航空整体结构件加工变形有限元数值仿真

加工变形是航空整体结构件数控加工领域普遍存在的问题.选取典型航空整体结构件,基于有限元法研究了毛坯初始残余应力对于加工变形的影响,仿真结果与试验结果一致;对残余应力引起的加工变形特点进行了分析,基于不同加工路径对航空结构件加工变形进行了有限元数值仿真,结果表明,对于单一残余应力引起的加工变形分析,可以忽略加工路径的影响.考虑铣削力与残余应力的耦合作用,建立了残余应力、铣削力的耦合力学模型,给出了具体仿真流程,针对不同加工路径进行有限元仿真,研究了铣削力对于残余应力分布及最终加工变形的影响.     

激光处理对Ti6Al4V焊缝表面应力状况的影响

激光冲击强化是利用高功率密度(GW/cm2)、短脉冲(ns量级)激光束辐射金属时产生高强度冲击波在金属材料或零件表层形成数百兆帕的残余应力,从而改善金属材料性能的一项新技术.利用Nd:glass重复率激光和机械喷丸分别对Ti6Al4V钛合金电子束焊缝进行了冲击强化处理,研究了激光冲击处理和激光冲击+机械喷丸两种不同处理工艺对电子束焊缝残余应力的影响.试验结果表明,两种处理方式都明显改善Ti6Al4V钛合金电子束焊缝的残余压应力,尤其激光冲击＋机械喷丸工艺表面残余应力改变明显, 而且在次表面层残余应力随着深度的增加而增大, 最大残余应力出现在距表面20~30μm左右.      

基于Ansys的飞行员座椅坐垫舒适性仿真

鉴于飞行员对飞机座椅的舒适性要求越来越高,针对人与座椅之间的应力分布这个座椅舒适性评价指标,建立了包括骨盆在内的人-座椅坐垫有限元模型,对坐姿下人与坐垫的应力分布进行了仿真计算.通过比较1g重力环境下仿真和实验坐垫上应力分布,验证模型的有效性,在此基础上开展了不同过载下的仿真计算.分析可知仿真模型在坐应力分布和应力值大小方面与实验数据具有较高的一致性;不同过载下体内以及坐垫上应力最大值与施加的过载加速度直接呈线性关系.结果表明,建立的人-座椅坐垫有限元模型是有效的,可以用于评估不同坐垫或不同过载环境下的舒适性.      

飞机铝合金结构件数控加工变形分析与控制

以飞机机翼翼肋铝合金结构件这一典型易变形的零件为例,研究数控加工变形情况及其影响因素,主要研究残余应力对加工变形的影响.采用理论建模、有限元分析和实验验证相结合的方法分析和对比数控加工中零件变形情况;分析了工件内残余应力分布,用有限元软件提供的热机耦合功能,以温度场模拟施加铝合金的残余应力分布;分析和模拟了去除材料对工件变形的影响;用经过改进的顺序静态单元生死方法进行切削过程的仿真和改进,并对仿真所得的零件变形量与实际加工测量结果进行了比较,验证了分析方法和所建立模型的有效性;最后提出了控制数控加工变形的解决方案.     

航空结构件加工变形仿真关键技术

对航空结构件铣削加工变形仿真的关键技术进行了深入研究.编制残余应力施加通用程序,建立包含有初始残余应力的加工变形有限元预测模型;由于铣削加工,毛坯体变为薄壁工件,在进行有限元仿真过程中,提出体-壳单元与实体单元的混合单元建模方法,以提高计算效率及便于后续研究;针对工件与工作台单面约束的接触作用及其它工程中的类似单面约束问题,提出将工件视为弹性体,工作台视为刚性体,转化为接触方式进行纯压缩边界条件的模拟,对某典型工件进行了有限元仿真并与模态试验结果对比,验证了其有效性和准确性;基于生死单元技术进行材料去除模拟.通过上述关键技术的理论研究及应用,实现了航空结构件加工变形过程的有限元仿真.      

