一种韧性断裂准则中材料常数的计算模型及其应用

为确定符合板材变形规律的韧性断裂准则中的材料常数,基于传统M-K模型框架并进行修正,结合单向拉伸和平面应变试验数据,提出一种新的韧性断裂准则材料常数计算模型。利用MATLAB软件编写该计算模型的算法程序,得到应用于铝镁合金5A06-O板材的不同韧性断裂准则材料常数。同时将CL韧性断裂准则嵌入Abaqus/Explicit显示模块的用户材料子程序VUMAT。在200℃的条件下,对铝镁合金5A06-O板材在热介质胀形和充液热拉深中的断裂行为进行数值模拟,并与相同工艺参数下的试验所得结果作对比。结果表明,热介质胀形高度误差为6.2%,充液热拉深深度误差为8.5%,验证了韧性断裂准则材料常数计算模型的正确性,表明了CL韧性断裂准则在板材充液热成形中的适用性。     

Influence of thickness and initial groove angle in M–K model on limit strain of 7B04 by considering through-thickness stress

Marciniack–Kuczinski (M–K) model is widely used to predict material’s forming limit curve (FLC). The prediction of FLC traditionally neglected through-thickness normal stress. However, it cannot be neglected in some forming processes. Much work has been done to study the effect of through-thickness normal stress on FLC with constant through-thickness normal stress or constant ratio of through-thickness normal stress and maximum principal stress. In addition, based on Nakazima test process, the ratio of through-thickness normal stress and maximum principal stress has been derived, which was a function of instantaneous thickness and loading path. Here, initial groove angle in M–K model was not considered. In this paper, uniaxial tension tests and Nakazima tests were performed on 7B04 aluminum alloy. Based on Hill 48 yield criterion and M–K model, the prediction model of FLC was established. The increase of thickness can enhance FLC. Meanwhile, it is necessary to consider through-thickness normal stress and initial groove angle in prediction model. On the left side of FLC, the effect of initial groove angle on FLC is weakened by increasing sheet thickness. On the right side of FLC, the effect of initial groove angle on FLC is strengthened by increasing sheet thickness. On the right side of FLC, the relation between limit strain points with different thicknesses is linear under one certain loading path. Thickness has decisive effect on through-thickness normal stress level and the changing trendy of through-thickness normal stress during calculation is different under different stress condition.     

基于单向拉伸的防锈铝合金温热力学性能研究

通过不同温度及应变速率下的单向拉伸试验,获得了5A06-O防锈铝合金板材关键力学性能参数的变化规律。结果表明,在一定的应变速率下,5A06铝合金的流动应力及抗拉强度随着温度的升高而降低,断后延伸率随着温度的升高而显著的提高。当温度处在20～150℃范围内,均匀延伸率随着温度的升高而升高,而在150℃～300℃范围内,随着温度的升高而降低。另外,基于Fields&Backofen本构方程,对5A06铝合金在不同温度状态下的强化规律进行了分析和探讨,结果表明,随着温度的逐渐升高,应变强化指数不断减小,应变速率敏感系数则显著增大,应变速率强化作用明显增强。     

Deformation behaviors of four-layered U-shaped metallic bellows in hydroforming

Because of the complex constraint effects among layers in multi-layered metallic bellows hydroforming, the stress concentration and defects such as wrinkling and fracture may easily occur. It is a key to reveal the deformation behaviors in order to obtain a sound product. Based on the ABAQUS platform, a 3D-FE model of the four-layered U-shaped metallic bellow hydroforming process is established and validated by experiment. The stress and strain distributions, wall thickness variations and bellow profiles of each layer in the whole process, including bulging, folding and springback stages, are studied. Then deformation behaviors of bellows under different forming conditions are discussed. It is found that the wall thinning degrees of different layer vary after hydroforming, and is the largest for the inner layer and smallest for the outer layer. At folding stage, the wall thinning degree of the crown point increases lineally, and the difference among layers increases as the process going. The displacements of the crown point decrease from the inner layer to the outer layer. After springback, the U-shaped cross section changes to a tongue shape, the change of convolution pitch is much larger than the change of convolution height, and the springback values of the inner layer are smaller than the outer layer. An increase in the internal pressure and die spacing cause the maximum wall thinning degree and springback increase. With changing of process parameters, bellows with deep convolution are easily encountered wall thinning during hydroforming and convolution distortion after springback. This research is helpful for precision forming of multi-layered bellows.     

通过预成形降低内高压成形压力的机理分析

采用力学分析和有限元模拟对空心零件圆角部位在内高压成形过程中的应力分布和变形机理进行了分析,针对多边形截面空心件内高压成形,以矩形截面为例提出采用花瓣形预成形截面降低圆角成形压力的方法,分析了该方法降低圆角成形压力的机理,提出了花瓣形预成形截面形状关键参数计算公式,并通过试验进行了验证,为采用较低压力实现空心构件圆角内高压成形提供了理论指导.     

