基于有限元法的风洞结构故障诊断

针对2.4m风洞第一扩散段在运行过程中出现的裂纹现象,应用振动测试技术和有限元分析方法,进行了不同工况条件下振动测量和脉动压力测量,获得了结构在气流脉动压力作用下的主要振动频率范围.通过与有限元分析结果验证对比,诊断出了第一扩散段产生裂纹的原因在于内壳体裂纹板与气流长期耦合振动,结构疲劳从而导致出现裂纹.最后在此基础上提出了合理的整改方案,对结构进行了动力学修改.结果表明:结合振动测试,基于有限元法对风洞结构进行故障诊断是一种行之有效的方法.     

大型容器单轴双销铰链式大门机构设计与分析

大型卧式容器的铰链式大门机构在装配和长期使用过程中由于下沉变形会导致大门关不严,影响密封性能.针对某在建的大型真空羽流试验舱直径Φ5.5m的大门机构,首次提出了一种新颖的单轴双销铰链式大门机构方案,并对该机构的转动机构、限转装置和大门法兰底部的弹性支撑装置进行了全新的设计和分析,并通过有限元分析对该大门机构的强度进行了校核.有限元分析结果表明,大门合位移变形主要由大门重力引起的y方向位移贡献;在大门法兰底部施加弹性支撑时,铰链机构与大门法兰连接处的两个应力集中范围缩小、量值降低,并能保证大门合位移小于10mm.该大门机构的强度和刚度满足设计要求,对同尺寸的大门设计有重要借鉴意义.      

充气式机翼的颤振特性分析

充气式机翼的结构刚度由内充气压决定,其颤振特性需要建立静、动力学耦合的分析方法.机翼结构刚度和固有振动特性需要在静力分析基础上计算,进一步计算非定常气动力,从而采用传统的颤振计算方法分析其颤振特性.针对某一充气式机翼采用膜单元建立了有限元模型.在不同内充压条件下,对充气机翼进行了静力分析得到其结构刚度;然后对机翼进行模态计算和颤振分析.研究表明:各阶模态的频率随内充气压的升高而升高;除典型的弯扭模态外,充气机翼的弦向弯曲模态频率较低;充气机翼的颤振形式除常规的弯扭模态耦合外,弦向弯曲模态同样会发生颤振;机翼的临界颤振速度随内充压的变化近似呈分段线性变化;临界颤振模态及耦合分支在一定气压范围内保持不变.      

准互易光学电压传感器的电场计算与误差分析

针对一种新型的具有准互易反射式光路结构的光学电压传感器,设计了基于锗酸铋(BGO,Bi₄Ge₃O₁₂)晶体横向调制方式的高压探头.采用ANSYS有限元分析软件对所设计的高压探头进行电场计算,得到了探头内的电场及电势分布;讨论了探头内电场分布不均匀及干扰电场导致的测量误差.计算结果表明:标准条件下探头的最高可测电压不低于15 kV;电场分布不均匀导致光沿着晶体内不同路径传输时,电场强度对路径的积分结果即测量电压不同,影响传感器的稳定性和测量精度;探头内干扰电场导致0~5 kV范围内最大测量误差达1.2‰,这一测量误差对于2‰精度的电压传感器是不可忽略的.      

A fatigue damage-cumulative model in peridynamics

While the present structural integrity evaluation method is based on the philosophy of assumed similitude, Fatigue and Damage Tolerance (F&DT) evaluations for next generation of air-vehicles require high-fidelity physical models within cyberspace. To serve the needs of F&DT evaluation in digital twin paradigm, a fatigue damage-cumulative model within peridynamic framework is proposed in this paper. Based on the concept of fatigue element block and damage accumulation law in form of Coffin-Manson relationship, the proposed model applies to both fatigue crack initiation and fatigue crack growth; fatigue crack growth rates under constant-amplitude and simple variable-amplitude block loading cases can be well predicted for three common structural materials without inputs of Paris law parameters. Additionally, the proposed model can also be easily extended to a probabilistic version; for verification, multiple-site-damage problems are simulated and the statistic nature of fatigue process in experiments can be well captured. In the end, main features of the proposed model are summarized, and distinctions from the other models are discussed. There may be a potential for the peridynamic damage-cumulative model proposed in this work to numerically predict fatigue problems in digital twin paradigm for future generations of aerospace vehicles.     

