力约束管材自由胀形试验研究与材料性能测试

相较于单向拉伸试验,通过管材胀形试验(TBT,Tube Bulging Test)获得的材料性能参数能够更准确地反映材料在高压流体作用下的塑性成形性能,不同的管端边界将会严重影响管材胀形试验的测试结果.针对国际上现有试验方法和设备存在的不足,研制出了一套约束边界清晰、加载精确的管材自由胀形试验系统.在管材测试过程中,基于位移随动力主动加载的控制策略和比例伺服油缸,实现实时的轴向力、轴向位移和内压力的精确加载.端部约束的测试管材通过特殊设计的工装保证了其轴向自由滑动.实时内压力和胀形管材顶点处材料的壁厚和胀形高度信息通过超高压压力传感器、超声测厚仪和磁致伸缩位移传感器采集,进而基于Swift材料本构模型和采集到的数据拟合出材料应力应变曲线和材料性能参数.试验结果表明,管材两端侧推力与内压力对管材内腔端面的作用力和管材轴向自由对称收缩的平衡条件始终处于动态稳定中,试验设备能够准确获得实时胀形高度、顶点厚度、轴向收缩长度和内压力的信息,能够为材料性能测试和工艺设计提供可信的材料参数.      

数控蒙皮拉形试验系统及精度分析

为研究飞机蒙皮零件在拉形过程中的变形行为,在自行研制的多用途三轴加载试验机的基础上,采用数字PID控制算法,对试验系统的控制软件进行了改进,实现了加载油缸的速度控制以及同轴两油缸的位移同步控制,建立了数控蒙皮拉形试验系统.试验结果表明,系统具有较高的精度,符合大多数常见蒙皮零件进行试验的要求,为进一步研究蒙皮成形过程提供了良好的试验环境.      

比例加载下应力幅比对2A12-T4疲劳寿命的影响

采用2A12-T4铝合金漏斗形试件,针对不同拉扭应力幅比,进行了比例加载下多轴高周疲劳寿命试验,研究了不同应力幅比对多轴高周疲劳寿命的影响.针对试验结果,采用3种常用的多轴高周疲劳寿命预测模型,包括等效应力准则、应力不变量准则、临界面准则进行了预测.结果表明:在相同的Von-Mises等效应力下,随着扭转应力幅与拉压应力幅比值的增大,疲劳寿命逐渐升高.等效应力准则的预测结果或过于危险,或过于安全;应力不变量准则的预测结果认为应力幅比的变化对疲劳失效没有影响,与试验结果不符;临界面准则的预测结果优于其他准则.     

成形极限曲线（FLC）的新概念

失稳理论是FLC的理论基础。文章论述了FLC理论研究中存在的问题。指出:一般出厂板的表面状况不会影响板料的集中失稳;板内损伤平面应变时最严重。双拉时,板内损伤的积累、发展,导致应力状态向平面应变漂移;拉压时,载荷失稳后引起的双拉,也会导致平面应变。因此平面应变状态的出现是板料集中失稳的共同原因。在此基础上提出了建立FLC的统一的模型。     

流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能影响

为研究流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能的影响,进行了板材热态胀形试验,得到了不同直径的胀形高度-压力曲线。结合三坐标测量仪测得的胀形零件轮廓数据,拟合出了最小二乘圆（LSCF）半径,发现在高径比（h/a）范围（0.18 < h/a≤0.68）内,对应的曲率半径与圆形半径之间的圆形度误差为5%。为获取更为精确的应力-应变曲线,通过对现有曲率半径和厚度理论模型进行比较,结合流动应力计算,发现Hill及Panknin曲率半径模型的平均值及Kruglov-Hill厚度模型最符合试验数据。利用组合模型计算胀形试验所得到的胀形高度-压力曲线,得到了不同温度、不同压力率下的应力-应变曲线。结果表明,210℃时方向异性（轧制方向及垂直方向）对铝合金7075-O胀形件曲率半径的影响很小;同时,压力率可影响其应力-应变曲线。      

钢筋混凝土Z形柱正截面承载力与延性

针对目前异形结构技术规程中没有明确Z形柱设计的技术规定,基于双向压弯钢 筋混凝土构件截面的非线性分析和编制的相应分析程序,对钢筋混凝土Z形柱正截面极限承载 力和延性进行了数值分析.研究了轴压比、荷载角、配筋率、混凝土强度、肢长厚比等因素 对双向压弯钢筋混凝土Z形柱正截面极限承载力、延性的影响,给出无量纲的正截面极限承载 力的曲线和曲率延性与各种影响因素的关系曲线.得出一些有益的结论:Z形柱正截面极限承 载力受轴压比、荷载角、混凝土强度、纵筋配筋率、肢长厚比的影响较大,箍筋配筋对正截 面极限承载力影响不明显;轴压比是Z形柱截面延性的最主要影响因素,而肢长厚比对柱延性 影响不大.      

