纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性,研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法,并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法,计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内,45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大;当金属厚度不变,外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大;当轴结构壁厚保持6mm不变,减小复合材料层的厚度,同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度,其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.      

纤维增强复合材料的损伤特征及失效分析方法

给出了纤维增强复合材料单向板的基本失效模式,总结了多向层合板的损伤特征.复合材料层合板中存在四种基本的失效模式,即:基体开裂、分层、纤维断裂及脱粘.上述四种基本失效模式虽然可组合出多种复杂模式,但任何复合材料的失效均可分为以"基体控制为主"或以"纤维控制为主"两种.本文还讨论了复合材料中的失效分析方法.目前,有关复合材料断裂图像的知识仍是有限的,但已引起人们的高度重视.     

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术

本文围绕连续纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术,从失效机理与力学特性、失效分析模型和模型的校验与验证三个方面阐述相关研究进展,并指出未来的发展方向,其中重点关注了试样级和元件级典型结构的失效机理及其对应的介观尺度失效分析模型的研究。     

某复合材料主桨叶疲劳试验提前失效模式分析及改进

首先介绍了某复合材料主桨叶疲劳试验提前破坏情况,并从结构设计、制造质量和试验方法三个方面进行分析,最终找出了试验载荷超过了桨叶过渡段后缘抗屈曲能力是此次疲劳试验提前失效的主要原因,另外摆振刚度突变和模压桨叶质量差是导致在1000剖面附近开胶的重要原因。在第二次疲劳试验时,通过改进桨叶结构和制造工艺,调整试验载荷,最终获得了疲劳试验验证。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料拉伸载荷下的失效模式分析

通过常温干态、常温湿态、高温干态、高温湿态四种环境条件下,对5种国产碳纤维与T300碳纤维复合材料进行纵向拉伸试验,采用宏微观相结合的方法,从数据表现、宏观形貌以及微观形貌(电镜扫描照片)三个方面对其失效模式和损伤机理进行了研究.结果表明国产纤维复合材料虽然在拉伸性能上基本能超越T300复合材料,但是其失效模式却不尽相同,特别是由于界面性能的不同而造成的失效模式的差异尤为明显.因此,国产碳纤维复合材料要得到更为广阔的应用,还需进一步改进其界面性能.      

涡轴发动机自吸油试验方案设计及验证

阐述了涡轴发动机自吸油特点,对比了国内外相关标准对涡轴发动机自吸油能力的评定要求和方法。研究了涡轴发动机油泵自吸油工作机理,总结出合理可行的自吸油试验方法,并进行了飞行试验验证,以确定影响飞行试验方法的各种因素,包括自吸供油的高度边界、各个高度自吸供油的速度范围和发动机状态。试验表明,影响发动机自吸油边界的主要因素为发动机状态和飞行高度,所提出的试验方案经验证可行且能够较为充分地验证发动机自吸油能力。     

三维五向编织复合材料的冲击压缩特性及破坏机制

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统和高速摄像技术对三维五向碳/环氧编织复合材料的动态压缩特性进行研究。通过对编织角为22.3°的试样分别进行沿纵向和横向方向的冲击压缩实验,得到材料在200~1200 s^-1应变率范围内的应力应变曲线,并结合高速摄像记录的动态压缩过程,对不同应变率下材料在高速变形下的渐进破坏规律进行分析。同时,综合试样的宏观破坏特征和微观断口形貌特征,进一步分析材料的破坏模式及破坏机理。结果表明:随着应变率的增加,材料在纵向和横向均具有一定的应变率强化效应,在横向方向的应变率强化效应更为显著;不同加载方向下材料的渐进破坏过程、应力应变曲线特征以及破坏方式均具有明显差异,且随着应变率的增加而发生改变。     

航空发动机低压转子系统的“可容模态”设计及实验验证

建立了带弹性支承和阻尼器的航空发动机低压柔性转子动力学模型,进行了模态计算以及临界转速处的响应计算。在考虑临界转速约束与“临界跟随”现象约束的条件下,综合模态不平衡影响因子、弹支应变能占比以及套齿连接结构稳定性构造了可容度评价函数,建立了低压转子系统的“可容模态”优化设计方法。设计并搭建了低压转子实验系统,从模态测试实验、阻尼器减振实验以及长时间“共振”实验,验证了设计方法的可靠性。研究结果为计算的临界转速与实际测量的临界转速最大误差为3.86%,阻尼器在1阶与2阶临界转速处的减振比最大可达45.6%,实验转子系统在1阶与2阶临界转速处各完成了长达412.5 s和429.8 s的“共振”实验,共振过程中转子系统各通道振动单峰值稳定在100μm以内,且无次谐波产生。表明了所建立的航空发动机低压转子系统“可容模态”优化设计方法是可行的。     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

Mechanical behavior and properties of fiber reinforced ceramic matrix composites for high temperature use

Ceramics can keep their mechanical characteristics up to 2 000℃ or higher.In this paper,A model to predict ultimate strength of continuous fiber-reinforced brittle matrix composites is developed.A statistical theory for the strength of a uni-axially fiber-reinforced brittle matrix composite is presented.Also a semi-empirical frictional heating method for estimating in-situ interfacial shear in fiber-reinforced ceramic matrix composites was improved.Local uneven fiber packing variation as well as uneven micro-damage during fatigue can be expected to have effects on the composites:generation of frictional heating,thermal gradients,and residual stresses around local fiber breaks.This study examined those engineering interests by the finite element method.      

颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟

基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能够反映颗粒增强复合材料基体和夹杂界面产生脱层的新单元,结合网格重划分技术,模拟含任意随机分布夹杂的复合材料界面开裂的力学性能。为了分析夹杂和基体之间脱层对细观结构演化和宏观性能的影响,采用了临界节点移动技术。编制的有限元程序,能够描述界面逐步脱离过程和应力场的变化。计算实例和普通有限元方法进行比较,证明其精度完全符合要求。     

连续玻璃纤维增强热塑性复合材料工艺及力学性能的研究

选择三种国产高性能热塑性树脂 ,聚醚砜、酞侧基聚醚砜、酞侧基聚醚酮和高强玻璃纤维粗纱 ,采用连续预浸渍技术和高温、高压成型工艺 ,确定出合理的工艺参数 ,分别制备了树脂基体试件和单向板试件 ,并对其进行了相关力学性能试验研究。通过扫描电镜对单向板试件断口进行了分析