应力对第3代单晶高温合金超高温蠕变断裂机制的影响

对第3代单晶高温合金DD33进行了1150℃,80～150 MPa的蠕变测试,借助SEM、EBSD、EDS和TEM研究了不同应力下蠕变断口形貌和截面损伤特征,分析了应力对蠕变断裂机制的影响。结果表明,不同应力条件下近断口铸孔普遍发生多面体化且沿端角开裂,与低应力条件相比,150 MPa下可观察到较多蠕变孔及其诱发的裂纹。80 MPa下,由于长时间暴露,样品表面产生较厚的氧化影响区,使有效应力提高了35 MPa;断口附近局部可见TCP相,并在其与γ′相界面产生较多孔洞和裂纹。随着应力进一步增加,深入基体的表层裂纹增多,更多碳化物开裂,但组织中未发现TCP相。因此,不同应力下合金的最终断裂除了与内部孔洞开裂、彼此联结直接相关外,还应考虑氧化影响区、深入基体内部的表层裂纹、TCP/γ′界面裂纹以及开裂碳化物的贡献。     

复合材料桨叶结构损伤演化模型

与金属材料桨叶相比,复合材料桨叶因具有更加优良的抗疲劳性能而被广泛应用到直升机旋翼上。但由于复合材料破坏机理复杂,疲劳性能分散,影响因素众多,导致复合材料桨叶疲劳现象尚处于研究探索之中,在复合材料的微观失效机制与宏观结构的力学性能之间仍然缺少一座桥。鉴于此,文章利用典型复合材料试样的拉伸疲劳实验数据,建立了基体裂纹、纤维断裂和界面脱胶等损伤变量累积模型,从断裂能的角度出发构建了基体裂纹密度、纤维断裂面积与复合材料属性之间的函数关系,分析了基体裂纹密度、纤维断裂面积等损伤变量对复合材料工程性能参数的影响。利用复合材料宏观力学理论,研究了各物理损伤变量对桨叶刚度特性的影响,采用连续损伤变量的状态方程建立了复合材料桨叶的损伤演化模型,这种以有理多项式为状态转移函数微分模型能很好地体现复合材料桨叶在疲劳初期和疲劳末期刚度快速损伤的现象。     

带圆孔加筋板的应力强度因子解析

采用Paris位移公式以及位移协调和叠加原理推导了求解带孔开裂加筋板的铆钉力计算式,并由此推导了只在孔边蒙皮上有裂纹和蒙皮开裂并在桁条上产生中心穿透次裂纹的两种开裂模态下的应力强度因子表达式,讨论了蒙皮与桁条的刚度比、铆钉间距以及裂纹扩展对裂尖应力强度因子的影响,得出了有参考价值的结果。     

航空发动机供油管裂纹失效分析

针对某航空发动机供油管钎焊焊缝边缘出现裂纹而导致的供油管渗油故障,对其断口及源区附近表面进行宏、微观检查,明确了供油管裂纹性质为高周疲劳裂纹,疲劳源区呈沿晶开裂特征。利用能谱分析手段发现裂纹源区存在外来Cu元素,通过对焊缝及开裂部位进行金相分析,发现钎焊料中的Cu元素沿基体晶界发生扩散,导致晶界粗化,在拉应力作用下,Cu与基体形成的脆性相开裂形成沿晶裂纹。晶界粗化和沿晶裂纹是供油管过早发生疲劳开裂的主要原因。建议将Cu基钎料更换为Ag焊料。     

起落架结构损伤容限设计初步探讨

本文探讨了有关起落架结构损伤容限设计的强度设计逻辑程序。给出了损伤容限要求,疲劳使用载荷谱及环境腐蚀影响的疲劳分散系数,以及依据表面裂纹长度估算深度公式。探讨了用由裂纹扩展速率积分而得的S-N曲线按Miner理论进行结构断裂分析方法。给出了用裂纹扩展增量描述的疲劳损伤,以及按裂纹扩展损伤等效原则的试验应力谱折算公式。     

