带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的有限元计算分析

主要对带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的三维应力进行计算分析。通过计算分析发现 ,带孔复合材料板在受单向拉伸时 ,在相同载荷 (面应力 )作用下 ,复合材料板的厚度对板的强度影响不大 ,随着厚度的增加 ,板上最大应力值变化不大 ;对于带孔板而言 ,孔的形状对孔周边应力集中程度影响比较大 ,孔为椭圆孔 ,并且长轴方向与载荷方向平行时 ,孔边应力集中程度比较小 ;而当椭圆的短轴与载荷方向平行时 ,应力集中程度最大 ;孔为圆孔时 ,应力集中程度介于上面两种形状之间。对于多孔复合材料板计算发现 ,多孔板在受拉作用下 ,各个孔周围应力分布与孔的位置有关 ,在距离板边沿越近的孔 ,其周围最大等效应力值越大 ;对螺栓连接板而言 ,螺栓的材料参数对板的应力分布影响不大 ,板上最大应力都位于孔的右端稍偏下位置 ;螺栓连接复合材料板在相同的载荷作用下 ,板上最大等效应力值随螺栓的弹性模量的增大也相应增大     

含孔复合材料层合板孔边应力集中的近似计算

针对含圆孔有限大复合材料层板的应力集中间题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中系数的方法:先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含圆孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况.根据所推导的含孔有限宽度复合材料层合板应力集中系数的表达式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响.     

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。     

含SMA纤维的复合材料层合板的应力集中实验与分析

 由于具有形状记忆效应, 埋入复合材料层合板中的形状记忆合金纤维, 相变后将产生很大的回复应力, 不仅改善了整个承载结构的机械性能, 而且改变了危险区域的应力分布, 降低了应力集中程度。针对带孔的复合材料层合板, 通过拉伸实验及测定应力集中因子, 说明形状记忆合金纤维对于承载复合材料构件孔边附近区域的应力集中有很好的抑制作用, 孔边应力集中因子最大可降低9%。     

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

复合材料层板多钉机械连接强度计算方法

提出了一种适于设计计算使用的复合材料层板多钉机械连接强度分析方法。该方法将复合材料板多钉机械连接强度分析问题化为求解各向异性体弹性理论中的复势函数边值问题,以Faber级数和最小二乘边界配置技术为工具导出了孔边应力的级数解表达式。选用的孔边特征曲线上的点应力失效判据避开了孔边接触、材料非线性、大位移、刚度减缩等复杂且难以验证的强度模拟计算过程。计算结果与试验结果符合较好。还详细探讨了铺层比例、排距等设计参数对钉载分配、挤压强度的影响规律。     

复合材料层板多钉机械连接强度计算方法

提出了一种适于设计计算使用的复合材料层板多钉机械连接强度分析方法。该方法将复合材料板多钉机械连接强度分析问题化为求解各向异性体弹性理论中的复势函数边值问题,以Faber级数和最小二乘边界配置技术为工具导出了孔边应力的级数解表达式。选用的孔边特征曲线上的点应力失效判据避开了孔边接触、材料非线性、大位移、刚度减缩等复杂且难以验证的强度摸拟计算过程。计算方法与试验符合性较好。文中还详细探讨了铺层比例、排距等设计参数对钉载分配、挤压强度的影响规律。     

孔挤压强化残余应力场的三维有限元模拟和实验研究

运用有限元软件ANSYS建立了孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型,模拟计算了不同厚度7050-T7451铝合金构件孔挤压强化的三维残余应力场分布.模拟结果表明,孔边残余应力沿厚度方向呈梯度分布,人口残余压应力最小,是易于产生裂纹的部位;入口残余压应力随构件厚度增加而增大,达到最大值后,随厚度增加而减小并逐渐趋于稳定值...     

