LF2、LF21、LD5、LD10四种铝合金圆棒单轴拉伸时的形变特性和断裂特征研究

本文对LF2、LF21、LD5和LD10四种铝合金圆棒单轴拉伸时的形变和断裂过程进行了研究。LF2和LF21得到的是通常的杯锥断口,而三种不同时效状态的LD5和LD10都发生剪切形变局部变化现象,并随之迅速剪断,得到的都是斜的剪切平断口。这可能是由于它们产生剪切形变局部化的滑移面硬化率对瞬时拉伸应力的临界比值不同之故。后者开始剪切形变局部化的临界比值较前者的为高,因而在实验中易于达到,剪切形变局部化发生后随即剪断。     

具有初始随机材料缺陷的非晶合金剪切带模拟

基于自由体积理论建立了以自由体积为内部参量的非晶合金本构模型,并通过ABAQUS UMAT子程序将之在有限元模拟中实现.以初始自由体积为材料缺陷参量,通过FORTRAN子程序抽取随机数及匹配单元编号的方法定义了初始随机材料缺陷.采用平面应变模型模拟了具有初始随机材料缺陷的非晶合金剪切带的形成和扩展过程,结果表明:自由体积局部增加会造成形变局部化,继而形成剪切带,并且剪切带的成核、形成和扩展会松弛周围应变和自由体积.数值模拟能有效捕捉非晶合金剪切带主要特征,其结果符合实验观察和自由体积理论预测.     

LC4铝合金薄板在单轴拉伸时的集中缩颈和断裂模式

薄板试样在单轴拉伸时通常先形成扩散缩颈,继而形成与拉伸轴成约60°的集中缩颈,然后沿集中缩颈断裂。在我们的试验中,过时效状态的LC4铝合金薄板的形变断裂行为符合通常规律,而欠时效和某些峰值时效状态的LC4铝合金薄板在形成与拉伸轴成约60°的集中缩颈后,并不沿集中缩颈断裂,却沿与拉伸轴成90°的方向断裂,宏观断口与拉伸轴在厚度方向成45°。本文对这种现象进行了分析和讨论,并提出了可能的解释。     

粘弹性板的蠕变屈曲研究

研究了有初始小挠度单向受压粘弹性板在两种民政部下的蠕变屈曲问题。第一种情况是建立控制方程时忽略横向剪切变形；第二种情况是不忽略横向剪切变形。通过求解控制方程得到了挠度随时间扩的解析表达式，从而又得到了瞬时临界载荷和持久临界载荷，并讨论了横向剪切变形对临界载荷的影响。     

柔性欠驱动机械臂的内共振现象及应用

针对柔性欠驱动机械臂研究了被动关节处于自由摆动和锁定状态下系统所具有的不同动力学行为.通过对平面二连杆柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析,发现这种多模态非线性动力学系统的内共振对系统振动行为有重要影响.当结构参数满足一定条件时,系统发生的内共振能有效减小机械臂末端的振动.利用这一现象,提出一种柔性欠驱动机械臂的开环振动控制方法,这种方法降低了闭环振动控制方法对驱动元件性能的过高或控制器稳定的困难.以平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了建模和数值计算分析,结果证明了以上方法和结果.     

论铝合金应力腐蚀DCB试样中的残留应力

测定了不同热处理状态LC4合金DCB试样中的残留应力。测定和计算了残留应力对裂纹尖端应力强度因子的贡献K_(1R)。试验证明,当K_(1R)值高于材料的K_(1SCC)值时,无外载荷的DCB试样中的裂纹能够应力腐蚀扩展到试样末端。进行160℃时效或予变形,能够消除淬火残留应力的大部分。     

泡沫铜/低熔点合金复合相变材料凝固放热分析

为研究泡沫铜/低熔点合金(LMPA)复合相变材料在间歇放热工作环境下恢复至初始状态的能力及不同孔隙率泡沫铜的添加对其凝固放热过程的影响，通过数值模拟对比分析了47合金、正二十三烷与泡沫铜复合前后的凝固放热过程，并调节泡沫铜/47合金复合材料孔隙率计算模拟芯片温度在凝固放热过程中温度随时间变化曲线。结果表明:泡沫铜的添加对2类材料凝固过程均有促进作用，模拟芯片恢复至目标温度所需时间分别被缩短6.6%和47.7%。因体积潜热值的差距，泡沫铜/47合金凝固时需放出更多热量，恢复至目标温度的时间较长，是正二十三烷复合相变材料的1.52倍。随着孔隙率的增大，复合相变材料恢复至室温状态所用时长变化不大，考虑到孔隙率对相变热控过程中的影响，实际使用时应综合考虑。      

高强阻尼铝合金的阻尼性能和组织稳定性

采用时效处理实验,研究了快速凝固/粉末冶金工艺制备的X7093/5(Zn-30Al)高强度阻尼铝合金的阻尼性能和组织稳定性.将阻尼铝合金分别在50℃,100℃,120℃保温10?h,50?h,100?h后空冷,采用动态力学热分析仪(DMTA)和透射电镜(TEM)分别测试其阻尼性能和观察微观组织的变化情况.研究结果表明: 阻尼铝合金在时效过程中,组织结构由最初细碎杂乱的晶态结构转变为具有规则晶界的大晶粒结构,晶界对合金阻尼性能的贡献增强.在室温至250℃的温度范围内,合金阻尼值由4×10^-3增至3.0×10^-2.阻尼铝合金在120℃以下、100?h以内的时效处理中,时效温度和时效时间的不同对合金阻尼性能的影响不显著,材料的阻尼性能稳定性良好.     

