估算，最后对某船载雷达进行了随机振动疲劳分析。结果表明，船载雷达结构在满足静强度条件下，不一定能够满足抗疲劳性能要求。从模态振型分析的角度改进了结构设计，分析验证表明，改进后结构能够满足随机振动疲劳寿命要求。     

基于临界平面法的缺口件疲劳寿命预测方法

利用弹塑性有限元分析得到缺口件的应力、应变历史，分别计算任意材料平面上的描述拉伸和剪切疲劳破坏的两种损伤参量，取最大损伤参量所在的平面为临界平面，并利用最大损伤参量预测拉伸和剪切疲劳寿命，取小值为缺口件的疲劳寿命，进而得到一种预测缺口件疲劳寿命的预测方法。用此方法预测了SAE1045钢缺口件的疲劳寿命，并与实验值进行比较，误差分布在2—3倍因子范围之内。     

星载复杂组件随机振动试验载荷设计方法改进

针对现有的复杂组件随机振动试验载荷设计方法在某些加载方向常给出远大于实际数值的载荷预示,而难以满足组件研制单位的载荷裁剪需求的问题,文章提出了一种改进的载荷设计方法,将随机激励功率谱密度描述为关于组件质量的系数含待定参数的分式函数,并利用总均方根加速度实测值确定待定参数。对比了改进方法与两种现有方法对典型组件随机振动载荷的预示精度。结果表明,改进方法可以显著降低预示误差,从而为星载复杂组件结构与机构优化设计提供合理的约束条件。     

管路焊接结构的随机振动疲劳损伤分析

航天飞行器管路结构在随机振动载荷作用下产生疲劳损伤,可能导致管路焊接结构的疲劳失效,影响飞行器正常飞行.为此,开展飞行器管路焊接结构的疲劳损伤分析研究.首先建立管路结构的有限元模型,并通过计算模态分析和试验模态分析验证模型的准确性;然后考虑材料疲劳特性的离散性,推导焊接材料的P-S-N曲线以及疲劳损伤的计算表达式;随后...     

3σ准则应用对结构疲劳损伤评价的影响分析

工程研究中经常要应用3σ准则来实现随机振动过程的时域、频域转换。文章应用疲劳损伤分析的频域方法,讨论了3σ准则的应用对于振动疲劳损伤累积评价结果的影响。应用满足Rayleigh分布的窄带模型及其4种典型的修正方法分析疲劳影响因子,数值模拟结果表明,3σ截断后的疲劳损伤累积仅占全部疲劳损伤累积的约70%（取m=6）,与材料疲劳参数m有关,且基于窄带模型的疲劳影响因子分析方法具有一定程度的通用性。