孔强化对7050铝合金残余应力分布的影响

采用开缝衬套冷挤压工艺对飞机用7050铝合金进行挤压强化,针对不同挤压量及铰削量对孔边残余应力分布的影响进行对比,分析得到挤压量及铰削量与残余应力分布的关系.研究表明:采用冷挤压孔强化技术可以改善孔边应力分布,形成有利的残余压应力层.强化后铰孔会减弱残余压应力,对于φ6mm孔铰削量应控制在0.16mm范围内.残余压应力随强化量的增加而增大,5％的挤压量残余压应力值最大达到-276MPa.     

基于高温树脂传递模塑工艺的碳纤维/聚酰亚胺复合材料连接环制备与验证

根据连接环的结构特点,结合复合材料的力学特性及成型工艺要求设计了一种隔热/承载一体的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料连接环,采用高温树脂传递模塑成型（RTM）整体成型工艺制备了复合材料连接环样件。超声检测结果显示,连接环内部质量良好。常温静强试验结果表明,在150%使用载荷下,连接环能保持良好的结构完整性,其最大应变仅为-491.0 με,满足常温静强度设计要求。520℃严酷热载荷下的静热联合试验结果显示,连接环在118%使用载荷下发生根部连接螺钉断裂失效,连接环本体未出现明显残余变形和损伤,满足热强度设计要求。有限元分析结果显示,常温条件下复合材料连接环的应力危险点出现在孔边,破坏方式主要为孔边的挤压破坏和层间剪切失效,高温条件下复合材料连接环失效位置主要出现在其外侧隔热层及螺栓孔处,对结构承载能力影响较小。     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

石墨圆周密封热 结构耦合分析

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热 结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,使密封环在此处所受气体不平衡力较大引起的。辅助密封面受载荷力矩作用引起应力分布不均,导致不平行密封缝隙出现,影响密封性能。密封环温度场分布均匀,主密封面的温度高于辅助密封面,接头搭接处接触面积大,温度显著升高。热效应对石墨圆周密封性能影响不容忽视,考虑热效应作用时,密封环应力值产生了一个数量级的升高,并使最大应力区域自主密封面接头边缘处向中心附近移动。      

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

圆孔周边应力集中的非局部度量

应用非局部线弹性理论详细研究了含圆孔无限大板受单向均匀拉伸时孔边的应力集中问题。研究结果表明,孔边的应力集中系数不再恒等于３,而是随孔径与材料内部特征长度的比值变化而变化,因而较经典线弹性理论结果更符合实际。     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

高压涡轮主动间隙控制系统机匣模型试验

设计和搭建了叶尖主动间隙控制系统的核心——可控热变形机匣模型试验验证台,利用机匣温度和变形量等参数的测量,验证了某主动间隙控制设计方案的基本工作特性.试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同试验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向的分布规律.研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的.随着供气雷诺数增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱.试验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀.由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%.同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%.      

镍基单晶高温合金DD6气膜孔热机械疲劳试验

涡轮冷却叶片气膜孔边存在大应力梯度，且服役时承受交变的机械载荷和热载荷，热机械疲劳（TMF）是其主要失效模式。通过开展带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试件TMF试验研究了气膜孔对镍基单晶高温合金TMF寿命的影响。结果表明最大循环应力在300~500 MPa应力范围内，循环应力幅值与镍基单晶高温合金TMF寿命呈现良好的对数线性关系，且气膜孔导致镍基单晶高温合金TMF寿命下降可达82.5%。继而完成了横向取向分别为〈010〉、〈110〉方向的气膜孔模拟件试验，结果表明气膜孔取向为〈110〉时寿命最短，仅为〈010〉取向的40.0%。最后开展了不同制孔工艺下的气膜孔模拟件试验，结果表明激光制孔气膜孔模拟试件寿命仅为电液束制孔气膜孔模拟试件的54.0%。气膜孔模拟件断口分析表明:TMF裂纹均萌生于气膜孔边，源区氧化严重；裂纹沿着大致与气膜孔边垂直的方向扩展。