复杂异形截面薄壁环形件动模液压成形研究

 液压成形技术是成形薄壁零件的一种有效的解决方法。针对具有异形截面结构的某型发动机高温合金薄壁环形件,提出了液压成形结合动模轴向加载的复合成形方法,依据塑性力学方法和增量理论对成形过程进行了应力应变特征分析,并建立了有限元模型。基于有限元模拟和工艺试验,研究了筒坯成形区高度和型腔液压加载路径等关键工艺参数对零件成形结果的影响,探讨了成形过程中壁厚过度减薄、材料堆积"折叠"、形状不对称等失效形式,提出了优化的工艺参数。结果表明,提出的工艺方法可实现复杂异形截面薄壁环形件的整体精确成形,采用优化的筒坯成形区高度和液压加载路径可获得壁厚分布均匀、成形质量较好的零件。     

双路径自然增压铝合金2A12O充液拉深

 基于铝合金等难成形板材的需要,提出了双路径自然增压充液拉深新技术。用有限元法对铝合金2A12O双路径自然增压充液拉深进行研究,探讨径向压力和液池压力单独变化时对壁厚分布的影响;得到合理的液池压力和径向压力加载路径以及合适匹配比;分析了该方法中液池压力和径向压力成比例变化时,壁厚分布的变化趋势。结果表明：采用15.0~20.0 MPa的液池压力,并将液池压力经增压活塞1.45倍增压后引到毛坯法兰边缘,可获得壁厚分布比较均匀、成形质量较高的零件,并能显著提高板料的极限拉深比;液池和径向压力的比例变化影响成形零件的壁厚分布,并且在不同的成形阶段其影响趋势不同。对模拟分析得到的压力加载路径和增压比进行实验,得到拉深比达2.65的铝合金2A12O杯形件,并建立其成形合理的压力区域。     

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

一种民用飞机外翼与中央翼下壁板对接形式的研究

飞机外翼中央翼的对接结构非常重要,承担着传递外翼载荷到中机身和中央翼的重任。基于民用客机的一种金属外翼与金属中央翼的下壁板对接结构,分析了对接形式的传力特性。比较了对接肋下缘条开槽深度、长桁端头斜削成不同角度的情况下,对接结构的应力的分布,得出一种较优的外翼、中央翼下壁板对接形式。     

形状记忆合金梁式管接头密封性能数值研究

针对一种阴接头密封梁具有椭圆弧凹槽的形状记忆合金梁式管接头,利用ABAQUS软件建立考虑管内流体压力和温度的弹塑性有限元热力耦合模型,数值模拟得到阴、阳接头间的接触带宽和接触应力分布。基于逾渗理论与微观粗糙密封界面有限元接触分析,计算得到形状记忆合金材料密封界面泄漏概率为零的临界接触应力。结合第一道密封的接触应力分布,以S指数作为形状记忆合金梁式管接头密封性能的评价指标,数值模拟了预紧力、管内流体压力和温度对形状记忆合金梁式管接头密封性能影响。结果表明：在装配拧紧力矩范围内形状记忆合金梁式管接头密封性能随着预紧力增大而增强;密封性能随着管内流体压力的升高会提高,具有良好的自封性;在-50～200℃的管内流体温度范围内密封性能基本稳定,满足密封要求。数值分析表明在相同工作条件下形状记忆合金梁式管接头相比于不锈钢和钛合金梁式管接头具有更优的密封性能。     

复合材料机匣周向安装边模拟件强度与损伤分析

为了较准确地预测航空发动机机匣复合材料周向安装边的强度和失效模式,以某型涡扇发动机复合材料机匣周向安装边为对象,开展了复合材料机匣周向安装边模拟件的静拉伸试验和静强度及损伤预测方法研究。通过试验获得周向安装边模拟件静强度及给定考核静载下的损伤模式;基于3维逐渐损伤分析方法,采用挤压孔边局部节点合并等效接触算法,建立了复合材料机匣周向安装边模拟件的静载逐渐损伤分析模型,采用该模型对安装边模拟件不同角度的铺层损伤模式进行了分析。结果表明:静强度预测误差在6%以内,考核静载下的预测损伤与试验结果对比损伤区域基本一致;所建立的静载逐渐损伤分析模型具有较高的计算精度。     

基于场强法的平板法兰角焊缝接头的疲劳寿命估算方法

焊接接头疲劳损伤具有局部性特征.基于应力场强法的基本思想,通过对角焊接接头的场径分析,通过对法兰角焊缝接头应力集中区的弹塑性有限元计算和应力场强数值求解,得到了接头焊趾区局部应力场强.在此基础上,根据光滑试件的S-N曲线,最终得到了法兰角焊缝接头的疲劳寿命的一个估算值.该结果与局部应力应变法相比,疲劳寿命预测精度有较大提高,与试验结果吻合良好.      

