宽温域下柔性接头界面损伤及密封可靠性数值研究

界面失效是固体火箭发动机柔性接头的重要问题。为研究宽温域(-55℃～65℃)下柔性接头摆动过程中界面的损伤规律,基于ABAQUS 6.14建立了柔性接头的三维非线性有限元分析模型,并采用内聚力模型作为粘接界面的本构模型,获得了界面的损伤参数。此外,结合界面间的接触应力,提出了一种计算柔性接头密封可靠度的方法。结果表明,宽温域下粘接界面与丁异戊橡胶的力学性能随温度的升高而逐渐下降,说明柔性接头在高温段更容易发生失效;并且确认了柔性接头密封可靠度与界面损伤间成反比关系,宽温域下随着温度升高,柔性接头损伤程度先缓慢增大,-40℃后出现迅速增加,而柔性接头密封可靠度先呈线性下降趋势,20℃后下降趋势放缓,-55℃时柔性接头密封可靠度最大。     

固体火箭发动机柔性接头拉伸载荷下强度分析

柔性接头是固体火箭发动机摆动喷管的执行部件,由若干同心的环状球体的弹性件、增强件以及前后法兰相互交替地粘接在一起而成,采用轴对称有限元法对柔性接头在拉伸载荷下进行了强度分析,得到了在0.5MPa弹射压强的拉伸载荷作用下柔性接头应力分布,由此计算弹性件与增强件之间界面最大拉应力及层间剪应力分别为2.34MPa和0.28MPa,界面粘接强度满足使用要求。      

形状记忆合金梁式管接头密封性能数值研究

针对一种阴接头密封梁具有椭圆弧凹槽的形状记忆合金梁式管接头,利用ABAQUS软件建立考虑管内流体压力和温度的弹塑性有限元热力耦合模型,数值模拟得到阴、阳接头间的接触带宽和接触应力分布。基于逾渗理论与微观粗糙密封界面有限元接触分析,计算得到形状记忆合金材料密封界面泄漏概率为零的临界接触应力。结合第一道密封的接触应力分布,以S指数作为形状记忆合金梁式管接头密封性能的评价指标,数值模拟了预紧力、管内流体压力和温度对形状记忆合金梁式管接头密封性能影响。结果表明：在装配拧紧力矩范围内形状记忆合金梁式管接头密封性能随着预紧力增大而增强;密封性能随着管内流体压力的升高会提高,具有良好的自封性;在-50～200℃的管内流体温度范围内密封性能基本稳定,满足密封要求。数值分析表明在相同工作条件下形状记忆合金梁式管接头相比于不锈钢和钛合金梁式管接头具有更优的密封性能。     

小型柔性接头推力矢量性能试验

设计了结构尺寸相同,弹性件材料分别为天然橡胶和硅橡胶的小型柔性接头,测试了容压作用下的轴向压缩位移,考察了弹性比力矩随温度(-50～70℃)、容压的变化情况.另外,为检验应力估算经验公式对小型柔性接头的适用性,测试了增强件内侧环向压缩应力.结果表明:柔性接头轴向压缩刚度随容压升高呈现一定程度的非线性增大趋势;弹性比力矩在0°～6°摆角范围内基本恒定,不同柔性接头弹性比力矩随容压升高呈现不同变化趋势;天然橡胶弹性件柔性接头弹性比力矩在低温下显著增大,硅橡胶弹性件柔性接头弹性比力矩在-50～70℃温区稳定;由燃烧室压强引起的增强件环向压缩应力经验公式估算值过大,不适用于小型柔性接头.      

宽温域柔性接头弹性件本构模型适用性研究

针对宽温域丁异戊橡胶弹性件开展了-55、-40、20、65℃下的单轴拉伸试验与剪切试验,研究其在不同温度下本构模型的适用性,验证了本构模型由一种变形对其他变形的预测能力,在此基础上采用有限元方法分析了各模型的计算误差,确定了丁异戊橡胶在不同温度不同应变下所适用的本构模型。结果表明,阶数越高的本构模型预测能力越差,低阶的Neo-Hookean模型预测能力最好,同时在丁异戊橡胶弹性件的有限元计算中,-55～20℃本构模型采用Yeoh模型与三阶五项式模型最好,20～65℃采用Yeoh模型计算精度最高。     

温度对小型柔性接头力矩特性的影响

为了研究柔性接头在固定压强下力矩特性随温度的变化，设计了弹性材料为硅橡胶的小型柔性接头，测试了一系列0.1MPa容压条件下柔性接头在正弦激励下的动态特性，获得了不同温度时接头的摆角力矩曲线。根据接头在摆角为0°时的力矩获得摩擦力矩，根据摆角力矩曲线的近线性部分获得弹性比力矩，在此基础上研究了温度对各个力矩的影响。结果表明:作动力矩随温度的升高而减小，但温度对作动力矩的大小影响很小，库伦摩擦力矩随温度的升高而增加，弹性比力矩和总比力矩因发生热弹逆变现象随温度的升高先减小后增加，动态弹性模量和损耗系数随温度的升高而降低，能量损耗受动态弹性模量和损耗系数变化影响随温度的升高而降低.      

