定向结晶气冷叶片的蠕变分析方法

用宏观连续介质力学方法对航空燃气涡轮发动机定向结晶空心气冷叶片进行了热弹性蠕变分析。用Hill理论建立了各向异性材料的本构模型及其流动法则,对高温镍基合金DZ－22在750℃和900℃进行了拉伸的蠕变试验,得到了各向异性材料的蠕变方程常数,从而用非线性有限元法计算了定向结晶整体片在0.1h,10h,30h,70h的蠕变行为,得到了最大等效蠕变应变值和最大等效蠕变应力值及其所在部位。     

考虑孔隙的针刺C/SiC复合材料弹性参数计算

基于针刺陶瓷基复合材料试件(CMCs)光学显微照片的微观型貌,并选择恰当的代表体积单元(RVE),建立了针刺陶瓷基复合材料弹性性能预测的单胞模型.考虑了孔隙率对基体和纤维束弹性性能的影响,采用混合率计算出纤维束的弹性常数,然后将纤维束和基体的弹性参数代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到复合材料的整体弹性常数.开展了材料拉伸试验和孔隙率测定试验,测得材料的开孔孔隙率为7.33%,闭孔孔隙率为10.67%,弹性性能的计算结果与试验吻合较好,误差为3.1%.      

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

定向结晶气冷涡轮叶片应力分析

本文利用大型非线性有限元通用程序对定向凝固结晶的气冷叶片进行了热弹性分析。对DZ-22材料性能常数进行了分析和确定。建立了横观各向同性的本构模型。根据叶片模型和最大工作状态选用八节点三维元计算了离心应力、热应力和总的当量应力, 作了相应的前后置处理。      

定向结晶材料力学常数测试技术

高温材料的不断使用,使航空发动机性能不断改善。而高温下材料弹性常数难以获得,因为传统的力学测试方法难以进行高温下变形的精确测量。激光云纹干涉法具有高灵敏度、大量程、非接触、全场和实时观测等优点,从而得到广泛的应用。本文介绍了利用清华大学高温激光云纹干涉测试系统,对高温定向结晶材料弹性常数的测试技术。     

定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性研究

针对定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复需求,研究了在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性问题.在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738合金对裂纹非常敏感,所产生的裂纹为热裂纹,由定向凝固基体晶界处引发并穿过界面向熔覆层发展;多层熔覆过程中熔覆层间也会产生热裂纹,热裂纹沿晶界纵向扩展.定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主要的裂纹源.严格控制激光熔覆过程中的热输入量可以显著降低裂纹敏感性.选择适当的熔覆工艺方法和参数可以在定向凝固镍基合金基体上形成良好冶金结合且无裂纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织.     

平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测

 针对平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料,按照“从底向上”的顺序考虑了纤维丝/界面/基体尺度以及纤维束/基体/涂层尺度下的微结构有限元模型。采用能量法依次进行了两个尺度上的等效性能计算,首先在纤维丝/界面/基体的尺度上计算了纤维束的等效弹性参数,然后将这些参数代入到纤维束/基体/涂层尺度微结构模型中,计算得到复合材料的整体弹性常数。数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了所提计算方法以及模型的有效性。     

夹层玻璃力学模型的探讨

根据夹层玻璃的实验应力分析结果和板壳弹性理论,提出复合刚度矩阵处理均质连续夹层玻璃和分解外力计算单片玻璃两种力学模型和计算方法,分别针对夹层材料的不同弹性常数下的受力状态,采用有限元数值计算得出有一定精度并非常实用的夹层玻璃应力分布。     

SiO_(2f)/SiO_2织物复合材料变形及弹性常数研究

以溶胶-凝胶法制备的层状SiO_(2f)/SiO_2织物复合材料为研究对象,采用试验和数值方法研究了材料的变形机制和弹性常数。首先,采用试验方法测量了材料沿纤维方向的弹性模量;其次,采用代表性体积单元法建立材料的胞元模型,并基于周期性边界条件,得到材料的等效杨氏模量,与通试验结果相比较,验证有限元模型的可靠性;最后,通过有限元方法分析胞元在不同拉伸载荷、剪切载荷作用下的变形,从而得到材料的等效拉伸模量、剪切模量和泊松比共9个弹性常数。研究表明:基于周期性边界条件的代表性体积单元法解决了胞元变形不协调问题,可用于预测材料的弹性常数模量,分析结果与试验测试结果相吻合,能够正确反映SiO_(2f)/SiO_2复合材料的力学行为。研究结果可为材料的结构设计和优化提供参考。     

