正交各向异性材料粘塑性统一本构模型

通过引入各向异性矩阵,将各向同性材料的ＷＡＬＫＥＲ粘塑性统一本构模型进行了修正,提出了一个正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型,给出了定向结晶材料和单晶材料各向异性矩阵的表达式。用所提出的统一本构模型预测了某单晶材料不同方向的迟滞回线、蠕变和松弛特性,同时与试验结果进行了比较。     

正交各向异性材料屈服准则研究

首先回顾了Hill屈服理论和Tsai—Wu屈服理论,然后用Hill屈服函数预测了某单晶材料[110]方向的屈服极限。通过与试验结果的比较发现,将Hill理论应用于这种材料的误差较大。根据单晶材料的特点,提出了一个工程上实用的正交各向异性材料的屈服函数,同时给出了该屈服函数的参数的确定方法,并将这个屈服函数推广到了定向结晶材料和单晶材料。用曲线图示出了该屈服函数所确定的定向结晶材料和单晶材料的屈服面,并与试验结果和Hill屈服函数的计算结果进行了比较。     

定向结晶及相应单晶材料弹性常数间的关系

使用解析法和有限元数值方法,对定向结晶镍基高温合金以及相应镍基单晶材料工程弹性常数值进行了研究。结果表明二者之间存在相当紧密的联系,其中的3项常数在理想状态下可以认为是对应相等的,并且,在已知其数值的情况下,可以通过解析法和有限元法计算出定向结晶材料的其余常数。根据计算结果,总结出2类材料弹性常数值的规律,提出了相应的建议。     

DD3单晶弹粘塑性损伤本构模型

介绍了DD3单晶高温合金宏观各向异性，弹粘塑性损伤本构模型的建立过程，推导了模型中的DD3单晶损伤演化方程；对模型的结构和特点作了简要分析。对模型材料常数的标定方法作了简单的讨论。利用DD3单昌材料的实验数据，对950℃下的模型材料常数进行了具体标定，给出了标定结果。给出了模型的预测结果和试验结果的对比曲线，从这些曲线可以看出，该模型能够比较准确地描述单晶的力学行为特点，可望用于单晶叶片的结构分析。     

正交各向异性材料构件粘塑性损伤寿命研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用模拟气膜冷却的空心涡轮叶片的子构件,进行了在蠕变与疲劳载荷作用下构件的损伤试验和寿命试验。将计算结果和试验结果进行了比较。     

定向结晶材料带中心孔有限板高温蠕变变形的试验研究

利用云纹干涉法测量了定向结晶材料(DZ17G)带孔板在750℃、800℃高温下的弹性变形和蠕变变形。通过正交各向异性材料的两个主方向(结晶方向和垂直结晶方向)制作的带孔试件的高温蠕变试验的实时数据采集,得到了孔边不均匀应变场的蠕变应变分布规律,计算了孔的蠕变应变集中系数。     

正交各向异性材料粘塑性损伤统一本构关系研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交个性异性材料的粘塑性统一本构模型［１］进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用该模型预测了ＤＤ３ 单晶合金的蠕变和疲劳特性以及蠕变和疲劳损伤,预测了在循环载荷作用下材料的蠕变与疲劳交互作用损伤及其寿命。同时将计算结果和试验结果进行了比较     

单晶高温合金低循环疲劳寿命的三维应力应变模型

将正交各向异性材料屈服函数中的等效应力的概念进行了推广,给出了单晶材料在三维交变载荷作用下疲劳损伤等效应力幅和等效塑性应变幅的计算公式。用等效应力幅和等效塑性应变幅对单向应力作用下的低循环疲劳寿命模型进行修正,提出了一种单晶材料在三维交变载荷作用下的低循环疲劳寿命模型。用所提出的三维低循环疲劳寿命模型预测了单晶材料PWA1480的低循环疲劳寿命,同时与试验结果进行了比较。     

DZ22高温合金复杂应力疲劳强度研究

一、疲劳强度计算方法的建立　　定向凝固镍基高温合金 DZ2 2是一种正交各向异性材料 ,对于各向异性材料 ,由于偏轴向拉剪和剪拉耦合的存在 ,形状改变与体积变化无法分开 ,仅考虑剪切应变能不足以说明各向异性材料的失效 ,还需要考虑体积改变能。据此认为 Tsia- Wu理论 [1 ] 较 Hill理论 [2 ] 更能有效地反应各向异性材料的失效 ,并根据 Tsai- Wu理论导出一个疲劳强度的计算方法。Tsai- Wu假设各向异性材料在应力空间中的破坏表面可表示为一个高阶张量多项式 ,并提出了以二阶张量多项式为破坏准则的计算方法 ,即Fijσiσj+ Fiσi =1 ( …     