不同应力水平下5A06 铝合金的疲劳断口研究

通过采用金相显微镜,扫描电镜和能谱分析研究了5A06铝合金高周疲劳断口的微观特征。研究结果表明:该合金在疲劳极限附近发生疲劳断裂时,裂纹主要萌生于杂质粒子与基体的界面结合处,较高应力水平下疲劳裂纹的萌生呈现多源性,并且裂纹主要起源于杂质粒子自身的开裂。随着应力水平的提高,裂纹的偏转路径更加复杂,疲劳辉纹间距不断增大,断口中疲劳裂纹扩展区所占比例减少。疲劳裂纹扩展的初期,疲劳微裂纹的偏转主要取决于相邻晶粒间有利滑移面的方向。     

JG4246A高温合金尾喷管密封片裂纹机理分析

针对由Ni3Al基JG4246A高温合金精铸的航空发动机尾喷管密封片在工作后出现的裂纹故障,通过开展密封片外观检 查、裂纹断口分析、组织检查、化学成分分析、组织和再结晶热模拟试验等,对裂纹的性质和产生机理进行了分析。结果表明：密封 片的裂纹性质为以热应力为主导致的疲劳裂纹,起源于密封片表面的再结晶层。密封片边缘局部温度超过材料允许使用温度,使 其表面产生再结晶,在热应力作用下再结晶逐渐开裂形成微裂纹;局部超温也引起基体组织转变,降低了基体本身的高温性能,并 促进裂纹逐渐向基体扩展,最终形成宏观裂纹。为避免类似故障再次发生,建议进一步优化密封片结构,改善温度场温度梯度,降 低工作温度;增加去应力退火工艺,以降低构件的残余应力。     

基于不可逆热力学的宏细观粘弹性损伤本构模型

为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,基于不可逆热力学和叠加原理,通过引入宏观损伤效应张量,推导出一个通过有效应力表征损伤的蠕变型损伤本构方程。假设材料为初始各向同性,进一步引入细观标量损伤效应函数表征材料对称性的改变,进而得到由细观损伤效应函数表征宏观损伤效应张量的一般表达式。通过选取合适的细观损伤效应函数,文中建立的本构方程可以用于表征材料的正交各向异性损伤、横观各向同性损伤和各向同性损伤。最后,基于Schapery粘弹性微裂纹扩展模型,选取相对微裂纹密度为损伤内变量,建立了一个由损伤热力学对偶力表征的幂律型损伤演化方程。数值结果表明,建立的模型能够较好地反映材料损伤的率相关性和温度依赖性,具有良好的预测精度。     

有机硅涂层对聚碳酸酯透明件耐溶剂-应力开裂性能的影响

研究表面涂覆有机硅涂层的聚碳酸酯( Polycarbonate, PC)透明件在乙醇中的溶剂-应力开裂( Environ-mental stress cracking, ESC)行为,利用自制的环境力学测试装置考察PC/涂层体系在溶剂与应力共同作用下的应力松弛行为和表面裂纹形貌。结果表明：有机硅涂层在一定程度上改善了透明件的耐溶剂-应力开裂性能,带涂层试样在乙醇环境中的应力松弛比纯PC明显减慢,并且表面裂纹数量减少;有机硅涂层对乙醇与试样表面层的接触及扩散吸收起到有效阻隔,进而可降低溶剂对 PC 的塑化作用;涂层与 PC 基体力学性质较为匹配,在承载条件下涂层不易发生脱落开裂,在溶剂-应力共同作用过程中仍然能对 PC基体起到一定保护作用。     