铣削过程中残余应力仿真分析

在铣削加工零件时,零件各部分的残余应力分布不均匀,会使工件发生变形,影响工件的形状和尺寸精度.采用有限元分析方法,利用有限元增量理论建立了加工材料的弹塑性本构关系.针对立铣刀的铣削加工,建立了二维金属铣削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,通过对典型钢件的加工模拟,得到了加工后已加工表面的残余应力的分布情况和整个加工过程中工件的受力情况,对于工程中的实际应用具有重要的意义.     

材料粗糙度变化对卫星光谱红化效应的影响

在轨人造目标的地基观测光谱存在红化效应，影响对目标反射光谱的理解应用.目标在进入空间环境后外露材料表面粗糙度发生变化.本文结合材料的光谱散射特性、卫星轨道和观测条件，仿真分析了卫星表面材料粗糙度变化对红化效应的影响.基于文献中实验数据，设计不同粗糙度的卫星表面材料样本，模拟空间环境中材料表面粗糙度的变化.利用双向反射分布函数，建立不同粗糙度材料样本的光谱散射模型.理论模拟结果表明，材料表面粗糙度的变化会影响其光谱散射特性，散射光谱形态和散射分布取决于粗糙度及入射-反射几何关系.引入网格剖分和可见面片，利用材料双向反射分布函数，仿真计算卫星表面材料在不同粗糙度状态下，整个卫星在可见光波段的反射光谱信号.仿真结果表明，随着卫星表面材料粗糙度的增加，其反射光谱在600nm之后随波长增加而呈现上升趋势，这表明空间环境中外露材料表面粗糙度变化是卫星产生红化效应的原因之一.      

超光滑表面力学性能对比研究

研究加工误差达到纳米级的试件表面力学性能及其评价。首先,加工出表面粗糙度达到纳米级的玻璃和陶瓷两个试件,采用X射线衍射测试原理测试表层残余应力。其次,采用原理为Oliver-Pharr的纳米压痕法对试件进行破坏性实验,对比研究各参数测试结果值。结果表明,残余应力和硬度具有一定联系,这对表面完整性评价、改善加工工艺有一定指导意义。     

采用Ti/Ag/Ti中间层连接SiC陶瓷的 有限元应力分析

在陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷(采用金属中间层)的连接过程中,陶瓷与金属的热膨胀系数等性质存在差异而产生的残余热应力是连接接头强度弱化的主要原因.采用有限元方法对Ti/Ag/Ti作为中间层热压连接SiC陶瓷进行了应力的有限元计算分析,结果表明采用Ti/Ag/Ti结构的金属中间层连接SiC陶瓷时,对接头危害较大的残余应力主要分布在连接件近缝区.靠近试样外表面区域是接头的薄弱区,裂纹易在此处萌生,裂纹的扩展先是沿着一条向陶瓷侧凹入的弧线向陶瓷内切入,而后沿径向扩展.接头实际断裂方式与有限元分析结果相符,表明采用有限元方法对陶瓷连接接头的残余应力进行模拟计算有重要的指导意义.      

月壤取芯钻具热特性有限元分析

根据取芯钻具的特点、使用情况以及空间环境要求,在简化模型的基础上,利用有限元分析方法研究了月壤取芯钻具的热特性。首先计算了取芯钻具在飞行阶段高、低温存储环境影响下的变形和应力分布;其次计算了取芯钻具在工作阶段不同钻进条件下的变形及应力分布情况,提取了关键点的温度和位移参数;最后研究了取芯软袋与取芯管之间的间隙变化情况。根据有限元分析得到的数据结果,证明了各部位选择的材料以及配合间隙等满足要求,可为未来工程应用提供理论依据。     

基于有限元仿真的航空整体结构件变形校正

针对航空整体结构件变形复杂、校正效果难以定量预测的工程问题,基于有限元仿真技术,综合研究加工变形—校正过程,对航空整体结构件的变形校正有限元建模、校正过程数值模拟、校正参数确定、校正载荷施加形式及校正残余应力等关键技术进行了研究,并运用上述技术对某航空铝合金材料整体结构件进行了变形校正有限元数值模拟.结果表明,综合研究加工变形—校正过程,提取变形有限元模型作为初始校正模型,进行有限元加载—卸载分析,可很好地模拟校正过程,并获得实际需要的校正参数.      

