涡轮盘热力耦合及中心孔疲劳裂纹扩展研究

基于有限元软件ABAQUS/Franc3D,对某型航空发动机涡轮盘在热-机械载荷作用下的疲劳裂纹扩展规律进行研究。首先,进行涡轮盘网格无关性验证以保证计算精度;其次,针对涡轮盘进行导热分析以确定温度分布;再次开展了热-力载荷联合作用下的应力应变计算、静强度校核;最后,计算了中心孔处疲劳裂纹扩展参量以及疲劳裂纹扩展寿命。研究结果表明:该涡轮盘在最大转速状态下静强度满足要求,中心孔区域为应力集中危险点。裂纹尖端温度变化速率随着裂纹的深入而增加,导致了裂纹尖端应力场的扰动,裂纹由I型模式转为I/II混合模式。疲劳裂纹扩展寿命预测结果偏于危险,但可为涡轮盘损伤容限设计提供依据。     

氧化铝陶瓷SHPB加载下的数值模拟研究

利用微裂纹扩展区模型,在JH-2本构模型中增加了类似于TCK本构模型的拉伸损伤因子,编制了材料本构模型子程序,并将其嵌入到LS-DYNA970有限元软件中,对SHPB实验进行了数值模拟。结果表明,Weibull参数k对陶瓷试样的拉伸损伤有较大的影响,当Weibull参数k值小于1×1020时,试样破坏是压缩破坏;当Weibull参数k超过1×1028时,试样破坏是拉伸损伤破坏。当载荷超过陶瓷压缩强度时,含初始裂纹氧化铝陶瓷的破坏形式是拉伸损伤和压缩破坏共同作用的结果;当载荷小于陶瓷压缩强度时,JC陶瓷破坏是拉伸损伤作用的结果。     

压电体表面Maxwell应力对断裂的效应

研究了压电固体外表面Maxwell应力和裂纹内表面Maxwell应力对断裂的效应。采用复变函数理论与Stroh公式,理论分析了半穿透裂纹内外环境介质对电场、裂纹张开位移以及裂纹应力强度因子的影响,并通过数值算例讨论了在纯电场作用下以及在力-电耦合载荷作用下裂纹的扩展行为。结果表明,压电体表面的Maxwell应力对裂纹的扩展有重要的影响。     

结构两平面穿透裂纹交互影响研究

有限元重合网格法是研究断裂力学问题,特别是多裂纹问题的有效数值方法。本文基于有限元重合网格法,计算分析了受拉伸载荷作用的有限宽平板中两平面穿透裂纹在不同位置和方向的应力场分布,并计算出不同情况下裂纹尖端的交互因子以探索多裂纹的相互作用对应力强度因子的影响规律。研究结果表明裂纹间的相互作用在不同位置和方向条件下会对裂纹尖端应力场产生强化或屏蔽效应。本文的结果和结论可以为多裂纹损伤容限分析提供参考依据。     

压缩载荷下非对称变厚度复合材料层合板性能研究

对非对称结构形式的变厚度复合材料层合板在准静态压缩载荷下的失效机理进行了试验和数值研究。在ABAQUS/Explicit中建立全新的三维有限元模型（Finite element model, FEM）,其中Hashin准则用于复合材料层合板渐进失效分析,内聚力建模用于模拟分层的萌生和扩展。根据试验得到的应变数据分析,不连续的中性轴使层合板中产生弯矩,这些弯矩与轴向压缩载荷相互耦合,共同作用在层合板上。有限元结果表明,在薄段和变厚度段的交界处存在明显的应力集中,且薄段的应力大于厚段的应力。在交界处,发生了分层以及纤维和基体的压缩损伤,这与试验的结果一致。FEM预测的极限荷载比试验测得的平均极限荷载小10.7%,证明了模型的可行性和合理性。     

温度-荷载耦合场下机场跑道剩余寿命评价模型

针对道面板在飞机荷载与温度耦合场复合作用下的道面寿命问题，首先，通过试验准确测量基于道面板深度的温度分布情况，得出了不同厚度道面板最大温度梯度推荐值，确定了仿真温度场加载参数。然后，在大量仿真试验分析的基础上，开展土基模量、道面板厚度和温差因素对道面板内应力的敏感性影响分析，建立温度应力与温差相关性关系模型，并通过实例验证其有效性。最后，在道面板临界荷位处进行飞机与温度耦合仿真加载试验分析，结果表明温度梯度和飞机荷载共同作用下产生的耦合应力小于温度翘曲应力和荷载应力的叠加之和，两者相差4.93%。基于荷载和温度耦合作用下的应力损伤累积原理，计算道面剩余容许作用次数，构建耦合场下道面剩余寿命评价模型，并进行实例应用。     

低应变率下最大骨料粒径对混凝土动态尺寸效应影响:细观模拟（英文）

本文主要探讨了低应变率下最大骨料粒径对混凝土材料破坏行为及尺寸效应的影响。首先,考虑混凝土材料内部的非均匀性和应变率效应,采用细观数值方法模拟了混凝土材料的破坏过程。基于细观数值模拟方法,研究了不同尺寸混凝土试件的破坏行为。其次,从细观层面上研究了最大骨料粒径对混凝土破坏模式、名义强度及其尺寸效应的影响规律。结果表明,在单轴压缩和拉伸载荷作用下最大骨料粒径对混凝土破坏模式有显著影响。在准静态荷载作用下,混凝土抗拉强度随着最大骨料粒径的增大而增大,抗压强度随着最大骨料粒径的增大则是先增大后减小。此外,随着应变率的增大,混凝土材料强度尺寸效应被逐渐减弱。当应变率达到1 s~(-1)时,混凝土强度尺寸效应消失。最大骨料粒径对混凝土单轴压缩和拉伸强度动态尺寸效应的影响可忽略。     