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数

对三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数进行了研究.基于有限元方法计算了裂纹面承受沿宽度方向的均布、线性分布和2次分布应力时的参考应力强度因子解,建立了形式较为统一、较高精度以及适用范围相对更宽的参考应力强度因子近似表达式.在此基础上获得了三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数,最后采用裂纹面分别承受3次、5次和7次幂函数分布应力下的应力强度因子有限元解对通用权函数的计算精度进行了检验和验证.结果表明:建立的通用权函数相比已有的通用权函数精度由4%(A点)和6%(B点)提高到1.06%(A点)和1.6%(B点),补充验证的7次幂函数分布载荷下的应力强度因子通用权函数解的精度达到3.67%(A点)7.45%(B点).      

考虑应变依赖性的硬涂层复合结构有限元分析

在简要介绍硬涂层材料应变依赖性的基础上,推导了用迭代有限元法求解硬涂层复合结构动力学特性的原理,进一步提出了求解硬涂层复合结构固有频率和振动响应的计算流程,即由振动响应值来修正硬涂层材料参数,进而迭代求解硬涂层复合结构的动力学参数.最后以一个涂敷MgO+Al₂O₃硬涂层的悬臂梁为例进行了实例研究,在考虑MgO+Al₂O₃硬涂层材料应变依赖性的基础上,获得了不同激励幅度下悬臂梁的固有频率和振动响应,并与线性计算结果进行了比对.结果表明;该硬涂层复合结构悬臂梁具有软式非线性,同时,对应于不同的激励幅度,迭代计算获得的共振响应相对于线性计算值减少了29%~48%,说明硬涂层材料的应变依赖性会进一步增强硬涂层的减振效果.      

碰摩作用下盘片榫连结构接触特性的响应分析

以某压气机燕尾形榫连结构为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了盘片的有限元模型.用脉冲力模拟局部碰摩时的碰摩力,分析了两种碰摩情况对榫连结构接触特性的影响,首先分析了侵入量为定值时,不同转速对榫连结构接触特性的影响,接着分析了当转速为定值时,不同侵入量对榫连结构接触特性的影响.研究结果表明:随着转速的升高,榫连结构的最大接触压力和最大接触滑移距离不断的增加,最大接触压力变化规律变得更加复杂,而最大接触滑移距离变化规律逐渐趋于稳定并且最大接触滑移距离之间的变化幅度减小.随着侵入量的增加,榫连结构的最大接触压力以及最大接触滑移距离都会增大,但过大的侵入量将导致最大接触滑移距离发生突变.通过分析不同工况下几个节点接触压力及接触滑移距离的频谱响应,发现碰摩会产生转频的高倍频成分,当转频的倍频成分接近叶片固有频率时会出现倍频幅值放大现象.      

基于响应面方法的印制电路板模型修正

近年来,基于响应面的优化分析技术被用于有限元模型修正.给出了基于响应面方法的印制电路板(PCB,Printed Circuit Board)模型修正过程.首先利用ANSYS计算PCB的前6阶模态频率并与模态试验结果进行相关性分析;然后分别利用有限元分析和模态试验的前3阶模态频率构造3个目标函数,再利用前6阶共振频率的残差平方和构造第4个目标函数,每个共振频率的权重相同;最后利用多目标函数遗传算法进行优化分析,使得4个目标函数最小化.给出了一个案例对上述的修正过程进行了阐述.分析结果表明,基于响应面的模型修正技术可用于改善PCB的有限元模型,且可利用已有的商业有限元软件直接进行分析,易于工程应用.