基于自由胀形的弯曲管材变形行为

随着制造业轻量化的发展趋势,复杂弯曲异形充液成形管件的应用日益广泛。为了更好地研究弯曲异形复杂管件在充液成形过程中的变形规律,进行可靠的工艺设计。本文通过结合薄膜理论和塑性变形理论对弯曲管件在自由胀形状态下的应力应变进行了理论解析,并通过有限元(FE)分析对理论计算模型进行了验证。FE分析结果与理论模型基本吻合。同时分析了管材在绕弯过程的硬化行为,并探索了在不同的弯曲硬化状态下弯曲管材在自由胀形过程下的破裂位置的规律,并且用实验进行了验证,实验结果与FE分析结果吻合。     

飞机蒙皮拉伸成形加载轨迹设计及优化

加载轨迹是决定飞机蒙皮拉伸成形质量的关键因素.首先对双曲度单凸蒙皮变形最大截面采用应变控制方法,通过解析分析公式推导设计拉形加载轨迹范围;然后将各加载参数转化为拉形设备中夹钳和工作台运动参数,并作为设计变量;最后采用最优化理论与算法和有限元数值模拟相结合的方法,以减小卸载回弹提高贴模度为研究目标,以单元最大主应变和厚度减薄率为约束条件建立最优化数学模型,采用序列二次规划的优化方法确定最合理的拉形加载轨迹;对优化结果进行实验验证,实验结果和优化结果相吻合.分析表明加载轨迹优化后,成形零件的贴模度、应变分布与厚度的均匀程度均有明显提高.      

轴压开口圆柱薄壳屈曲分析与试验

开口圆柱薄壳结构的轴向承载能力和稳定性分析是空间薄壁管式伸展机构(STEM,Storable Tubular Extendable Member)设计的关键问题之一.基于特征值屈曲分析方法,研究了轴压铍青铜开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的屈曲载荷与设计参数间的关系,利用幂函数拟合的方法建立了一种轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型.通过铍青铜开口圆柱薄壳轴向压缩试验对特征值屈曲分析和所建立的轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型进行了验证.结果表明:特征值屈曲分析方法可用于各向同性材料开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的轴向承载能力与稳定性分析;使用轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型计算各向同性材料的开口圆柱薄壳在两端固支条件下受轴压作用时的屈曲载荷,最大误差为21%.     

基于极限应变分析的十字形试件有限元设计

为了通过十字形双向拉伸试验来实现复杂加载,研究复杂应变加载路径下板材的极限应变,采用有限元数值模拟技术,设计出臂上及中心区带槽的十字形双向拉伸试件,建立了有限元计算模型.基于试件在拉伸时中心区受力均匀并能实现大变形的条件下,优化出较佳的试件形式,通过调节速度加载边界条件可实现中心区不同的应变路径,为复杂应变路径下成形极限的研究提供基础.      

固液火箭发动机车轮形装药参数化设计与内弹道性能研究

装药设计和内弹道性能特性研究可为固液火箭发动机的设计和优化提供基础。建立了固液火箭发动机装药设计和内弹道计算的流程与方法，根据燃面退移规律，获得了车轮形装药燃烧面积、药柱通道面积等参数随燃去肉厚的变化关系。针对给定的设计指标及动力系统方案，开展了有中心孔车轮形、无中心孔车轮形、双D形及管形装药方案设计。计算结果表明:在相同的设计要求下，车轮形装药具有更大的燃烧面积、更高的装填分数及更小的药柱长径比；管形装药的氧燃比、燃烧室压强、推力等性能参数随时间变化更小；减小药柱外径可提高管形、双D形装药的装填分数，但同时会提高药柱的长径比。研究结果对车轮形装药固液火箭发动机内弹道特性及规律的认识可起到较好的支撑作用。      

