热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析

 为了研究航空发动机热障涂层(TBCs)制备过程中残余应力的分布问题,采用大气等离子喷涂技术(APS)在镍基高温合金GH99上制备了热障涂层(CoCrAlY粘结层和ZrO₂陶瓷面层),对热障涂层进行了100~3 500 cm^-1激光拉曼光谱扫描,并采用有限元方法计算了与之对应的热障涂层有限元模型应力分布.分析了涂层系统内部轴向残余应力的分布情况并对比分析了激光拉曼光谱频移及有限元计算结果.激光拉曼分析结果表明:轴向陶瓷层内部呈现压应力,在陶瓷层/粘结层界面处应力达到最大值14.8 MPa,粘结层内呈现拉应力;数值分析应力变化趋势与激光拉曼测试分析结果相吻合.     

热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制

通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物(thermally grown oxides,TGO)层的生长规律分析,研究涂层界面凸起对TGO生长行为的作用机制。结果表明:TGO在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区域;由ANSYS有限元软件应力分析可知,随着界面粗糙度的增加(10μm增至20μm),涂层的界面应力增加(185 MPa增到406 MPa);TGO层的厚度增加(1.6μm增至9.3μm)同样会使界面应力增加(142 MPa增大到574 MPa);此外,在高温氧化过程中,陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力,凹陷区域为压应力;拉应力能够促进TGO层的快速生长,压应力则会抑制TGO的生长速率;在保证涂层有效结合强度的前提下,降低粘接层的表面粗糙度,能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓TGO的生长速率,从而提高热障涂层高温稳定性。     

高负荷弧形轮毂涡轮盘结构分析与优化

为减轻涡轮盘质量,满足发动机更高推质比的需求,通过ANSYS有限元方法对高负荷弧形轮毂涡轮盘进行了优化分析。从质量和应力两方面对k从0~0.26(k为弧线内凹深度H与轮毂宽度W之比)的涡轮盘进行对比分析。结果表明:(1)随着k的增大,应力分布更均匀且最大周向应力先减小后增大(k=0.12为拐点),平均径向应力和质量减小,但最大径向应力小幅度增大,Von-Mises等效应力因轴向应力的影响有小幅度增大。(2)研究范围内,k=0.12的涡轮盘最优,与传统涡轮盘(k=0)相比,最大周向应力减小11.13%,最大径向应力和Von-Mises应力虽分别小幅增大1.87%和6.49%,但涡轮盘减质3.10%,安全系数均满足要求,提高了材料的利用率与发动机性能。     

石墨的非线性变形模型及NDG石墨的某些常数

再入飞行器石墨头锥的设计必须进行精确的应力分析。应力分析的基础是准确地表征材料的特性。本文简要地介绍Jones-Nelson模型及其实用价值,说明这种非线性模型比线性模型更为准确。并介绍一种实验石墨(NDG)的应力-应变行为及非线性方程常数,据此,讨论了破坏准则的选择     

孔边应力单元与层合板孔边应力精化分析方法研究

构造了一个满足孔边应力边界条件、层间应力连续条件以及层合板表面应力边界条件的孔边应力单元。并在位移型有限元计算所得位移基础上,提出了一个精确分析孔边应力的有限元方法。首先,运用莫雷阿(G.Morera)应力函数理沦,构造了柱坐标中满足平衡条件的三维应力场的一般表达式,并使之满足前述应力条件。然后,采用上述表达式并利用修正余能原理与拉格朗日乘子法,建立了由已知节点位移分析层合板孔边应力的基本方程。算例表明,所得计算结果与相应解析解或实验结果相符。     