电铸镍与不锈钢焊接接头力学性能的研究

本文概括了电铸镍与不锈钢焊接接头在超低温〈-253℃〉至高温〈500℃〉下的力学性能试验结果。接头一般呈塑性断裂,断裂位置均为电铸镍一侧的半熔化区,并随着温度的升高,强度呈显著下降趋势。     

后处理温度对邻苯二甲腈基复合材料高温性能的影响

制备了MT300/邻苯二甲腈复合材料,分析了不同后处理温度对其在室温和400℃下力学性能的影响。结果表明,复合材料的后处理温度由315℃提高到330℃,会使其室温下的弯曲强度和模量明显提高;但继续提高后处理温度至375℃,室温下的弯曲强度则不断下降而弯曲模量未出现显著变化;在400℃的测试温度下,复合材料的弯曲强度、模量和压缩强度则均随后处理温度提升逐步提高。复合材料的室温压缩性能随后处理温度升高呈下降趋势,但在350℃处理后其室温压缩强度又出现明显上升。室温、400℃下层间剪切强度则均随后处理温度由315℃升高至375℃而呈先下降后上升趋势。     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

振动载荷对立贮式发动机粘接界面损伤影响

为研究长期舰载环境下振动载荷对立贮式固体发动机粘接界面损伤的影响,计算了不同浪级下的界面剪切应力变化,利用自制的粘接试件开展了振动试验,测试了不同振动加速度和不同振动时间下的界面力学性能,根据计算和试验数据推导了某海域舰载值班时发动机界面损伤模型,分析了在某海域连续舰载值班一年振动对发动机界面损伤的影响。结果表明,发动机舰载值班过程中平均界面剪切应力变化幅值与浪级间的关系为|Δτ_l|=9.375l~4-150.69l~3+846.88l~2-1748.41l+2917.86;在只考虑振动条件下,舰载值班时间相同,界面最大剪切应力强度随着浪级的增大下降越来越明显,同一浪级下,界面最大剪切应力强度与振动时间呈线性关系;在某海域长期连续舰载值班时受振动载荷影响粘接界面损伤与值班时间的关系为D=6.5×10~(-4)t-4.68×10~(-4),发动机在该海域连续值班一年振动载荷使发动机损伤值至少增加23.68%。     

玻璃纤维-铝锂合金层板基于飞机服役环境的高低温性能研究

为了探究玻璃纤维-铝锂合金层板(NFMLs)应用于飞机蒙皮结构时的服役性能,开展了该材料在-55~120℃温度条件下的力学性能研究。采用浮辊剥离和层间剪切试验评价其层间性能,通过拉伸、弯曲及面内剪切试验评价其静力学性能,并基于混合理论对NFMLs在高低温下的屈服强度进行计算分析。结果表明,NFMLs层间性能随温度升高整体呈下降趋势,拉伸弯曲强度具有优异的高低温性能,但刚度下降明显,屈服强度的变化规律较纯铝合金有所不同。NFMLs在-55~70℃范围内具有优异的高低温性能,120℃时性能明显恶化。     

连接参数对Ti53311S 高温钛合金TLP 连接接头性能的影响

采用Cu作为中间层实现了Ti53311S合金的TLP连接,通过SEM、EDS方法分析了接头界面的微观组织,研究了接头界面微观组织及力学性能随TLP连接温度及保温时间的变化规律。结果表明:TLP连接接头的典型界面结构为Ti53311S/β-Ti/Ti、Cu(Sn)金属间化合物/β-Ti/Ti53311S。随着TLP连接温度的升高或保温时间的增加,焊缝宽度逐渐增加,Cu元素向母材侧的扩散程度更加充分,化合物相分解消失,接头室温抗拉强度先大幅升高后趋于稳定,连接工艺为980℃/20 min时,接头抗拉强度达到最大值899 MPa。     

固体火箭发动机柔性接头贮存老化可靠度研究

测试了某固体火箭发动机柔性接头在使用环境贮存１０年的老化性能,在此基础上,研究了柔性接头结构的可靠性问题,得到了柔性接头贮存老化前后摆动力矩不满足使用要求、弹性件破坏及粘接界面破坏的概率。     

用急冷Al基活性钎料钎焊Si3N4陶瓷的研究

研制了三种急冷Ａｌ基活性钎料。研究结果表明：急冷Ａｌ基活性钎料的组织明显细化，熔点明显下降，基体硬度升高。在较低的钎焊温度（７５０℃）下，下加Ｎｉ粉的接头的剪切强度较高（２０８．８ＭＰａ）。钎焊温度对接头强度影响较大。当超过一定钎焊温度后，接头强度明显下降；加Ｎｉ粉复合钎焊可明显提高接头的剪切强度，在钎焊温度为８００℃时接头的最高剪切强度为２２５ＭＰａ，加Ｎｉ粉的复合接头在界面两侧形成均匀分布富Ｎｉ带。这是接头强度提高的主要原因。     