Udimet 720 Li 高温变形特性的粘塑性本构建模研究

采用Chaboche统一粘塑性本构方程,对Udimet 720 Li在700℃时的单调拉伸、循环加载及蠕变特性等复杂的高温变形现象进行了建模研究.探讨了Chaboche本构理论对这些变形现象进行建模的形式,并特别针对快速各向同性软化和非对称循环加载时的平均应力松弛现象,对Chaboche本构理论进行了修正和变化.将经过修正的Chaboche本构理论,与Levenberg-Marquadt非线性优化算法相结合,编制了材料参数优化程序,得到了材料参数值.研究表明,经过修正的Chaboche本构模型可较好地建模镍基高温合金Udimet 720 Li在高温下的各种变形行为.      

基于压差梯度的平流层飞艇艇囊应力计算和仿真

平流层飞艇体积庞大,艇囊表面曲率小,因而蒙皮材料的局部应力集中极易导致飞艇艇囊蒙皮发生过大变形而迅速超压损伤破坏.基于飞艇艇囊内外压力压差梯度载荷条件,建立飞艇艇囊蒙皮受内外压差真实工况下环向与轴向应力的理论计算模型,构建飞艇蒙皮应力分析的Von Mises强度准则.并采用ABAQUS有限元软件非线性仿真艇囊蒙皮分别在超压300,500,800 Pa载荷下的各点环向的Von Mises应力状况.仿真结果与理论模型计算的应力值基本保持一致,飞艇艇囊蒙皮环向Von Mises应力呈现随压差梯度增大而递增的规律,而轴向Von Mises应力大小由环向Von Mises应力、蒙皮局部经纬向曲率共同决定,且两方向的Von Mises应力均与超压载荷大小成正相关关系,为飞艇艇囊蒙皮超压应力评估和强度计算提供基础性研究.     

基于编队控制的自适应HELLO更新算法

在无人机(UAVs)编队自组织网络中,针对无人机之间位置信息更新周期不合理,从而导致编队控制不稳定和控制开销过大的问题,提出一种基于无人机编队控制的自适应HELLO更新算法。该算法应用编队控制稳定性理论推导出无人机组成期望编队的控制延时上限,结合该延时上限和编队运动状态自适应地设定HELLO更新周期。仿真结果表明,本文提出的算法与固定HELLO更新周期算法相比,既能保证在组编控制过程的稳定性,又能实时维护稳定阶段的链路,并且显著减少网络中不必要的控制开销。      

电液伺服阀衔铁组件过盈配合参数设计

电液伺服阀是航空航天精密电液伺服系统的重要控制元件,其中衔铁组件是负责伺服阀电液转换的关键部件。为保证姿态控制信号的高精度、灵敏放大输出,要求衔铁组件具有极高的位置精度及尺寸精度,其中过盈配合参数设计极为重要。基于厚壁圆筒过盈配合原理,通过对零件材料的屈服极限进行理论分析计算,确定了合理的过盈量范围。计算原衔铁组件各接触面等效应力均超过了材料屈服极限,这是时常出现的管弹簧受损等问题产生的重要原因。经过衔铁组件装配与测试,解决了装配时常出现的组件压配变形、平行度等指标超差及管弹簧受损等问题,过盈联接可靠性和合格率较原来有了很大提升,本文确定的设计参数能更好地满足产品生产要求。     

蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

基于M-K模型的TA15钛合金高温成形极限

为了探究TA15钛合金高温环境下的成形极限，明确本构方程中参数对成形极限的影响规律，建立了考虑高温软化效应TA15钛合金高温环境下的本构关系，利用高温成形极限试验平台及M-K失稳理论对TA15钛合金板高温环境下的成形极限分别进行了试验测试及理论预测。理论预测结果表明当温度从800℃提升至880℃时，平面应变状态下的极限主应变由0.18提升至0.33。基于M-K失稳理论和建立的高温本构模型，分析了本构方程中的参数对成形极限的影响规律，结果表明提高加工硬化指数、速率敏感因子及减小软化因子，均可以提升应变强化率的大小，进一步延缓沟槽内应变状态趋于平面应变状态，从而提升理论成形极限曲线在应变空间中的位置。此外，理论计算结果表明速率敏感因子对成形极限曲线的左侧影响程度要大于其对右侧部分的影响，该现象主要归因于速率敏感因子对不同应变大小下的应变强化率的影响不同。