带孔复合材料层板动态拉伸破坏的应变率效应

采用三维Hashin准则作为纤维束损伤判据,根据材料不同损伤模式制定相应的材料性能退化方案,并考虑应变率效应对材料的强度性能进行修正,建立含孔复合材料层合板的渐进损伤分析模型,模拟材料在不同应变率下的损伤破坏过程。通过动态拉伸试验,获得材料在不同应变率下的载荷-位移关系及孔边不同位置的时间-应变关系,讨论了应变率对材料拉伸性能的影响及试件孔边的应力集中情况。有限元分析结果与试验数据相一致,证明了本文所提出分析模型的正确性和有效性。     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

含边缘裂纹铝合金厚板的复合材料双面修补研究

采用表面打磨,80℃、接触压固化的方法,利用碳纤维/双马复合材料预固化补片对边缘裂纹的铝合金厚板进行双面胶接修补,测试修补前后的静态和疲劳性能,并结合高低温老化和常温油浸试验考核其耐煤油性。结果表明:修补后平均破坏载荷由94.313 kN增加到143.593 kN,提高了52.25%;疲劳寿命由2 019次循环增加到34 698次循环,提高了16.19倍;临界裂纹长度由13.5 mm增加为27.5 mm;裂纹扩展速率由2.72 mm/1 000循环降低为0.59 mm/1 000循环。在300次循环高低温油浸及180 d的常温油浸试验条件下,燃油对试验件疲劳性能无影响,同时修补试验件对煤油品质无明显影响。     

铝合金板广布疲劳损伤载荷谱加重的数值分析

在三排45孔铝合金试验件载荷加重试验基础上,对该模型进行了细致的有限元计算,系统地分析了广布损伤裂纹尖端相互影响因子分布和载荷加重裂纹扩展规律。结果表明:对于两个裂纹参数ai和aj影响的裂纹尖端相互影响因子βi,随着aj的增加而增加,随着ai的增加而减小;对于3个参数ai,aj和ak影响的裂纹尖端相互影响因子βi,随着aj和ak的增加而增加,随着ai的增加而减小;载荷加重后对β没有影响,这是由于有限元模型进行的是线弹性分析。由有限元法、构件疲劳额定系数法和构件细节数效应系数法3种方法计算的载荷1.2倍加重后的裂纹扩展量Δa1.2和原载荷扩展量Δa的比值η,在加载比较小,裂纹比较短时,多裂纹的扩展可以看作独立的裂纹扩展,可以吻合得很好,大约在2左右;但是当加载比较大,裂纹比较长时,裂纹尖端的相互影响因子变大,裂纹的扩展会快速增加,用有限元法可以更好地预测。     

正交铺设陶瓷基复合材料基体裂纹演化研究(英文)

采用能量平衡法对正交铺设陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷作用下的基体裂纹演化进行了研究。在拉伸载荷的作用下,正交铺设陶瓷基复合材料有5种开裂模式。开裂模式3包括横向开裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘;开裂模式5只包括基体开裂和纤维/基体界面脱粘。本文得到了两条横向裂纹之间出现开裂模式3和5的初始基体开裂应力;并得到了开裂模式3多裂纹演化的初始基体开裂应力。讨论了铺层厚度、纤维体积含量、纤维/基体界面剪应力和界面脱粘能对基体开裂应力和基体裂纹演化的影响。结果表明,对于SiC/CAS材料而言,两条横向裂纹之间首先出现开裂模式3。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

冲击载荷作用下动态应力强度因子的研究

应用有限元法研究了带有表面裂纹的厚壁筒在冲击载荷作用下动态应力强度因子的计算问题，给出了合理的计算方法，分析了影响动态应力强度因子的有关因素     

高超声速飞行器结构热-声振耦合动力学研究进展

高超声速飞行器服役环境十分复杂,气动热、气动力和强噪声等多种环境载荷的共同作用,给飞行器结构安全性带来了巨大挑战;尤其在极致追求结构轻量化设计和实现时,热-声振耦合效应将会十分显著。本文大致总结了国内外高超声速飞行器热-声振耦合动力学研究的主要进展,归纳了在典型热、声及其耦合环境作用下飞行器结构的动力学响应,梳理了动态载荷环境结构动力学建模、计算方法和实验分析方法,描述了结构热-声振耦合动力学理论基础,并探讨了高超声速飞行器结构热-声振耦合动力学研究的重要方向。     

块谱特征和疲劳裂纹的随机扩展

定义了疲劳载荷谱的两个特征参数：块谱强度和形状因子，由此去描述载荷谱的特征，并研究了特征参数和疲劳裂纹扩展之间的关系。分析结果表明：块谱强度是疲劳裂纹扩展的平均驱动力，而形状因子是给定疲劳寿命下裂纹尺寸方差的主要来源。     

随机谱下疲劳裂纹扩展的等损伤模型

本文对预测随机谱下疲劳裂纹扩展寿命的等损伤模型进行了较为系统的研讨，在损伤等价原则下导出5种不同形式的等损伤模型，并利用两种材料在两种谱型和两种应力水平下的疲劳裂纹扩展试验数据对其评估。结果表明：对于一般过载效应不强的随机型载荷，等损伤模型的预测精度足以满足工程要求；等损伤模型形式上的不同不会明显影响预测结果。本文还研究了经跑道计数法浓缩处理的简化谱对寿命预测结果的影响。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷,在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中,建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中,通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系,对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性,结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应,耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果,而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上,通过耦合传热分析,揭示了催化反应与壁面传热的内在关系,证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。