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.      

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.     

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.     

高速超声振动铣削钛合金实验研究

针对钛合金在普通铣削（CM）时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题，采用高速超声振动铣削（HUVM）方法加工钛合金，实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对HUVM方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比CM和HUVM这2种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明：与CM加工相比，HUVM加工可以使切削力降低32.6%～35.3%。并且HUVM加工表面粗糙度虽略有增加，但是表面结构可以更加均匀；此外，HUVM加工表面残余应力均为压应力，其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低，而CM加工表面残余应力为拉应力。     

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.      

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.      

环件径向冷轧塑性变形及残余应力分布仿真

为了消除环件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环件径向冷轧过程进行仿真.研究揭示了矩形截面铝合金环件径向冷轧工艺中总压下量不变时,芯辊进给速度对环件塑性变形大小及分布规律的影响.结果表明:进给速度相对较小时,环件鱼尾形状系数较大,随着进给速度进一步增大,鱼尾形状系数反而减小.根据塑性变形的不一致性产生残余应力的原理,进一步分析由此塑性变形规律形成的残余应力分布情况,从而为消除冷轧后残余应力提供理论依据.      

TC4喷丸强化仿真与试验

针对目前喷丸有限元仿真研究中弹丸规则排列、覆盖率无法精确计算的研究现状,基于ABAQUS二次开发建立了弹丸空间位置随机分布、弹丸数量由覆盖率决定的多弹丸喷丸有限元模型,实现了不同工况、不同喷丸覆盖率条件下所需弹丸个数的精确计算;在此基础上研究了不同喷丸参数对TC4钛合金材料表面残余应力与表面粗糙度的影响规律。进行了TC4喷丸试验,将得到的残余应力分布、表面粗糙度与仿真结果进行对比,验证了该有限元模型的合理性。研究成果对喷丸工艺参数的确定具有一定的指导意义。      

基于轧制应力分布的铝合金厚板淬火应力仿真

利用高度非线性软件MSC.Marc,采用弹塑性大变形有限元法对7075铝合金预拉伸厚板在轧制、淬火过程中残余应力的分布进行数值仿真.文中顺次地仿真出轧制-升温-保温-急冷四个过程中产生的残余应力,研究轧制残余应力、升温-保温应力对最终淬火应力的影响.结果表明小压缩量下,整体轧制应力小于淬火应力,轧制应力在升温-保温过程中减小,在急冷过程中急剧增大,最终表现为淬火应力.轧制应力对淬火应力影响很小,淬火应力却彻底改变了原有轧制应力的大小和分布.      

基于振动时效的异质构件残余应力均匀化方法

针对异质构件在装配过程中不可避免地产生非均匀化残余应力,且残余应力随着时间变化而不断减小,从而产生应力松弛的非均匀化,将影响构件的长期稳定性这一现象,同时针对该异质构件不适合用热时效方法处理的问题,利用有限元仿真方法首先仿真异质构件残余应力的分布,然后研究异质构件残余应力在自然时效下的变化规律,最后通过模态分析得到激振频率、谐响应分析得到激振幅值,通过瞬态动力仿真分析研究异质构件残余应力在振动时效下的变化规律.仿真结果表明:在自然时效下,残余应力需要经过1 a左右的时间才能基本达到稳定.在振动时效下,初始的几个周期就可以使得残余应力达到稳定.因此,通过结果对比分析认为,基于塑性变形理论的振动时效是一种快速使得残余应力均匀化的有效方法.     

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.     

模拟弹塑性碰撞的修正SPH方法

从基本的无网格光滑粒子法SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)近似出发,修正了模拟固体力学中大变形弹塑性碰撞的SPH方法.在边界处采用修正的边界条件,弹塑性分析过程中采用增量理论计算应力,迭代过程中用守恒光滑法进行滤波修正消除拉力不稳定.对SPH方法进行了程序实现,给出了杆弹塑性碰撞的算例.计算分析表明,SPH方法节点的影响域较大、精度较相同节点间距有限元法的结果有一定差距,但是通过增加粒子数量可以提高SPH的精度,保持了其简单性和计算大变形的特性.      