含初始缺陷的复合固体推进剂力学性能

为研究含初始界面缺陷的复合固体推进剂力学性能,基于周期性假设和分子动力学算法构建复合固体推进剂细观结构模型,在高氯酸铵(ammonium perchlorate,AP)颗粒与端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应。通过相应算法实现对界面缺陷单元的自定义,基于商业有限元软件ABAQUS数值计算存在初始界面缺陷的推进剂的宏观力学响应,其应力-应变云图表明缺陷界面处会更早达到损伤条件发生脱粘,缺陷的存在会加速推进剂的断裂失效的进程。通过对比不同界面缺陷含量的仿真结果,发现界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及抗拉强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势。     

铝合金-胶膜压印/粘接复合连接工艺及接头失效分析

以热熔胶膜作为粘接剂，开展压印/粘接复合连接工艺试验研究，基于Box-Behnken设计（BBD）方法，建立因素（冲压力、胶膜厚度、板材硬度）与响应值（能量吸收值、失效载荷）之间的多元回归方程，辨析因素与响应值之间的内在联系，结合接头机械内锁结构的有限元模型，分析接头断裂失效模式。结果表明：多元回归模型具备较高的显著性且拟合程度高，能量吸收值、失效载荷的试验值与预测值的最大误差分别为7.9%、11.42%，验证了模型的可靠性。冲压力与能量吸收值和失效载荷均呈正相关性，胶膜厚度对能量吸收值和失效载荷的影响均呈先减小后增大的趋势；胶膜的加入对接头的力学性能有较明显的提升；当接头受拉时，接头发生以拉脱失效和混合失效（拉脱和颈部断裂同时发生）为主的失效模式，有限元分析与试验吻合较好。     

柔性接头疲劳摆动寿命分析研究

通常柔性接头在进行全周大角度摆动时易发生疲劳失效.为探究柔性接头摆动寿命与损伤机理,基于裂纹成核理论,提出了一种预估柔性接头疲劳寿命有限元计算方法,并分别预估了1MPa,3MPa,5MPa,8MPa内压下柔性接头摆动4.5°的疲劳寿命.结果表明,柔性接头疲劳失效最易发生于与前法兰相连的弹性件上,在内压3MPa左右时疲劳...     

温度对2E12铝合金疲劳性能与断裂机制的影响

采用疲劳实验、SEM及TEM等分析测试手段,研究温度对2524-T4合金疲劳寿命及断裂机制的影响.实验结果表明,服役温度对合金疲劳寿命及断裂机制有显著的影响,温度升高导致合金在寿命106次条件下疲劳强度降低,100℃合金的疲劳强度较-55℃下降约30MPa.由于不同温度条件下疲劳过程中位错、二次相及晶界间相互作用机制的不同,-55℃条件下合金断裂表现出较强的晶体学裂纹特征,室温和高温条件下断口主要以穿晶断裂为主,同时伴随局部沿晶断裂特征.     

温度和速度对加炭黑氯丁胶与黄铜粘接性能的影响

本文研究了试验温度和速度对加炭黑氯丁胶与黄铜粘接性能的影响。结果表明:当不加硫磺氯丁胶样品与黄铜粘接时,在所有试验温度和速度下都出现界面破坏,且界面破坏能 Gi 随着试验温度的降低而增加,随着试验速度的增加而增加。当含有0.5份以上硫磺的氯丁胶样品与黄铜粘接时,在-10℃以上的所有试验温度和速度下都出现橡胶层的内聚力破坏,且内聚力破坏能 G_c 随着试验温度和硫含量的增加而减少。在较低硫含量的样品或较低试验温度时,G_c 随着剥离速度的增加而减小。这一现象可能是由于橡胶的应变诱导结晶所致。     

胶接点焊接头拉伸声发射信号分析及其损伤模型北大核心CSCD

基于Box-Behnken Design响应面法开展胶接点焊工艺试验,分别采集了胶接点焊、点焊、粘接三种接头拉伸过程的声发射信号,采用小波包对信号进行分解重构,分析了三种接头的信号特征,同时结合撞击计数历程图对焊核失效断口进行了分析,并通过累计撞击计数建立了试件的损伤模型。结果表明:三种接头在屈服阶段和断裂阶段的声发射信号较为丰富;胶层失效和焊核拔出失效可以通过声发射信号特征进行区分,其中胶层失效时其声发射信号频率主要集中在0~62.5 kHz,焊核拔出失效时其声发射信号频率主要集中在31.25~281.25 kHz;声发射撞击计数历程图可以从总体上反映焊核失效过程;建立的损伤模型可以较好地表征试件损伤状态。