Time-dependent stresses in a beam under a load moving along its surface

We studied the time-dependent processes in a beam under the action of the load that is normal to its surface and moves with the constant velocity. It was found that the maximum stresses are realized in the fixed beam section at different moments of time depending on the travel speed of external load. With increasing the load movement velocity, the maximum stresses in the region of beam clamping are reduced, while the levels of local normal and shear stresses in the limits of its action increase more significantly approaching to the limiting values in accordance to the known experimental fact that at high rates the beam failure is caused by shear stresses.     

弯曲载荷下薄壁结构疲劳裂纹扩展性能

对某飞机座舱盖侧型材与锁环连接部位的疲劳裂纹扩展性能进行了研究。该结构区别于常见薄壁结构的特征是承受较大的弯曲载荷,使得利用薄板I型裂纹扩展的常用方法进行寿命分析会产生较大的误差。为了研究弯曲载荷下薄壁结构的疲劳裂纹扩展性能,开展了带孔板和侧型材结构模拟件的疲劳裂纹扩展试验。通过有限元仿真分析,研究了弯曲载荷对裂尖应力强度因子的影响,提出了一种当量应力强度因子变程公式;对本文所涉及的2种类型受弯曲载荷作用的试件,裂纹扩展寿命预测结果与试验吻合较好。研究表明,在相同的名义应力和裂纹长度下,薄板受弯时裂纹应力强度因子、裂纹扩展速率远低于受拉的情况;结构受到弯曲载荷时,锁环对连接部位的应力有显著的抑制作用,可以减缓疲劳裂纹的扩展;此外,合理的结构设计能够增加关键部位受弯时的疲劳裂纹扩展寿命。     

不规则裂纹宽度的一种分段评定法

针对表面裂纹边缘轮廓的不规则特性,提出了一种分段宽度评定方法.利用计算机数字图像处理的方法,在获得表面图像后,对该图像沿纵向进行分段,分别对每段的裂纹宽度用Ferret算法进行评定.为了比较不同的分段方法的优劣,提出有用信息利用率的概念,从几种分段方法中选出一种最优的方法进行分段评定,最后得出该裂纹宽度的定量评定.经过实例验证,用此方法可以定量评定裂纹的宽度,评定的结果可以为机械结构表面检测提供有效依据,该方法也可应用于一般不规则图形几何尺寸的定量评定.      

某航空发动机火焰筒在动载荷下的频率响应分析

在火焰筒中由于燃烧不均匀产生的脉动,会形成一个较宽频率范围的声激振动,受这种振动的影响火焰筒可能在某一个固有频率下激振,如果激振所造成的振动应力足够大,将产生高循环疲劳破坏,最终导致火焰筒局部壁面脱落[1].因此研究发动机火焰筒在动载荷下的频率响应十分必要.利用UG软件建模和ANSYS动载荷分析软件,计算求出某航空发动机火焰筒的前十阶固有频率和振型.对火焰筒在0～1000Hz的激振频率下进行频率响应分析,分析结果对火焰筒设计和排故有一定参考作用.     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

带保载平面应变塑性诱发裂纹闭合效应

用黏塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸加载和保载作用下的裂纹扩展规律.试件采用涡轮盘材料Udimet720 Li(low inclusion)、恒温700℃和平面应变假设,通过逐步释放裂纹尖端节点约束来模拟裂纹扩展.计算了在应力比R=0,不同最大循环载荷、不同保载时间对平面应变下无量纲裂纹张开应力强度因子的影响.平面应变情况下,无量纲裂纹张开应力强度因子随最大载荷的变化而趋于分散,并随着裂纹的扩展,会存在先上升后下降并趋于一个稳定值的趋势;载荷相同时,保载时间的增加使裂纹张开应力强度因子增加.高温保载情况下,蠕变会影响裂纹扩展速率.      

Dynamics of a discretely reinforced cylindrical shell under live load

This study proposes an approximate solution to a contact problem of dynamic deformation of a cyclically symmetrical discretely ring-stiffened cylindrical shell, the side surface of which is subjected to an evenly distributed inertia live load. The solution of the problem assumes the quasistatic mode of deformation of the structure. Several critical velocities of the live load have been found. A number of examples are presented.     