杯形陶瓷CBN砂轮修整工艺及参数优化

针对金刚石滚轮修整杯形CBN砂轮时各修整工艺参数对砂轮修整后磨削TC 4时的磨削温度、磨削力和表面粗糙度的影响进行实验研究,并对磨削温度和表面粗糙度进行了多因素回归分析.在回归分析得到的数学模型基础上,进一步对磨削温度和表面粗糙度进行双目标加权优化,得到了粗磨和精磨钛合金时砂轮的最佳修整参数,并通过磨削实验对优化结果进行了验证.     

基于响应面优化的结构有限元模型修正

针对结构有限元分析中模型精度低的问题,提出了响应面优化的模型修正方法.利用优化拉丁方试验设计样本点,F值检验筛选出修正参数构造不完全4阶多项式响应面并检验响应面有效性.引入遗传算法以响应面计算值与试验值的残差为目标来优化修正参数,将修正值代入初始模型中得到修正模型.三自由度系统数值算例,验证了模型中参数准确、参数不存在和参数有误差3种工况下,响应面优化方法的模型修正能力.以GARTEUR飞机模型为对象,筛选显著性参数进行模型修正,结果表明修正后模型不但在修正频段和预测频段具有良好的复现和预测能力,还能预测结构局部修改后的频率,证实了经过参数筛选后响应面优化的模型修正有效性.     

激光冲击强化提高主动连杆振动疲劳性能

针对某型发动机放气活门主动连杆转接R处的疲劳断裂问题,进行了主动连杆激光冲击强化工艺研究;完成了原型件和激光冲击强化、喷丸及加大R3种处理工艺后主动连杆振动疲劳对比试验.结果表明,在317MPa的应力水平下,激光冲击强化、喷丸和加大R后主动连杆疲劳寿命分别为原型件的5.24倍、3.89倍及1.36倍;与其它2种工艺相比,激光冲击强化具有强化效果好、工艺稳定性高、易于实现等优点,是截至目前减少主动连杆疲劳断裂故障的最佳处理工艺.主动连杆激光冲击强化后表面粗糙度较小,产生深度约1.4mm的高数值残余压应力层,表层晶粒细化至纳米晶并伴随高密度位错.三者共同作用可以有效缓解转接R处的应力集中,抑制疲劳裂纹在转接R处的萌生和扩展,是主动连杆振动疲劳寿命提高的主要原因.     

三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报

在四步法方型三维编织复合材料细观结构单胞模型的基础上,假设纱线具有六边形横截面,应用ANSYS软件,建立了实体有限元模型,该模型表面与预制件表面平行,更加符合三维编织复合材料的实际结构,且有利于力学性能的分析,同时,该模型中还考虑了织物的编织角与内部编织角的几何关系.基于该模型,计算了材料的弹性常数,分析了编织角和纤维体积含量对弹性常数的影响规律.结果表明,数值计算与实验结果吻合较好.此外,还确定了材料内部的应力场分布,为材料的强度预测奠定了基础.      

月壤采样冲击破碎过程的影响参数分析

针对月球表面的月壤采样过程中遇到不同粒度的块状月岩会对钻探取样工作造成不同程度的影响和阻碍的问题，提出了一种通过有限元仿真模型结合类月岩材料力学特性进行有效分析的方法，作为提高效率的依据。首先通过实验和仿真拟合，得到硬度接近于月岩的两种类岩石材料红砖和砂岩的材料模型参数。在此基础上，用实际尺寸的机构有限元模型进行仿真，得到采样冲击机构冲击过程中不同参数的影响。基于该参数分析，对于冲击机构及其冲击过程提出改进建议，可有效提高采样过程中冲击破碎岩石效率。     

预拉伸板轧制-拉伸残余应力的计算机仿真

为消除铝板冷轧过程中产生的残余应力,采用弹塑性大变形有限元法对变形区内残余应力的分布进行数值模拟.通过分析不同轧制工况对残余应力分布的影响,得到不同压缩量对轧制残余应力的影响; 并对不同轧制工况后的板材进行参数拉伸,得到拉伸力大小、拉伸变形量大小对残余应力消除效果的影响值.模拟结果表明适当的拉伸(2%左右)可以均匀细化、部分消除残余应力,减小残余应力对后续加工的影响.