纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

SiC/TC4复合材料轴结构力学性能分析及试验验证

为了对连续纤维增强金属基SiC/TC4复合材料轴结构进行结构完整性研究,利用复合材料力学性能半经验公式、经典层合板理论与层合轴结构本构关系,建立与复合材料轴结构验证模型尺寸相同的有限元仿真计算模型,对连续纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的力学性能及响应进行预测与试验验证;并在验证的基础上对复合材料轴结构进行了力学性能进行了分析。结果表明:仿真计算结果与试验数值之间误差在5.7%以内,说明分析中使用的理论、方法与模型可靠;在复合材料轴结构总厚度4.5mm与铺层数不变的情况下,±45°交替铺层更有利于扭转刚度的提升,且复合材料层位于轴结构厚度的中间时,复合材料轴结构具有更高的结构效率。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

3D打印连续纤维增强复合材料研究现状综述

纤维增强复合材料因其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。近年来,3D打印技术的快速发展有望实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造,从而进一步拓展复合材料的应用范围。连续纤维增强复合材料3D打印技术的成熟应用对于中国高端装备的制造具有重要意义。从力学性能角度出发,对3D打印连续纤维增强复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了打印温度、打印层厚度、增强纤维类型、材料堆叠方式、纤维体积含量、打印扫描间距等工艺参数对复合材料力学性能的影响机制;讨论了3D打印复合材料在典型载荷下的力学性能及损伤演化规律,明确了影响/制约其力学性能的主要原因;介绍了3D打印复合材料的强度/刚度分析预测方法,并对研究发展趋势进行了总结和展望。     

纤维体积分数对等离子喷涂制备B/Al复合材料力学性能的影响

用表面涂覆B4C涂层的B纤维,采用大气等离子喷涂法制备纤维间距为200 μm和160 μm两种连续B纤维增强Al基复合材料预制片,结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B/Al复合材料,探讨了在两种不同纤维间距条件下复合材料组织结构及其中纤维体积分数对B/Al复合材料力学性能的影响.     

纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,建立了基底 /涂层 /纤维三层力学模型。该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系 ,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。算例分析表明 :涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。在涂层上 ,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。涂层的弹性模量不同 ,对材料的横向应力影响最大     

三维编织T300／环氧复合材料的弯曲性能及破坏机理

针对不同编织角、不同纤维体积含量、不同编织结构的三维编织T300/环氧复合材料进行了三点弯曲试验,获得了这些编织复合材料的主要弯曲力学性能,分析了不同编织工艺参数对材料弯曲力学性能的影响.对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察,从宏、细观角度研究了材料的变形及其破坏机理.结果表明,三维编织T300/环氧复合材料具有良好的弯曲力学性能,弯曲载荷-挠度曲线呈现明显的线性特征;编织角、纤维体积含量及编织结构对复合材料的弯曲性能有较大影响;三维编织复合材料的弯曲破坏机理与编织工艺参数有关.     

正交三向复合材料力学性能分析和实验研究

根据纱线真实形状对建立了交三向复合材料的力学模型,通过所建立的力学模型计算复合材料的纤维体积含量,并用体积平均化方法分析了正交三向复合材料的弹性性能。自行设计、制作了一套RTM(Resin Transfer Molding)注射装置,制备拉伸、压缩和层间剪切实验并进行了试验。通过对正交三向复合材料和其他几种纤维增强复合材料进行力学性能的对比,讨论了正交三向复合材料力学性能的优越性。     

晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计

讨论了增强体体积比、长径比、基体与增强体的模量比以及增强体取向分布、基体的热处理状态对复合材料刚度模量的影响 ,建立了晶须增强金属基复合材料微结构参数与宏观力学性能间的定量关系 ,探索了晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计方法 ,给出了该材料微结构参数优化设计的典型算例     

磁悬浮电机转子加强环设计及工艺研究

针对某型号磁悬浮永磁电机转子磁环胶接强度不能满足工作要求的问题，提出采用M46J／L1000复合材料缠绕加强环的保护设计方案，根据工艺实验结果，利用有限元分析软件MSC．Patran／Nastran对该结构进行应力和形变分析，并确定了合适的成形工艺参数，完成了转子加强环试验件的制作。结果表明：M46J／L1000复合材料体系满足材料组分要求，缠绕复合材料加强环结构满足磁悬浮电机转子在72000r／min高速转动时强度和变形要求。     

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性，研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法，并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法，计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内，45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大；当金属厚度不变，外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大；当轴结构壁厚保持6mm不变，减小复合材料层的厚度，同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度，其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

使役条件下SiC_p/Al复合材料的建模拟实

基于有限元方法,通过Python语言开发了SiC_p/Al复合材料的参数化建模程序,利用ABAQUS图形用户界面(GUI)完成了建模过程的可视化,搭建了颗粒的大小、形状、体积含量和分布可控的快速建模拟实平台。利用此平台建立了SiC_p/Al复合材料基于微细观的代表性体积单元(RVE)有限元模型,并先后引入了颗粒的弹脆性断裂行为、基体的弹塑性断裂损伤行为和界面的拉伸-开裂行为,实现了SiC_p/Al复合材料的变形和断裂的全过程模拟。为研究使役条件下SiC_p/Al复合材料的构效关系,建立了颗粒体积含量为7%和14%的复合材料有限元模型,首先研究了拉伸过程中颗粒体积含量对复合材料变形和损伤行为的影响;然后将体积含量为7%的复合材料模拟压缩过程与拉伸过程进行对比,分析了在不同载荷条件下复合材料的变形和损伤机理。实践证明,所建立的SiC_p/Al复合材料参数化建模平台可用于颗粒增强金属基复合材料基于微细观的有限元建模,对复合材料强韧化机理分析和构效关系研究具有重要的价值。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

基于半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能

提出了半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能。首先，建立了基础激励下纤维增强复合梁结构的应变能分析模型。然后，明确了采用半理论法预测纤维增强悬臂梁应变能的相关原理，并给出预测纤维增强悬臂梁应变能的具体流程。最后，测试获得该类型梁结构在某基础激励幅度下的振动位移响应，验证所建立的应变能分析模型的正确性，可以采用半理论法来分析预测复合梁的应变能，同时还与相同尺寸的铝合金梁的预测结果进行了对比。结果证明:在相同激励幅度下，纤维增强悬臂梁的应变能相对于铝合金梁结构要低于24%~36%，可以利用应变能指标来客观评价复合结构件相对于金属构件的减振能力。      

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。