航空发动机叶盘结构应力和变形的概率分析

为了更准确地描述航空发动机叶盘结构的变形以及控制的合理性,提出了1种高效、高精度的概率分析方法,即极值响应面法(ERSM,Extremum Response Surface Method),在分析中考虑了典型载荷(如热载荷和离心载荷)的动态性和边界条件的非线性等因素,合理地选取输入变量且考虑了参数的随机性和不确定性等,通过确定性分析得到叶盘结构的总变形和应力分布随时间的变化规律,同时找到其变形最大点作为概率分析的输入目标。通过科学合理的概率分析,不仅获得了其可靠度、拟合样本、样本直方图、极值响应面和累计概率分布函数并且对其应力分布和总变形进行灵敏度分析,得到了叶盘结构变形和应力分布的主要影响因素,同时给出了应力与总变形的相关性。最后,将ERSM与Response Surface Method(RSM)和Monte Carlo(MC)法进行比较分析,验证了ERSM在航空发动机叶盘结构分析中的有效性。     

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

发动机涡轮叶片伸根结构的光弹性优化设计

在某发动机涡轮叶片(9小孔)失效分析的基础上,利用局部卸荷的方法,对故障区结构进行了光弹性优化设计,其最佳方案可使第6孔孔边的离心应力和振动应力降低30％,从而大大提高了叶片寿命。     

应力条件下的飞机结构撞击损伤问题研究

概述了对飞机机体结构撞击损伤问题常用的研究方法,并指出了这些方法的缺陷.通过对格林哈尔夫(Emile Greenhalgh)等人试验结果的分析,总结了结构应力条件对撞击响应的影响,并比较了压缩应力与拉伸应力造成的损伤机理的区别.最后针对现有研究方法的缺陷提出了建议.     

铸造应力的特性与测算

说明铸造应力的特性,在应力分析的基础上,通过铸造应力实验,探索如何把铸造应力的定性说明发展为定量计算.     

直升机高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法

为了准确高效地分析高速四点接触球轴承的接触疲劳可靠性,将蒙特卡罗随机有限元(MC SFEM)与应力-强度干涉理论相结合提出了一种有效的可靠性分析方法.在高速、高温和弹流润滑（EHL）的复杂工况下,利用有限元法(FEM)建立了基于热 结构耦合分析的有限元模型.考虑到轴承材料属性、润滑油参数及接触疲劳强度的随机性对可靠性的影响,在借助MC SFEM和K S (Kolmogorov Smirnov)检验确定了高速四点接触球轴承疲劳接触应力分布类型的条件下,根据应力-强度干涉理论建立了高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法.结果表明:与传统的MC SFEM方法相比,该方法的耗时仅是传统MC SFEM的0.243％,两者之间的可靠性误差仅为1.48％,进一步验证了该方法的有效性.      

Research on the Plane Multiple Cracks Stress Intensity Factors Based on Stochastic Finite Element Method

Taylor stochastic finite element method (SFEM) is applied to analyze the uncertainty of plane multiple cracks stress intensity factors (SIFs) considering the uncertainties of material properties, crack length, and load. The stochastic finite element model of plane multiple cracks are presented. In this model, crack tips are meshed with six-node triangular quarter-point elements; and other area is meshed with six-node triangular elements. The partial derivatives of displacement and stiffness matrix with respect to all the random variables obtained by Taylor SFEM are derived. Meanwhile, the mean and variance expressions of SIF under uncertain factors are also derived. Parallel double-crack illustrative example of using the proposed method is given. The calculation results indicate that the uncertainty of SIF is influenced by the distance of the cracks, the smaller the distance of cracks is, the greater the SIF uncertainty is, and the uncertainties of material elastic modulus, load and crack length markedly affect the uncertainty of SIF; and the Poisson ratio of material has little influence. Among the variables, the elastic modulus has the greatest effect on SIF uncertainty. The next is external load. The crack length has lower effect on SIF uncertainty than both the elastic modulus and external load.     