铝锂合金的内耗研究

研究了铝锂二元和五元合金的内耗。采用倒扭摆法,测定了不同热处理和时效状态的铝锂合金在升温和降温过程中的内耗和剪切模量。测量频率为0.3～5.0Hz。观测到了铝锂二元和五元合金中各自不同的内耗峰(即晶界内耗峰,Ke Peak)。实验表明,与纯铝和传统的铝合金相比,铝锂合金葛峰的峰高值比较低,并且对应葛峰的温度较低。根据晶界粘滞性滑动模型,上述实验结果可以归因于溶质原子Li及其沉淀相δ′(Al_3Li)和δ(AlLi)对晶界滑动的阻尼。本文对铝锂合金在不同热处理状态下的显微组织结构进行了透射电镜TEM观察。     

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

防护结构在斜撞击下的行为研究

以惠普尔（Ｗｈｉｐｐｌｅ）防护屏结构为例,通过实验研究了铝合金柱状弹体以第一门槛值附近速度斜撞击ＬＹ１２合金防护屏的特点,研究了不同速度下,不同撞击角度下,防护屏损伤的变化规律,对于速度在第一门槛值附近的斜撞击,以斜撞击存在一个临界入射角度,当入射角度大于临界入射角度时,发生滑弹现象,入射角度越大,产生的滑弹碎片数量就越多。     

基于大变形梁模型的风力机叶片气动弹性分析

以水平轴风力机为研究对象分析其叶片大幅值气动弹性动态响应问题.基于非线性欧拉梁模型和风力机叶片动态入流、动态失速气动力模型进行气动弹性建模.气弹方程的动态平衡求解采用Newton-Raphson迭代,分别通过牛顿下山法和同伦沿拓法这两种数值手段改善其迭代收敛性,并对这两种算法的有效性进行比较,结果表明同伦沿拓法的收敛性相对较好.以两种典型的水平轴风机为算例,在额定工作状态以及某些极端风况下计算叶片动态响应.根据叶片根部弯矩载荷幅值定义系统是否达到临界稳定状态,并针对关停状态的风机研究了叶片临界风速与来流方向角的关系.结果表明,某些极端风况和工作状态下,风机叶片根部弯曲载荷较大,相应临界稳定的风速较低.     

碳纤维增强镁基复合材料的界面反应和拉伸性能研究

采用气压浸渗法, 制备了碳纤维增强镁基复合材料. 实验中分别选用了c.p.Mg, AZ31 和AZ91 三种基体材料进行研究. 分别采用了扫描电子显微镜(SEM) 和透射电子显微镜(TEM) 分析了复合材料的拉伸断口和界面微区. 结果发现, 随着基体中Al 含量的增加, 界面处的化学反应逐渐加剧, 界面处不同程度的化学反应导致了不同的界面结合状态和界面结构.采用纯镁基体时, 界面呈现弱结合; 采用AZ31 和AZ91 为基体材料时,界面处出现针状反应产物, 且界面结合都较强.      

考虑支承刚性时转子的临界转速

提出用折合效应系数法计算考虑支点刚性及陀螺力矩影响时转子临界转速的方法,用以计算两支点刚性不同而周向刚性相同转子的临界转速。分析了支点刚性系数对临界转速性质的影响,得出一些结论,可供设计参考。拟制两支点刚性不同,周向刚性不均匀转子的临界转速计算方法及两支点刚性不同,周向刚性不均,且y(z)方向负荷会造成z(y)向变形情况下转子的临界转速计算方法。所有计算方法中考虑了陀螺力矩的影响,这就比目前已有的计算方法更接近实际。由性质分析所导出的一些概念,对实际设计机器时,如何考虑支点刚性对临界转速影响有参考作用。 学生陈宝歧、于香泉,在完成这项科研项目中付出许多劳动,在此表示衷心感谢。     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

外力对常温氧化膜开裂和剥落行为的影响

对外力下常温氧化膜开裂和剥落行为的影响作出了研究.从理论上推导出计算氧化膜临界开裂外力的公式,并通过A3钢发蓝膜和LY12CZ铝合金化学转化膜在扫描电镜下的动态拉伸实验证明氧化膜临界开裂外力的存在,同时还比较了两种不同氧化膜开裂行为的异同.另外,进行了氧化膜在3%NaCl溶液中开裂和剥落行为的电化学研究,通过两种材料在介质中拉伸时的自腐蚀电位变化情况,根据电位转折点的存在进一步验证了临界开裂外力的存在,最后进行了有无裂纹氧化膜的阻抗谱测量,说明氧化膜开裂将会加速电化学腐蚀.     

比例加载下应力幅比对2A12-T4疲劳寿命的影响

采用2A12-T4铝合金漏斗形试件,针对不同拉扭应力幅比,进行了比例加载下多轴高周疲劳寿命试验,研究了不同应力幅比对多轴高周疲劳寿命的影响.针对试验结果,采用3种常用的多轴高周疲劳寿命预测模型,包括等效应力准则、应力不变量准则、临界面准则进行了预测.结果表明:在相同的Von-Mises等效应力下,随着扭转应力幅与拉压应力幅比值的增大,疲劳寿命逐渐升高.等效应力准则的预测结果或过于危险,或过于安全;应力不变量准则的预测结果认为应力幅比的变化对疲劳失效没有影响,与试验结果不符;临界面准则的预测结果优于其他准则.     

航天器材料KAPTON和F4.6薄膜充电性能研究

Kapton和F4.6是两种航天器上最常用的重要热控材料,但它们都是高绝缘的有机高分子聚合物,故在充分利用它们的优良物化性质时,不能不关心它们在空间亚暴环境下表面充电的性能。为此本文在简述了新增环境温度变化的条件后,详细讨论了这两种材料在模拟空间真空、空间亚暴时电子辐照、太阳辐照及其所处环境温度变化时,它们表面电阻率随环境变化响应规律,并由此预测其充电的状态。     

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.