压电材料壳的广义变分原理和状态向量方程

将三维弹性材料的H-R变分原理引入到具有机-电耦合效应的三维压电弹性材料圆柱壳问题中,建立了对应于正交各向异性压电材料圆柱壳的Hamilton型广义变分原理。通过变分运算得到了柱坐标系下的状态向量方程,该状态向量方程也是Hamilton正则方程。最后指出纯正交各向异性弹性材料壳Hamilton型广义变分原理是变分公式的特例。变分原理的建立将有利于压电材料圆柱壳静力学和动力学问题的有限元方法或半解析法的推导。     

定向结晶气冷叶片的蠕变分析方法

用宏观连续介质力学方法对航空燃气涡轮发动机定向结晶空心气冷叶片进行了热弹性蠕变分析。用Hill理论建立了各向异性材料的本构模型及其流动法则,对高温镍基合金DZ－22在750℃和900℃进行了拉伸的蠕变试验,得到了各向异性材料的蠕变方程常数,从而用非线性有限元法计算了定向结晶整体片在0.1h,10h,30h,70h的蠕变行为,得到了最大等效蠕变应变值和最大等效蠕变应力值及其所在部位。     

DZ22多孔板蠕变有限元与试验研究

本文选用航空发动机涡轮叶片用正交各向异性材料 DZ2 2在不同温度下进行蠕变三阶段试验 ,拟合出能反映三阶段蠕变的本构方程。利用试验结果验证了有限元程序分析正交各向异性材料蠕变的有效性。然后 ,针对气冷叶片的特点 ,探讨多孔构件的简化蠕变有限元分析方法。经对密布小孔板状试件的试验与有限元对比分析 ,两者结果吻合较好。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第I部分:晶体滑移本构模型及应用

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍本构模型及应用，实验研究将在第II部分介绍。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第Ⅱ部分:实验研究

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍试验研究工作，本构模型及其应用已在本文第I部分作了介绍。     

处于非均匀温度场中含裂纹变厚度旋转盘的应力强度因子广义J积分解法

本文首先从直法线假设出发导出了处于非均匀温度场中变厚度各向同性钣元素本构方程并证明该方程与等厚度正交各向异性钣元素的本构方程相同。然后本文从上述本构方程出发,引用自由能与熵函数以及固体力学所有基本方程导出了与积分路径无关的广义J积分J_8,该广义J积分可用于处在非均匀温度场中的含裂纹变厚度旋转盘。最后本文应用这个广义J积分与有限元素法计算了涡轮盘应力强度.因子K_1并得到了令人满意的结果。     

DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤研究

利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳损伤性能损伤统一本构方程对其各向异性特点和损伤发展规律进行了有限元数值计算。研究发现，DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳性能存在明显的方向性，同时在高温条件下蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。     

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

各向异性多轴近似应力应变分析方法研究及应用

用基于Neuber法则的各向异性多轴近似应力应变分析方法,计算了沿不同方向加载时,定向凝固合金DZ125和单晶DD6材料缺口构件,弹塑性应力应变分布以及应力集中处的弹塑性应力-应变响应.同时,将微分形式的、考虑了时间效应的Neuber法则拓展到各向异性多轴保载情形,给出了拉伸保载时缺口根部的应力-应变响应.计算结果显示,单轴循环模拟结果与试验数据吻合,缺口构件循环加载以及拉伸保载预测结果与物理实际相符.证明了基于Neuber法则的各向异性多轴应力应变分析方法,可用于国产定向凝固合金和单晶材料循环加载以及拉伸保载分析.      

橡胶球面弹性轴承的有限元分析

本文根据应变能函数表示的超弹性不可压缩本构方程,及非线性几何关系,给出了柱坐标系下橡胶构件有限元分析的公式。对直升机旋翼桨毂橡胶球面弹性轴承这种橡胶-金属叠层轴对称结构,在对称及非对称载荷作用下的大应变大变形问题进行了分析计算。并通过了试验的验证,计算与试验结果吻合良好。     

单晶涡轮叶片三维晶体取向相关性能分析及优化

采用单晶正交各向异性弹性本构关系,分析了三维晶体取向对单晶涡轮叶片应力分布、蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖径向位移的影响.结果表明,三维晶体取向对单晶叶片上述性能存在显著影响,且3个取向角之间相互耦合,偏差角对叶片性能的影响随着随机角的方位而变化,随机角对叶片性能的影响也随着偏差角的角度而不同.在此基础上,应用ISIGHT构建了单晶叶片全三维取向优化平台,以蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖最大径向位移为优化目标,采用邻域培植多目标遗传算法进行了叶片三维取向优化,所得Pareto解聚集在偏差角12°的区域内.选择寿命最长的Pareto解作为最优解,相对于初始强度计算点,蠕变寿命提高6倍,低周疲劳寿命提高37倍,叶尖最大径向位移减小2.5%.