某斜齿轮轮轴的有限元分析

文中所分析的某设备齿轮轴是整个设备的重要零件,由于该轴的齿形为斜齿,而且局部还有键槽、轴肩等特殊形状,因此其应力集中现象较严重.为了准确地掌握整个轴特别是一些特殊部位之应力情况,运用有限元理论,采用有限元分析软件ANSYS对该齿轮轴进行有限元分析,掌握了其应力、应变分布规律,并确定出出其危险部位,从而为该轴的安全工作提供可靠的理论依据.通过分析发现,齿根处和轴肩过渡处应力值很高,这与实际应用过程中经常发生断裂的情况是一致的.     

腐蚀系数对化铣表面长裂纹扩展影响的定量分析

承受拉伸载荷的试件在化学铣切圆角的根部应力集中,最易产生表面裂纹.本文给定化铣表面初始裂纹的长度,假设其形状为半圆,采用有限元法完成不同腐蚀系数下的长裂纹前沿不同计算点的多个应力强度因子分析;并用Forman扩展率公式计算给定应力比时长裂纹的扩展长度和形状.研究发现,长裂纹前沿应力强度因子表面大内部小;随着循环载荷周次的增加,圆形裂纹有向椭圆裂纹发展的趋势,采用线性回归方法得到不同腐蚀系数下椭圆长短半径比按二次曲线关系随长裂纹扩展寿命变化,直至裂纹进入失稳扩展阶段.     

进气畸变下压气机叶片强度分析

介绍了一种考核进气畸变对压气机叶片强度影响的分析方法.通过对压气机全周数值模拟,分析进气总压畸变下转子叶片响应的非定常压力场;并对叶片进行模态及应力的有限元分析,研究进气畸变对叶片强度特性的影响.分析表明,周向总压畸变不但会降低压气机效率、稳定裕度等气动稳定性,而且会引起叶片气动力在周向分布的不均匀,对其强度产生重要影...     

考虑应力状态的疲劳裂纹闭合分析

利用改进的条带屈服模型 (Modified Strip Yield Model),通过对裂端约束的研究,提出组合约束因子的概念,发展了 Budiansky和 Hutchinson的解析模型,建立了可考虑不同应力状态的疲劳裂纹闭合模型,可方便地推广到穿透厚度裂纹的闭合分析中。与航空结构合金的实验数据及有限元结果的比较显示该模型能准确预测疲劳裂纹闭合中载荷比、应力状态和厚度等重要因素的影响。给出的显式结果可以方便地用于航空工程实际。     

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

具有转捩流动特性的高压燃气气冷涡轮叶栅的气热耦合计算

采用CFX商用软件对NASA-MarkⅡ高压燃气涡轮5411工况进行气热耦合计算,着重分析各种湍流模型对转捩流动区域的预测能力,与实验结果比较,k-ω-shear-stress-transport(SST)-Gamma-Theta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.另外,自编耦合计算程序对相同工况进行气热耦合计算,湍流模型采用Baldwin-Lomax(B-L)代数模型,结果说明,除转捩区域外,B-L模型对叶片表面其余位置的计算结果较准确.应用ANSYS商用软件进行热应力分析,结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.      

基于Gauss热源模型的BT20钛合金管口激光焊接数值模拟

基于热弹塑性有限元方法,建立激光焊接的热力学计算模型,利用三维有限元分析软件AN-SYS,使用其APDL语言,对BT20钛合金管接头激光焊接过程中的温度场和应力场有限元模拟问题进行了研究.结合数值计算,讨论了激光焊接过程中采用瞬间空冷后,试件内应力的分布情况.     

随机环境下涡轮盘-片剩余寿命预测方法

采用随机有限元方法, 针对某燃气涡轮盘-片进行了热流固耦合及接触热弹塑性分析, 得到了随机应力应变响应;基于概率Miner损伤准则和应变场强法, 运用K.N.Smith疲劳损伤公式及Manson-Succop形式热强综合参数蠕变方程计算了涡轮盘-片的疲劳蠕变寿命;据此分析了影响疲劳和蠕变损伤的各种因素, 提出了装置使用和维护方面的建议.分析结果接近实际, 证明该方法不失为目前为止较好的预测涡轮盘-片剩余寿命的新方法.