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%。     

纤维复合材料刚度设计的力学原理及其应用

针对航空用纤维复合材料,基于纤维与基体的协调变形规律和材料应变能密度的计算,导出了纤维复合材料的刚度表达式,研究了刚度矩阵的基本力学特性,给出了复合材料刚度矩阵元素与基体材料的刚度、纤维束的刚度及铺设方向的关系,提供了平面铺层和三维取向纤维复合材料的基本刚度设计公式和设计方法。最后给出工程应用设计方法的几个具体例子,并与其他理论和实验结果进行了对比。研究结果表明,在考虑材料制备工艺缺陷造成的刚度折减后,本文提出的设计公式及方法可应用于纤维复合材料的优化设计。     

齿轮减速器系统可变固有特性动力学研究

考虑到齿轮传动啮合刚度的波动和传动误差的影响以及轴承支撑刚度的作用,对二级齿轮减速器传动系统进行了理论建模和动态响应分析,并与实验结果进行了比较。结果表明,齿轮传动在单齿啮合区和双齿啮合区之间啮合刚度变化较大;减速器系统的动态特性 (固有频率、固有振型、阻尼等 )随啮合周期而发生变化,呈现出一种可变的动态固有特性。故对于系统进行研究时,可分别按单齿区和双齿区平均啮合刚度进行分析,一般可以满足实际工程要求。     

复合材料单钉接头的损伤累积模拟

给出一复合材料接头损伤累积模型,包括分类损伤判据、损伤区刚度衰减和总体破坏判据;将该模型结合有限元法模拟单钉接头的损伤破坏过程,包括损伤起始、类型、累积及应力重分布的确定以及接头强度的预测;研究了３种铺层的碳／环氧复合材料单钉接头的损伤累积并与现有结果做了比较。     

粘弹性结构振动特性分析的摄动求解技术

 本文根据粘弹性结构的特点,对其振动特性进行简化分析,构造了这类结构振动特性分析的摄动求解方法,给出了低阶摄动求解公式。还讨论了零阶摄动有重特征值时的求解。     

运用损伤力学求解金属构件疲劳裂纹形成寿命的附加位移法

从损伤力学出发,建立了对金属构件疲劳裂纹形成过程进行损伤耦合的弹塑性应力分析及寿命估算的附加位移法。该方法较充分地利用了缺口构件疲劳损伤的局部性特点,其计算量远低于普通的全场数值解法。算例表明寿命的理论解与试验值基本吻合。该方法对于分析其他局部耦合问题也具有参考价值     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。     

Analysis of composite laminates with intra- and interlaminar damage

Failure process of composite laminate under quasi-static or fatigue loading involves sequential accumulation of intra- and interlaminar damage. Matrix cracking parallel to the fibres in the off-axis plies is the first intralaminar damage mode observed. These cracks are either arrested at the interface or cause interlaminar damage (delamination) due to high interlaminar stresses at the ply interface. This paper summarises recent theoretical modelling developed by the authors on stiffness property degradation and mechanical behaviour of general symmetric laminates with off-axis ply cracks and crack-induced delaminations. Closed-form analytical expressions are derived for Mode I, Mode II and the total strain energy release rates associated with these damage modes. Dependence of strain energy release rates on crack density, delamination area and ply orientation angle in balanced and unbalanced symmetric laminates is examined and discussed. Also, stiffness degradation due to various types of damage is predicted and analysed.     

芳纶／铝合金层板冲击后疲劳性能研究

对自由ＡＲＡＬＬ层板和两种预应力ＡＲＡＬＬ层板的冲击损伤机理、冲击损伤在疲劳过程中的扩展进行了表面观察与无损检测分析,建立了层板冲击后的疲劳累积损伤模型,探讨了预应力对ＡＲＡＬＬ层板冲击后疲劳性能的影响。     

结构可靠性定寿模型及其在航空动力结构中的应用

本文以安全寿命定寿，以损伤容限保障安全，发展了结构可靠性定寿模型，给出了确定结构首翻期和检修周期公式；还给出了该模型应用于航空发动机动力构件疲劳定寿的实例