热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证

为了研究航空薄壁结构高温随机振动疲劳破坏机理,得到可靠的疲劳寿命分析方法,针对根部固支的GH188薄壁结构进行了数值仿真。重点研究了不同温度和不同振动量级组合下,薄壁结构危险点位置轴向动应力响应规律。采用改进的雨流计数法绘制出雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵,结合疲劳累积损伤理论估算薄壁结构的疲劳寿命。通过高温随机振动疲劳试验对上述仿真结果进行验证。结果表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,不同温度和随机振动载荷作用下响应的计算值与试验值获得很好的一致性,响应峰值频率误差在1%~3%,结构疲劳寿命与试验结果处于同一量级,证明了高温随机振动疲劳分析方法的有效性和精度以及仿真结果的可靠性。     

薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证

数值研究了热声载荷作用下薄壁结构的动态响应,并开展了薄壁结构的热声激振试验,获取了薄壁结构的热模态频率与不同热声载荷下的动态响应结果。采用热声疲劳寿命预估模型,仿真分析了薄壁结构疲劳寿命随声压级和温度的变化规律。试验与仿真结果对比表明,试验与仿真的模态频率具有一致性,应变响应量级相同。屈曲系数由0增加到1.8,GH188金属薄壁结构疲劳寿命呈先降低后增大趋势。验证了热声试验方法的合理性与可靠性,以及薄壁结构热声响应仿真方法与模型的有效性。薄壁结构在屈曲前/后过程中表现出稳定-失稳-再稳定的过程。     

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命，结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

高速热流下薄壁结构声振响应分析及寿命预估

现代飞行器飞行过程中发动机薄壁结构受高速热流冲击面临着极为严酷的工作环境,使结构产生大挠度动力学响应以及疲劳损伤破坏现象。为获取难以实测的热流冲击下结构声振响应规律及疲劳破坏时间,采用耦合有限元/边界元的方法进行数值模拟分析与热声疲劳试验相结合的方法,根据载荷效果构建与试验件尺寸完全一致的数值仿真模型,对热声载荷下薄壁结构进行仿真计算。采用功率谱密度（PSD）法分析频率响应峰值随声载荷变化规律,并通过改进的雨流计数法对声振响应数据进行统计分析,得到疲劳寿命时间。并对比声振响应仿真计算结果与试验结果发现误差小于2%,验证了数值仿真的可靠性。在此基础上,对高速热流冲击作用下薄壁结构进行数值仿真分析,通过分析频率响应峰值随温度和流速的变化规律获取不同温度各流速下结构声振响应及疲劳寿命变化规律,并阐述造成这种变化的原因。本文完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构响应分析和寿命预估提供参考依据。     

热流环境下薄壁结构随机振动响应计算与疲劳分析

针对高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应变化规律与疲劳失效问题,进行了数值仿真计算与高温随机振动试验。通过对比仿真计算结果与试验结果发现模态误差小于28%,应力响应误差小于4%。结构疲劳失效时间误差小于3 430 s,验证了此仿真方法的可用性与准确性。使用该数值仿真方法,基于耦合的FEM/BEM（有限元/边界元）理论,通过Fluent软件模拟高速热流环境,实现了高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应的计算。获取了薄壁结构在不同振动量级与热流环境影响下动力学响应与疲劳失效时间。分析不同环境温度各流速下结构热随机振动应力响应及疲劳失效时间变化规律,并阐述造成这种变化的原因。完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构热随机振动疲劳失效时间预估提供参考依据。     

航空薄壁结构高温声疲劳应力工程分析方法

薄壁结构的动力特性及动态响应分析是声疲劳分析以及寿命估算的基础。针对结构声疲劳问题,总结了国内外计算薄壁结构在高温环境下的声激励应力响应的几种主要的工程分析方法,包括模态分析法、有限元法等;在此基础上,对上述计算方法的优点和局限性进行了相关的阐述,同时还对薄壁结构的声疲劳研究进行了展望。     

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。     

热声载荷下薄壁开孔结构振动响应与寿命预估

金属薄壁开孔结构在强热声载荷下,表现出大挠度强非线性响应特性,疲劳寿命缩短。基于时域的基础上,利用有限元法(FEM)结合降阶模态法(ROM)获取4边固支开孔薄板在不同热、声载荷组合下的位移和应力的动态响应,并进行响应时间历程和功率谱(PSD)的统计分析。采用雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明:屈曲后的位移响应由热声载荷的相对强弱决定。此外,屈曲前结构随热、声载荷的增加,寿命缩短。屈曲后,持续跳变使得结构的寿命缩至最短;进入间歇跳变区域,间歇时间短的跳变要比间歇时间长的跳变造成的结构损伤大,即快频跳变引起的损伤更大。跳变结束后,随着温度的升高,寿命先延长后缩短。     