轴对称载荷下横观各向同性泡沫材料的屈服面

利用二维有效应力和平均应力的描述方法,推导出三维横观各向同性泡沫材料在轴对称载荷下的特征平均应力、特征应力以及特征应变的表达式,得到用特征平均应力和特征应力描述的屈服面模型;并通过对面心立方单胞模型进行有限元分析,研究了横观各向同性泡沫材料的泡孔长径比对弹性性能和屈服面的影响.结果表明:随泡孔长径比的增加,泡孔伸长方向对应的泡沫模量增加,而与其垂直方向的泡沫模量则减小,且屈服面发生了逆时针转动;得到的屈服面模型与Gurson修正模型基本一致,且同有限元结果相符,为横观各向同性泡沫提供了一种新的屈服面描述.     

板料成形的数值分析及程序系统

本文讨论了板料成形的数值分析方法,并介绍一个能在微机上运行的程序系统——CASF(Computer Aided Sheetmetal Forming)01系统。 CASF01系统采用参数三次样条描述板金零件的几何外形,按弹-塑性流动理论用完全拉格朗日有限元法计算成形过程中的应力应变分布。由于参数样条的插值性和分段描述特点与有限元法的结构离散在基本思想和处理方法上的相似性,系统内曲面描述和力学分析程序间数据传递迅速方便。圆板胀形及其汽车零件的计算实例表明了CASF01系统的可靠性和实用性。     

热障涂层热应力影响因素的正交有限元分析

利用有限元分析方法,采用Walker粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法,分析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的4种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,4种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著影响,其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力变化的影响规律不同.     

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

不同型线柔性轴承的性能分析及比较

柔性轴承的应力分布及动态刚度特性对低温制冷机的整体可靠性尤为重要.以最大应力值、轴向刚度、径轴向刚度比为性能指标,对新设计的费马型线柔性轴承和其他两种柔性轴承进行对比研究.通过有限元分析,对比了三者之间应力分布、应力变化及刚度变化特性.设计制作了这3种不同型线的柔性轴承,并测试了3种柔性轴承的径轴向刚度,结果显示:费马型线柔性轴承的径轴向刚度之比最大,牛津型柔性轴承的径向刚度最小;费马柔性轴承的应力值最大,但最大应力值小于材料的疲劳应力,因此费马型线的柔性轴承在性能上优于其他两种柔性轴承.     

硅通孔中电致应力的有限元分析

在三维电子封装中,硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)是实现芯片垂直互连的关键环节,其可靠性至关重要.随着硅通孔中电流密度的增大,电致应力对TSV可靠性的影响也越来越大.基于该耦合方程和有限元的一般原理,详细地推导了弹性材料属性下TSV内部的电致应力、应变的有限元分析模型;利用ABAQUS中的用户自定义单元(user defining element)接口,实现了该模型的有限元计算,并利用解析解对该有限元模型的正确性进行了验证.利用有限元模型对TSV中铜填充的电迁移问题进行了分析计算,描述了铜填充在电迁移过程中电致应力、应变以及空位浓度的演化过程和分布规律,为三维电子封装可靠性的全面评估提供了一定的依据.     

复杂结构振动控制设计与仿真方法研究

为了避免在建立结构数学模型过程中因简化和降阶引起的模型误差,解决复杂结构建模难的问题,提高控制器设计的准确性,提出了一种新的基于有限元法(FEM)的结构振动控制设计方法.该方法可借助于商用结构有限元分析软件来实现,简便易行,在PATRAN/NASTRAN环境中利用PATRAN命令语言PCL(Patran Command Language)建立了通用结构控制仿真平台.通过对压电自适应桁架结构的振动控制进行控制设计仿真和实验验证,证明了新方法的有效性;与Simulink使用简化模型的仿真结果相比,新方法的结果与实验结果更为接近,表明其准确性更高.该方法适用于对处在设计阶段的复杂结构进行控制设计与仿真评估.