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

复合材料泡沫夹芯板胶接修理的压缩性能

针对复合材料泡沫夹芯结构在维修结构性能研究方面的缺失,在完成了复合材料泡沫夹芯板的维修与压缩性能测试之后,建立了结构有限元分析模型,结合夹芯结构的稳定性理论解析模型,并对复合材料泡沫夹芯结构的胶接修理压缩性能进行验证。结果表明:通过试验结果简化了有限元分析模型中的胶层设置;应用复合材料夹芯结构的稳定性理论解析模型,能够快速获得复合材料夹芯维修结构的侧压极限载荷上限值;复合材料泡沫夹芯修理结构的主要侧压破坏模式为面板一阶与二阶屈曲失效,该结果说明复合材料泡沫夹芯修补结构的有限元模型与解析稳定性理论模型的计算精度较高,具有较强的工程实用性。     

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数,提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型,该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础,用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分,满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数,与其他计算结果和实验结果的比较表明,该几何模型和有限元模型比较合理。     

表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

针对表贴式永磁电机转子在高速高温状态下转子强度计算问题,提出了考虑磁钢分块结构的转子模型。基于厚壁圆筒理论推导了转子强度计算的解析解,分别计算出碳纤维护套及磁钢的切向应力和径向应力;基于有限元法分析了多种工况下的转子强度,在高速及高温工况下转子所受应力均会增加;对比解析分析结果表明,有限元法及解析法均能准确计算碳纤维护套应力,而磁钢却受到边缘效应的影响,磁钢边缘应力增大,解析分析难以进行精准计算;基于有限元法分析护套与磁钢过盈量,优化了转子结构,提出了过盈量的最优范围。     

缝合复合材料单层板的弹性常数分析

根据缝合层合板的细观几何特征,考虑因缝线穿过纤维导致纤维弯曲的近似正(余)弦曲线情况,建立了反映缝合复合材料层合板细观结构形式的单层板有限元模型。在此模型的基础上分析了T700/QY8911缝合单层板的有效弹性常数,并与未缝合模型进行了比较。有限元模型和实例分析说明利用有限元途径分析缝合单层板的有效常数是切实可行的,同时为缝合层合板/壳的有关常数的有限元分析奠定了理论基础。     

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

残余应力对加工变形影响的分析与模拟

为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势。结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合。采用有限元法进一步研究了材料去除过程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同。     

高速异步电主轴电机的电磁噪声分析

采用有限元法分析了高速异步电主轴电机定子结构的动力学特性(振型、固有频率),分别采用解析法和有限元法分析了电机在额定转速60 000 r/min下空载和负载的电磁力波,利用傅里叶变换对径向气隙磁密和径向电磁力波进行了谐波分析,得到了不同阶次不同频率下的谐波幅值。还将得到的电磁力波加载到电机定子相应节点处,对高速异步电主轴电机进行了电磁振动和声场分析,并计算出电机在空载和负载情况下产生的电磁噪声。     

轴向充磁圆筒型永磁直线同步电机气隙磁场解析计算

介绍了一种基于许-克变换法的轴向充磁结构圆筒型永磁直线同步电机(TPMLSM)气隙磁场解析计算方法。首先采用许-克变换法计算出无齿槽时电机的气隙磁场;然后利用许-克变换法求取初级铁心开槽时的气隙相对比磁导函数,分析铁心开槽对气隙磁场的影响;最后通过无齿槽时的气隙磁场与有齿槽时的气隙磁场相对比磁导函数得到有齿槽时电机的气隙磁场分布。同时给出了该种充磁结构TPMLSM气隙磁场解析计算表达式,并以1台36/12极槽配合轴向充磁TPMLSM样机进行试验。试验结果证明空载气隙磁场的有限元分析值与解析值较吻合,空载电动势(EMF)计算值、试验测试值、有限元分析值一致。     

Boundary discontinuous Fourier analysis of thick beams with clamped and simply supported edges via CUF

This paper presents an analytical solution for static analysis of thick rectangular beams with different boundary conditions.Carrera's Unified Formulation (CUF) is used in order to consider shear deformation theories of arbitrary order.The novelty of the present work is that a boundary discontinuous Fourier approach is used to consider clamped boundary conditions in the analytical solution,unlike Navier-type solutions which are restricted to simply supported beams.Governing equations are obtained by employing the principle of virtual work.The numerical accuracy of results is ascertained by studying the convergence of the solution and comparing the results to those of a 3D finite element solution.Beams subjected to bending due to a uniform pressure load and subjected to torsion due to opposite linear forces are considered.Overall,accurate results close to those of 3D finite element solutions are obtained,which can be used to validate finite element results or other approximate methods.