非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。     

韧性断裂准则中材料参数的特征和估算方法

对经过球化处理的20号钢进行一步加裁和两步加载实验,研究了作者提出的韧性断裂准则中材料参数的统计特征,并导出该参数的估算公式。结果表明,该参数服从正态分布,所建立的估算公式是合理的。所提出的韧性断裂准则可以揭示塑性加工过程中工件内部损伤演化规律和预测材料加工性。     

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。     

基于损伤力学的金属材料韧性断裂失效分析

金属韧性断裂是损伤累积的结果,以孔洞演化理论和细观损伤力学模型为基础,将韧性断裂机制

分为拉伸型和剪切型两种类型,提出了一个适用于不同变形路径的统一形式的韧性断裂准则。通过编写用户

材料子程序VUMAT,将韧性断裂准则嵌入到ABAQUS 有限元软件的准静态算法主程序中,模拟了航空铝合金

LY12CZ(Kt =1 和3)单向拉伸时材料损伤累积、裂纹萌生、扩展直至韧性断裂的物理全过程,并通过拉伸试验

验证了模型的有效性。韧性金属材料孔洞断裂机制研究表明,单调加载过程中宏观裂纹的形成是孔洞在夹杂

物和第二相微粒周围形核、长大直至聚合的结果。

     

铝合金旋压塑性成形的有限元模拟分析及其应用

以某铝合金旋压塑性成形工艺为应用研究对象,结合旋压成形工艺的关键技术,采用基于Msc.Marc的非线性有限元分析软件平台,对平板旋压和锥形件收口剪切旋压进行了模拟,模拟分析结果对产品旋压方案设计、模具设计、旋压工艺参数的制定有较好的实用价值.     

一种改进模拟退火算法在非线性方程组求解中的应用

将非线性方程组的求解问题转化为求多元连续函数极小值的无约束优化问题,提出一种求解该优化问题的改进模拟退火算法,从而得到非线性方程组问题的高精度解,数值仿真结果表明了该算法是可行而有效的.     

一种改进的基于分解控制的非线性力矩补偿策略及其在直流电机系统中的应用

 针对直流电机系统中存在的非线性摩擦力矩和波动力矩,提出一种改进的非线性力矩补偿策略,将重复控制机制引入到基于分解控制的补偿策略中。其中,鲁棒自适应补偿器用来补偿系统中存在的非线性摩擦力矩和波动力矩;而插入的重复控制器用来进一步提高系统运动曲线的跟踪性能。二者的综合构成了系统完整的控制律。Lyapunov方法证明了闭环控制系统的全局稳定性。最后,通过对高精度伺服系统的仿真研究证明了该改进补偿策略的有效性。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

改进ADRC及其在飞行增稳控制中的应用

非线性自抗扰控制器(ADRC)具有极强的鲁棒性和优异的控制性能,但控制器参数设计较为繁琐。引入了新的非线性函数,简化了控制器的参数设计,且非线性扩张状态观测器(ESO)在原点处具有渐进稳定性。设计了基于模型跟踪的一阶ADRC飞机纵向增稳控制器。仿真结果表明,在大飞行包线内飞机的动态特性发生了很大变化,不改变ADRC参数而只进行跟踪模型动压调参,飞行控制系统均满足一级品质要求,表现了极强的鲁棒性能。     

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

TC4钛合金试样渐进破坏试验与数值研究

以商业有限元分析软件ABAQUS为平台,基于GTN金属断裂模型对TC4钛合金光滑圆形试样和两种不同缺口形状试样在单向拉伸试验中的渐进破坏过程进行数值研究,同时对比分析了几何非线性的影响在数值计算中的差异。结果表明,该模型预测TC4钛合金试样单向拉伸试验的载荷-位移曲线及宏观断裂形貌与真实试验结果基本一致。     

基于CTOAc评估结构断裂特性的方法研究

介绍了一种基于临界裂纹尖端张开角(CTOAc)评估破损结构延性断裂特性的方法。引入了评估裂纹稳态扩展和止裂的CTOA准则,介绍了CTOAc的试验测定方法,重点推荐准静态的方法。通过对两类典型M(T)试件进行有限元分析,应用应力失效准则及节点力释放技术模拟了结构的裂纹扩展过程,得到了对应裂纹长度的CTOA值。结果表明,CTOA是模拟延性断裂的一个重要表征参数,CTOA准则在高韧性的航空铝合金结构中具有广泛的适用性和广阔的应用前景。     

密度变化与韧性损伤的关系

通过精密测量相对密度化建立韧性损伤模型,以预测金属塑性加工过程中韧性损伤演化规律和产品质量。本文研究了精密测量微小密度的变化、介绍了测量方法和装置。通过测量相对密度变化对拉伸和扭转过程中韧性损伤演化规律进行了研究。     

某型涡扇发动机中下垂直锥齿轮辐板断裂排故试验研究

简要介绍了某型涡扇发动机中下垂直锥齿轮辐板断裂故障。在检查与分析的基础上,查明了故障主要原因。为确定与验证锥齿轮故障模式,在试验器上进行故障再现试验及低周疲劳试验。对改进设计后的锥齿轮进行试验验证,取得了满意的结果。     

延性损伤的能量模型

 采用材料在受力变形过程中耗散的塑性应变能定义材料的延性损伤变量,可以克服现有延性损伤变量定义的局限,完整描述材料在廷性损伤全过程中的损伤变化情况;实测方便,精度易于保证;还建立了相应的损伤演化方程和损伤材料的应力-应变本构方程,由其获得的损伤准则等价于第四强度理论。     

旋转钝锥高超声速自由飞气动导数非对称性

分别从采用轴对称假设和考虑非对称性的角运动方程出发,通过对高超声速下(M=6)10°半锥角旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行气动参数辨识,对旋转钝锥高超声速自由飞行状态下气动导数的非对称性问题进行了分析。通过对比辨识曲线与观测值的重合性,证明轴对称旋转飞行器存在气动导数非对称的问题,其动导数和Magnus力矩导数均存在较明显的非对称性,动导数的非对称性尤其严重,而静导数的对称性则较好。进一步分析发现气动导数的非对称性对旋转飞行器的瞬态角运动、及总迎角的峰、谷值及相位均存在明显影响,采用轴对称假设而获得的瞬态角运动将存在一定误差。旋转飞行器气动导数非对称性的影响不可忽略。