含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析

基于三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.0,结合有限元软件,采用子模型技术建立断裂力学有限元模型.对带孔平板试样的裂纹扩展进行了数值模拟,分析了裂纹扩展规律,计算结果与手册解误差很小,结果表明了分析方法的可行性和准确性.建立了含销钉孔边裂纹的轮盘断裂力学有限元模型,对其进行了三维动态裂纹扩展分析,计算了应力强度因子和裂纹扩展寿命.结果表明:该分析方法简单可行,几种裂纹形式中销钉孔内表面裂纹对轮盘裂纹扩展寿命危害最大.      

重载下可倾瓦推力轴承的热弹流润滑特性分析

建立了可倾瓦推力轴承的热弹流润滑（TEHD）模型,应用Newton-Raphson迭代法求解,研究了弹性变形、热变形和载荷对油膜静动态特性的影响。结果表明:弹性变形会减弱油膜动压效应,而热变形会增强油膜动压效应;随外载荷增大热变形对轴承静动态特性的影响逐渐减弱而弹性变形的影响更加显著,重载条件下弹性变形的影响更为敏感。考虑轴承材料抗压性能和抗高温性能对可倾瓦推力轴承静动态特性的影响,对优化推力轴承设计、保证其稳定性和安全性具有重要意义。      

主动来流条件类平板断面气动力荷载效应分析

利用日本宫崎大学11×9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备,测量了类平板断面在正弦风波来流条件三分量气动力荷载,比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等参数条件下类平板断面荷载效应。报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应;在获得并验证正弦风波加载离散频率荷载效应可线性迭加的有效频段区间内,初步比较了来流积分尺度和风速湍流度效应对于气动荷载效应的影响,阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振气动力理论的差异。     

Multiphysics simulation method of Lamb wavepropagation with piezoelectric transducers under load condition

Lamb Wave(LW) simulation under time-varying conditions is an effective and low cost way to study the problem of the low reliability of the structural health monitoring methods based on the LW and Piezoelectric Transducer(PT). In this paper, a multiphysics simulation method of the LW propagation with the PTs under load condition is proposed. With this method, two key mechanisms of the load influence on the LW propagation are considered and coupled with each other. The first mechanism is the acoustoelastic effect which is the main reason of the LW velocity change. The second key mechanism is the load influence on piezoelectric materials, which results in a change of the amplitude. Based on the computational platform of the COMSOL Multiphysics, a multiphysics simulation model of the LW propagation with the PTs under load condition is established. The simulation model includes two physical phenomena. The first one is called solid mechanics, which is used to simulate the acoustoelastic effect being combined with the hyperelastic material properties of the structure in which the LW propagates. The second one is called electromechanical coupling, which considers the simulation of the piezoelectric effect of the PTs for the LW excitation and sensing. To simulate the load influence on piezoelectric materials, a non-linear numerical model of the relationship between the load and the piezoelectric coefficient d31 is established based on an experiment of the load influence on the LW. The simulation results under uniaxial tensile load condition are obtained and are compared with the data obtained from the experiment. It shows that the variations of the phase velocity and amplitude of the LW obtained from the simulation model match the experimental results well.     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

循环加载下复合推进剂的能量耗散

在空空导弹的挂载飞行阶段,弹体高频振动导致的固体推进剂温升极大地损害了固体火箭发动机的性能。为深入探究固体推进剂的能量耗散及其影响因素,针对某复合推进剂进行了不同应变幅值下的多频率疲劳测试,并利用非接触式红外辐射装置同步采集了循环加载下推进剂试件的表面温度,讨论了频率、应变幅值两个因素对复合推进剂能量耗散的影响。结果发现,复合推进剂由于自身的黏滞性,在外部激励下产生了剧烈的疲劳生热行为,其能量耗散密度随着加载幅值和频率的增大而提高,能量耗散带来的试件表面温度呈现出先增大后稳定的规律。根据能量耗散和温度场方程,建立了复合推进剂疲劳过程中的温升计算模型,利用有限元仿真对不同加载条件下推进剂的滞后温升进行了较好的预测。     

