稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

PMI 泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术研究

对PMI泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术进行了研究,通过对玻璃钢面板及其泡沫夹层结构性能、面板成型、泡沫热成形、泡沫拼接、玻璃钢泡沫夹层结构成型及无损检测等技术研究,确定了玻璃钢外面板、预先固化,然后与泡沫等复合组装,最后铺覆内面板,整体进罐固化的成型工艺。结果表明,玻璃钢面板纵、横向拉伸强度为602、593 MPa,模量为26.0、27.2 GPa,满足设计强度≥350 MPa、模量≥25 GPa的要求;玻璃钢/PMI泡沫夹层结构泡沫密度为(110±10)kg/m3,厚度28 mm,纵、横向侧压强度为32.9、30.5 MPa、模量为2.31、2.38 GPa,满足设计指标侧压强度≥25 MPa、模量≥2.0 GPa的要求,采用玻璃钢/PMI泡沫夹层结构分步固化成型工艺研制的首件新型号整流罩冯卡门锥段,满足设计使用要求。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

Lightweight structure of a phase-change thermal controller based on lattice cells manufactured by SLM

Thermal controllers equipped with phase-change materials are widely used for maintaining the moderate temperatures of various electric devices used in spacecraft. Yet, the structures of amounts of thermal controllers add up to such a large value that restricts the employment of scientific devices due to the limit of rocket capacity. A lightweight structure of phase-change thermal controllers has been one of the main focuses of spacecraft design engineering. In this work, we design a lightweight phase-change thermal controller structure based on lattice cells. The structure is manufactured entirely with AlSi10 Mg by direct metal laser melting. The dimensions of the structure are 230 mm × 170 mm × 15 mm, and the mass is 190 g, which is 60% lighter than most traditional structures(500–600 g) with the same dimensions. The 3 D-printed structure can reduce the risk of leakage at soldering manufacture by a welding process. Whether the strength of the designed structure is sufficient is determined through mechanical analysis and experiments. Thermal test results show that the thermal capacity of the lattice-based thermal controller is increased by50% compared to that of traditional controllers with the same volume.     

基于渐进损伤的纤维全缠绕铝内胆气瓶自紧工艺

采用渐进损伤的分析方法对纤维全缠绕铝内胆气瓶的力学行为进行分析。基于三维Hashin失效准则,自定义刚度折减方案,编译VUMAT子程序,实现了复合材料层合板损伤的产生和演化过程的模拟。依据经典网格理论并结合实际情况,建立气瓶有限元模型。分析了复合材料层渐进损伤发展和累积的过程,验证了自紧工艺对提高气瓶承载力的必要性,提出了合理的自紧力范围。研究结果表明,损伤发生的顺序或可能性:基体拉伸拉伸分层纤维拉伸/基体压缩,且损伤大都从螺旋缠绕层开始。除基体拉伸损伤由封头向筒体发展,由复合材料外层向内层发展,其余损伤大都从筒体中部向两端发展,由内层向外层发展。当自紧力为最大工作压力的1.5~1.65倍时,气瓶的应力分配得到改善,承载能力得到提高。从减少复合材料的损伤和最大程度降低内衬应力的角度,最优自紧力应为最大工作压力的1.5倍。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

大展弦比复合材料机翼结构设计研究

针对大展弦比机翼结构的特点,选定蜂窝夹层、多墙式和一种新型混合式结构进行分析比较。进行了缝纫层合板和无缝纫层合板的冲击后压缩强度试验以及3种形式的复合材料蜂窝夹层板冲击后压缩稳定性试验。实验结果表明,缝纫可提高复合材料层合板冲击后压缩强度和屈曲临界载荷。对3种形式机翼结构进行有限元分析,计算结果表明,新型混合式结构具有明显的减重效果,并可实现一定比例的弯曲和扭转刚度设计。     

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

神舟飞船防热大底钻孔工艺技术研究

神舟飞船防热大底主要为玻璃钢蜂窝夹层结构,制孔时在较大装夹力下容易产生弹性变形。针对装夹变形导致孔位置精度难以保证的问题进行工艺优化改进,对工装结构、装夹方式、工艺流程及钻孔设备进行了优化。试验结果表明,采取低应力装夹方式、减少翻转次数、使用数控加工设备等措施能有效提高钻孔精度。     

共固化复合材料/铝蜂窝夹层结构性能

采用共固化工艺制备了碳纤维增强复合材料面板/铝蜂窝夹层结构。通过考察固化压力对复合材料面板性能的影响确定了共固化的成型压力,对比分析了不同规格铝蜂窝及其夹层结构的力学性能。结果表明,对于薄面板,成型压力对面板力学性能的影响较小,规格为0.04 mm×4 mm的铝蜂窝制备的夹层结构具有更高的比强度和比刚度,且成型工艺性好。     

