大尺寸复杂筒状铝合金精铸件浇注系统设计方法研究

研究大尺寸复杂筒状铝合金精铸件浇注系统的设计方法,通过对三种具有筒状结构的大尺寸复杂铝合金精密铸件的浇铸系统设计和浇注试验,研制出冶金质量和力学性能合格的铸件.结果表明,缝隙式浇注系统或缝隙式与底注式相结合的浇注系统是该类铸件比较理想的浇铸系统设计方式.     

含多处损伤搭接结构应力强度因子有限元分析

 采用铆钉的两种表现形式（详细杆元和简化的弹簧元）的组合方式建立了含多处损伤(MSD)多铆钉搭接结构的有限元模型，通过分析得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明，相对于单裂纹和无腐蚀情况，MSD和腐蚀损伤都会增加SIF值，当裂纹间距大于孔间距一半时，可不考虑裂纹间干涉效应；在给定的循环应力幅下，应力强度因子幅随干涉量的增加而降低，但干涉量大到一定值时，SIF对其不再敏感；铆钉材料对SIF的影响很小，而铆钉直径增大20%，SIF约增加6%。反平面翘曲对SIF有很大的影响，相对于无反平面翘曲，SIF下降一个数量级。     

胶粘剂弹性模量对间隙接头应力和强度的影响

 运用弹塑性有限元法，研究了胶粘剂弹性模量对含间隙的铝合金单搭接接头的影响。通过分析胶层和被粘物的应力分布，结果表明：间隙连接对接头端部的应力分布无明显影响，但对间隙附近的应力峰值影响较大；随着胶粘剂弹性模量的增大，间隙附近的应力峰值反而减小；对于高弹性模量胶粘剂接头，间隙对接头的应力峰值无明显影响，在不降低接头名义强度的基础上极大地提高了接头的实际强度；而对于低弹性模量胶粘剂接头，间隙使得接头的应力峰值明显上升，显著地降低了接头的名义强度和实际强度。数值模拟结果与已发表的试验数据大致吻合。     

含多部位损伤搭接结构应力强度因子三维有限元分析

应力强度因子(Stress intensity factor,SIF)分析是含多部位损伤(Multiple site damage,MSD)结构剩余强度和裂纹扩展寿命预测的基础和关键。考虑接触与摩擦,建立了含MSD搭接结构的三维有限元模型,研究了不同裂纹长度、铆钉类型以及损伤模式下裂纹尖端SIF分布情况和变化规律。结果表明,搭接件孔边裂纹Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计。由于次弯曲、铆钉变形和板厚度等因素,SIF在外表面最小,接触面一侧较大,最大值多位于蒙皮内部。MSD会使裂纹间的干涉作用增强,SIF增大,且裂纹间距离越近干涉作用越强。裂纹长度相同时,埋头铆钉的孔边裂纹SIF积分均值大于平头铆钉,且接触面的SIF埋头铆钉大于平头铆钉,外表面则相反。     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试，研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响，获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度，可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右，但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法，对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析，预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度，模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

复合材料缠绕接头几种受力状态的解析分析

针对复合材料缠绕接头,利用Airy 应力函数,推导出与其相关的缠绕圆筒受内外压力的应力解析表达式,进而对缠绕圆拱形梁受弯矩以及受均匀拉伸载荷、不同材质复合材料多层缠绕圆筒承受内外压力的应力分析方法进行了研究。文中讨论了接头内圆弧处应力集中系数随外/内径比值和环向/径向弹性模量比值的增加情况,并对复合材料缠绕接头的两种增强方法,即施加预应力或混杂材质缠绕进行了探讨     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

不同重力环境下间隙铰链关节磨损分析

为研究不同重力环境对空间机构间隙铰链关节磨损的影响，将机械系统摩擦学行为和动力学行为相耦合，建立了磨损与动力学耦合分析模型和数值计算框架。首先采用非线性弹簧阻尼模型作为间隙处接触碰撞力的计算模型，同时采用Coulomb 法来计算运动副间隙处的摩擦力，进而建立了含间隙的机构动力学模型；然后通过基于Archard磨损模型二次开发的ANSYS程序来计算磨损，其中运用节点位移的方法来描述磨损过程。结果表明：当间隙关节转速较低时，重力对于关节轴承的磨损分布和磨损程度的影响很大，轴承出现集中磨损现象，磨损间隙急剧增加，严重影响机构的性能和精度；随着关节转速升高，重力对间隙关节磨损的影响逐渐减弱，轴承的磨损分布、磨损程度和关节最大磨损间隙的增长率将逐渐与微重力环境下趋同。     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。