周期间歇卷吸条件下弹流油膜的实验研究

应用光干涉方法对周期间歇卷吸条件下的弹流油膜进行了测量,结果显示了三种不同的局部油膜凹陷。第一种油膜凹陷产生于固体表面周期性的运动和停止,纯滚动的凹陷封油量大于纯滑动的封油量。第二种凹陷产生于启动过程的速度振荡瞬时峰值,该类局部凹陷以卷吸速度通过赫兹接触区。纯滑动条件下,界面滑移作用产生第三种凹陷,该凹陷位于入口附近,与表面速度和运动时间有关。实验中观察到的现象可由油膜的挤压效应,卷吸效应和界面滑移效应进行解释。     

角接触球轴承在高速大载荷工况下滑油中断耐受能力分析

通过研究角接触球轴承断油故障的故障复现现象,发现断油耐受能力不足的初期故障模式为滚动体与内圈之间发生三点接触。使用三点接触分析法对轴承断油耐受能力进行计算,结合相似轴承的计算分析,结果表明:垫片角越大,轴承抗断油能力越差,垫片角为25°的情况下轴承抗断油能力较差。通过断油后轴承的瞬态温度场分析,结合三点接触分析法,确定原设计状态的轴承断油耐受时间为25 s,不具备耐受断油30 s的能力。根据分析的结论,将该轴承的垫片角减小到19°,落实改进措施后的轴承通过了试验器验证和发动机试车验证。      

轴向过载下固体推进剂药柱变形研究

采用Φ315试验发动机,对某新型推进剂翼槽型药柱进行了10g,20g,30g和35g的轴向过载离心实验,测量了药柱前端面靠近内孔处测点的位移;并运用三维线性粘弹性有限元模型,对离心实验过程进行了数值模拟,以确定固体推进剂药柱在轴向过载作用下的变形问题。结果表明,计算值与实验结果符合较好,证实了粘弹性有限元模型适用于过载条件下药柱变形的研究。     

拉伸载荷下管路连接副的密封性分析

研究了航空发动机钛合金管路连接副在拉伸载荷下的密封性能.首先,建立了连接副的等效刚性模型, 分析其在拉伸载荷下的受力,研究了密封面的接触力随拉伸载荷的变化规律,从机理上分析了拉伸载荷下管路连接副的密封性.第二,建立了管路连接副在拉伸载荷下的多体弹性接触模型,并对其进行有限元分析.采用初始渗透接触法,实现连接副的预紧状态,在此基础上施加拉伸载荷,然后再进行有限元求解.同时,研究了连接副密封面的接触力、接触面积和接触应力随拉力的变化规律,从而定量地分析连接副的密封性.      

喷流作用下的单边膨胀后体气动载荷

高隐身无人机为提高侧向、后向隐身指标,机身和喷管-后体结构的一体化设计尤为重要,该设计在气动、结构、强度等领域带来了新的挑战,喷流作用下的气动载荷预测是其中一个关键问题。利用CFD方法结合风洞试验数据,对高隐身无人机喷管-后体结构的稳态、动态气动载荷及其影响规律进行研究,结果表明：喷流形成的复杂波系投影到后体壁面上会形成压力、吸力交替的气动载荷,该载荷分布对喷管落压比极为敏感,小幅度的落压比变化即可能导致载荷方向变化;稳态气动载荷分布也会受到来流速度、次/主流流量比等的影响。基于IDDES方法的数值计算对动态气动载荷有不错的预测精度,将流场划分为喷流主流与次流掺混区、喷流核心区、喷流与外流掺混区等几个区域,有助于从流动机理上揭示脉动压力的分布规律,且得到了试验验证。动态载荷极值区位于喷流区边界,正是气流剪切掺混最强的位置,而喷流核心区尽管稳态气动载荷强,但动态气动载荷相对较低。     

轴向力作用两端支承梁的固有特性和稳定性分析

推导了轴向力作用下的两端支承梁的运动微分方程,以两端支承梁的振型函数为假设振型函数,分析了不同扭转弹簧刚度下轴向力变化对梁固有频率的影响,导出了两端支承梁在临界轴向力作用下的解析表达式,讨论了扭转弹簧刚度对梁临界轴向力的影响特性.