声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

Fatigue life research and experimental verification of superalloy thin-walled structures subjected to thermal-acoustic loads

Rapid alternating stress is formed in structure subjected to harsh thermal-acoustic loads, which will affect fatigue performance and reduce fatigue life seriously. First, fatigue experiment of superalloy thin-walled structure was carried out to obtain fatigue damage location and failure time of the experiment specimen, and S-N curves of superalloy thin-walled structure at 723 K were fitted. Then, dynamic response simulation of superalloy thin-walled structure under the same load as experiment was implemented, and fatigue life was estimated based on the fatigue life prediction model which mainly included: improved rain-flow counting method, Morrow average stress model and Miner linear cumulative damage theory. Further, comparisons between simulation solutions and experimental results achieved a consistency, which verified the validity of the Fatigue Life Prediction Model (FLPM). Moreover, taking a rectangle plate as the analysis object, the distributions of Fain-low circulation blocks and damage levels of the structure were discussed respectively. Finally, current research indicates that in pre-buckling the structure is in softened area and fatigue life decreases with the increase of temperature; in post-buckling the structure is in hardened area and fatigue life increases with the increase of temperature within a certain range.     

热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性

 高速飞行器面临着严酷的高温强噪声环境。温度载荷不仅使结构产生热应力,还会改变材料的物性参数,这使得薄壁结构在宽频噪声激励下具有复杂的运动形式,表现出强非线性特性,严重影响了结构的疲劳寿命。针对热声载荷对结构非线性特性的影响,建立了热声载荷下的非线性大挠度偏微分控制方程,对偏微分方程使用Galerkin法得到了模态坐标下的常微分方程组。计算了四边简支矩形钛合金板在不同温度和声压级(SPL)组合下的动态响应,得到了典型的热声响应运动形式,包括屈曲前的线性随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。通过分析方程中的恢复力项和响应的功率谱密度(PSD)随着温度和SPL的变化规律,对热声响应的非线性特性进行了研究。研究结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同:热载荷改变结构刚度特性曲线的形状,以临界屈曲状态的刚度为参照,屈曲前降低结构刚度,屈曲后增加结构刚度;噪声载荷使得结构工作在刚度曲线的不同区域,以不受载荷时的结构刚度为对照,强噪声载荷引起的持续跳变使得结构工作在硬化区域,间歇跳变时结构工作在软化区域。     

热振环境下钛合金薄壁结构疲劳寿命

由于钛合金薄壁结构长时间在飞行热振环境下结构内部产生不断变化的应力,可能引起结构疲劳失效,因此借助振动试验台搭建了高温振动疲劳测试系统,测定了20、150℃和300℃温度条件下钛合金悬臂薄板结构的随机振动S-N疲劳曲线,并建立了上述温度条件下钛合金悬臂薄板结构的疲劳寿命预测表达式,根据其计算得到的预测寿命与试验件的实际寿命相比误差较小,300℃、45.36 MPa应力水平下误差仅为3.76%。该方法可用于高温随机振动载荷作用下结构的疲劳性能和寿命预测研究。     

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题，开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比，表明两者结果存在一致性，进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上，针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算，获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析，总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图，清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化，并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律，并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

基于雨流计数法和功率谱密度法的随机声疲劳应用研究

针对燃烧室火焰筒结构中的声疲劳问题,研究了2种用于随机声载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。雨流计数法实时计数模型计数简单,直接对载荷时间历程进行计数,克服了以往计数模型的局限性;基于iMner线性理论,提出了基于功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。对某型航空发动机燃烧室火焰筒结构进行了疲劳寿命估算,结果表明2种方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。     

Nonlinear response analysis and experimental verification for thin-walled plates to thermal-acoustic loads

For large deflection strongly nonlinear response problem of thin-walled structure to thermal-acoustic load, thermal-acoustic excitation test and corresponding simulation analysis for clamped metallic thin-walled plate have been implemented. Comparing calculated values with experimental values shows the consistency and verifies the effectiveness of calculation method and model for thin-walled plate subjected to thermal-acoustic load. Then this paper further completes dynamic response calculation for the cross reinforcement plate under different thermalacoustic load combinations. Based on the obtained time-domain displacement response, analyses about structure vibration forms are mainly focused on three typical motions of post-buckled plate,indicating that the relative strength between thermal load and acoustic load determines jump forms of plate. The Probability spectrum Density Functions(PDF) of displacement response were drawn and analyzed by employing statistical analysis method, and it clearly shows that the PDF of postbuckled plate exhibits bimodal phenomena. Then the Power Spectral Density(PSD) functions were used to analyze variations of response frequencies and corresponding peaks with the increase of temperatures, as well as how softening and hardening areas of the plate are determined. In the last section, this paper discusses the change laws of tensile stress and compressive stress in pre/post buckling areas, and gives the reasons for N glyph trend of the stress Root Mean Square(RMS).     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。