带止口法兰连接结构刚度特性对结构振动影响

对带有止口的法兰连接结构刚度特性进行了数值仿真研究。使用有限元软件ANSYS分析了带有止口的法兰连接结构的迟滞特性。通过对止口接触面的变形-滑移机理分析,使用一个詹金斯单元和一个弹簧单元并联模拟法兰的一个扇区,并基于法兰弯曲变形时每个扇区的不同状态建立了整个法兰结构的弯曲刚度简化模型,并对该简化模型进行了仿真,该简化模型能够较准确地模拟带止口法兰连接结构的刚度特性。基于简化模型和梁单元建立了简化转子结构模型,分析了带有止口的法兰连接结构对转子稳态动力学响应的影响。结果表明带有止口的法兰连接结构的迟滞特性能够影响峰值频率,随着止口过盈量的增加,响应峰值显著降低,具有较好的振动抑制效果。      

冷轧张应力分布模型及其在辊系变形计算中的应用

以往张应力分布计算多以实验为基础,或理论模型建立过程中采用了过多假设,使张应力分布计算精度受到很大限制,针对这些情况,提出利用变分法建立单元出口张应力计算模型,并与影响函数法相结合建立了冷轧前张力横向分布计算模型及辊系弹性变形计算模型,并开发了相应的计算程序.用该程序计算了某公司单机架可逆冷轧机的单位宽轧制力、辊间压力、轧件厚度以及张应力等的横向分布并进行了分析.实例计算表明,计算结果与生产实测数据吻合较好,证明了理论模型是实用可靠的.     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

基于接触分析方法的机匣安装边密封性研究

针对某型航空发动机外涵机匣开环形槽结构的安装边,建立了包括安装边和连接螺栓的有限元计算模型.采用有限元接触分析方法对安装边结合面的接触应力和接触间隙进行了计算,分析了安装边螺栓孔距、安装边厚度和开槽深度对安装边密封性的影响.结果表明,安装边开环形槽结构有利于密封,适当增加安装边螺栓数和安装边厚度可改善其密封性.     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

复杂凸凹曲率飞机蒙皮充液成形技术研究与应用

随着飞机气动、隐身等性能要求的提高,飞机外形曲率更加异形化,大量应用复杂凸凹曲率蒙皮,传统的拉伸成形方法已经不能完全满足新一代飞机蒙皮加工的要求。基于生产某型号飞机复杂凸凹曲率蒙皮这一背景,介绍了充液成形基本原理及关键技术,利用有限元数值模拟方法,分析板材充液成形过程中液室压力、厚度减薄率、板材失稳及贴胎度的变化规律,优化工艺参数,并且根据数值模拟结果指导工业生产。理论分析和现场实践证明:充液成形技术为复杂凸凹曲率蒙皮零件的制造提供了新的工艺方法,满足新一代飞机的凸凹曲率外形蒙皮的制造要求。     

Numerical simulation of flow in swirl injector for power-law fluid

In order to investigate the flow characteristics of swirl injectors for gelled propellants, which actually behaved as non-Newtonian power-law fluid, a swirl axisymmetric model was established to solve Navier-Stokes equations and VOF (volume of fluid) equation, and the power-law constitutive equation was used to describe the rheology characteristics of the gelled propellants. The film thickness and velocity distribution in the swirl injector under different flow conditions were studied numerically. The simulation results show that the increased geometry characteristic parameter of the swirl injector contributes to the decrease of liquid film thickness. The liquid film thickness is almost independent of the pressure drop. The rheologic parameters have great influences on the inner flow of swirl injector: by increasing the fluid consistency index K and power index n, both the axial and the swirl velocities decrease dramatically; higher fluid consistency index K and power index n make the liquid film thickness increase. When the viscosity is large enough, the air core in the injector would vanish.      

航空发动机W形封严环封严效果影响因素分析

在一定气压差和封严面的机械表面形态下,W 形封严环的封严效果和其与法兰之间的封严面积密切 相关,合理选择封严环结构参数并提升封严环与法兰之间的封严面积,可以达到提升封严性的目的。使用有限 元分析软件ABAQUS模拟在预紧工况下,封严环主要结构参数、预压紧量对W 形封严环与法兰之间封严面积 的影响规律。结果表明:选取较大的外半径,预压紧量和壁厚可使零件与法兰封严面积增大,壁厚与外半径对 封严环与法兰接触面积影响较大,在设计过程中应综合考虑封严效果和刚度弹性,合理选择壁厚和外半径的 大小。