新型碳纤维点阵复合材料技术研究

为了制备新型轻质高强材料,研究了满足拉伸主导型设计和临界细长比限制的点阵材料构形特征.针对碳纤维复合材料特点,开发了三维穿插编织工艺,在此基础上设计制备了碳纤维点阵复合夹层梁结构.对比蜂窝和碳泡沫材料分析点阵夹层结构的基本力学性能.研究表明点阵夹层结构具备整体成型、不发生层间脱胶破坏、比刚度和比强度高等优点,是一种很有前景的新型航空航天材料.     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

复合材料加筋筒段压载荷承载能力优化

复合材料加筋筒段是航空航天领域广泛采用的结构构形,其结构形式决定了重量及承压能力。为了研究加筋筒壁的承载能力,分析筋条间距、筒段长度和四种典型工程筋条截面的影响;以结构轻重量为目标函数,结构临界屈曲载荷、筋条局部屈曲载荷为约束,采用梁轴惯性矩平移模型,对复合材料筒壁0°、±45°、90°各铺层总厚度和筋条截面尺寸进行优化。结果表明结构轻重量设计中τ型桁条最有利,并得到其设计曲线,为工程设计应用提供参考。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能

航空复合材料加筋板由于具有良好的力学性能,广泛地应用于航空结构中。本工作研究了航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能,首先应用工程方法对复合材料加筋板进行压缩稳定性计算,得到加筋板的屈曲载荷和破坏载荷的预估值;其次,开展复合材料加筋板压缩稳定性实验,得到实验件的屈曲及破坏形式、实验件的载荷-应变及载荷-位移关系和实验件的屈曲载荷和破坏载荷。结果表明:采用工程方法得到的计算结果与实验结果较为吻合,屈曲载荷和破坏载荷的误差分别为6.12%和9.31%,合理应用工程方法可以为实验提供较好的指导;加筋板的破坏形式为壁板的分层、鼓包和撕裂、筋条的断裂以及筋条-壁板的脱粘;屈曲比为1.65的复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力;工程中可充分应用加筋板的后屈曲承载能力提高结构的利用效率。     

变刚度复合材料夹芯板设计及模态分析

为提高卫星主承力结构刚度,本文基于定曲率圆弧曲线及平移法对变刚度夹芯板蒙皮进行设计,利用ABAQUS二次开发方法及响应面法对不同起始角/终止角组合的夹芯板进行等效建模、模态分析和模态基频优化。数值计算结果表明,变刚度设计的夹芯板由于曲线铺放提升夹芯板模态基频,蜂窝板的模态基频随起始角先增大后减小,随终止角增大而增大,基频最大提升12.33%,可以减小蜂窝基本承力结构与设备的动态耦合效应。     

民用飞机复合材料层压板铺层设计方法研究

在民用飞机复合材料应用中,关键技术领域包括选材、结构设计、强度分析、制件成型及装配工艺、结构修理、适航等。针对民用飞机复合材料层压板铺层设计方法展开研究,在结构初步设计阶段运用工程方法完成结构铺层设计和尺寸设计。     

大型筒段构件自动铺带成型技术

在研究自动铺带成型技术的基础上,提出了一种用于复合材料筒段构件自动铺带成型轨迹规划的设计方案。根据自动铺带成型系统的独有特点,提出专用于自动铺带成型系统的数控(NC)代码约定。在研究自动铺带成型CAD/CAM技术的基础上,开发针对大型筒段复合材料构件的专用CAD/CAM软件,并在自主开发的自动铺带成型设备上进行铺带成型实验验证。经实验验证,此自动铺带机专用CAD/CAM软件的开发相当成功,满足了大型复合材料筒段构件的实际生产需求。     

激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用

增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积原理,以计算机模型数据来加工组件的新型制造技术。激光选区熔化(SLM)作为增材制造领域的一项重要技术,以其一体化制造特点和在复杂结构零部件制造领域的显著优势,成为航空航天制造领域的重点发展技术和前沿方向。本文综述了SLM技术的材料体系和应用领域,主要对SLM技术的最新工艺研究和航空航天领域的典型应用进行细致分析。重点阐述SLM铁基合金、镍基合金、钛合金和铝合金等材料体系的研究进展及成果。SLM技术在各领域广泛应用的同时,也存在成形材料内部缺陷多、高性能材料的裂纹及变形、标准体系的欠缺和粉末材料兼容性低等诸多问题和不足之处,使其发展受到一定制约,需要在这些方面做更深入的工作。     

压缩载荷下夹层结构斜坡过渡区域性能分析

建立了泡沫夹层结构斜坡过渡区域的三维(3D)有限元模型,进行了斜坡过渡区域的坡度角分析优化。基于有限元分析软件MSC.Patran/Nastran,建立了考虑斜坡过渡区面板铺层递减的泡沫夹层结构的有限元模型,研究了结构在单轴压缩载荷作用下的力学行为,进一步讨论了坡度角对于夹层结构过渡区域结构强度和稳定性的影响规律。研究结果表明,泡沫夹层结构坡度角在25°~30°时能够达到提高结构承载能力及减轻结构质量的双重目的。