Introduction of fretting-contact-induced crack closure: Numerical simulation of crack initiation and growth path in disk/blade attachment

Fretting fatigue crack initiation and growth in titanium alloy dovetail assembly was investigated by the Finite Element Method(FEM). Firstly, contact stress was calculated precisely with an elastic–plastic material model. Secondly, the location and angle of crack initiation were determined by the parameter of the maximum shear stress range on the critical plane, and the angle of crack growth was predicted by the Maximum Tangential Stress(MTS) criterion, which showed agreement with experimental observation. Finally, the fretting-contact-induced crack closure behavior was simulated by the node release technique in software ABAQUS with both elastic and elastic–plastic material models. The simulation shows that the variation of the contact status between fretting surfaces will result in crack closure even for the elastic material model. The fretting crack closure ratio decreases as the crack grows out of the contact area and it has great impact on the effective range of Stress Intensity Factor(SIF) as well as the crack growth rate.     

Prediction of fatigue crack growth rate for small-sized CIET specimens based on low cycle fatigue properties

Based on experiments of low cycle fatigue for 5083-H112 aluminum alloy, two energy-based predictive models have been introduced to predict the fatigue crack growth behaviors of traditional Compact Tension (CT) and small-sized C-shaped Inside Edge-notched Tension (CIET) specimens with different thicknesses and load ratios. Different values of the effective stress ratio U are employed in the theoretical fatigue crack growth models to correct the effect of crack closure. Results indicate that the two predictive models show different capacities of predicting the fatigue crack growth behaviors of CIET and CT specimens with different thicknesses and load ratios. The accuracy of predicted results of the two models is strongly affected by the method for determination of the effective stress ratio U. Finally, the energy-based Shi&Cai model with crack closure correction by means of Newman’s method is highly recommended in prediction of fatigue crack growth of CIET specimens via low cycle fatigue properties.     

无限板孔边裂纹问题的高精度解析权函数解

用Wu-Carlsson解析权函数法（WFM）求得了无限板孔边径向单裂纹和对称双裂纹的高精度解析权函数（WF）。分别用Shivakumar-Forman和Newman的解及基于复变函数泰勒级数展开的数值权函数WCTSE法结果,通过对相应格林函数（GF）的逐点比较验证了本文解析权函数的精度。该权函数不但精度高,而且作为裂纹长度的连续函数,能够高效准确地求解任意长度（a/R≤2）裂纹在任意复杂载荷作用下的断裂力学关键参量;且孔边单/双裂纹问题的权函数的形式和推导方法完全相同。作为示例,用该解析权函数计算了孔边裂纹在裂纹嘴楔形载荷、裂纹面幂函数,以及圆孔冷挤压残余应力等多种载荷形式下的应力强度因子。     

无限大板孔边双裂纹应力强度因子和裂纹面张开位移

针对航空结构中常见的孔边裂纹问题,利用Muskhelishvili复变函数法和有限截项法计算了无限大板内圆孔边任意长度双裂纹在任意角度远场均布拉伸应力情况下的复合型应力强度因子和裂纹面张开位移,并与相关文献的计算结果进行了对比。通过对应力强度因子计算数值的拟合,得到了无限大板内圆孔边任意长度共线双裂纹在远场应力作用下的应力强度因子拟合方程。结果表明,应用复变函数法和有限截项法计算应力强度因子和裂纹面张开位移,不仅适用于无限大板内孔边裂纹对称的情况,孔边裂纹不对称时同样适用,在工程断裂问题中有较好的应用价值。     

Analysis of crack initiation location and its influencing factors of fretting fatigue in aluminum alloy components

To promote the development of fretting fatigue assessment and control technology for aircraft components, this paper uses the Crystal Plasticity Finite Element(CPFE) method and sub-modeling technology to study the Crack Initiation Location(CIL) of fretting fatigue in Aluminum Alloy(AA) specimens. The effects of external excitations such as normal load, tangential load, and axial stress on the CIL are investigated. It is found that the Most Likely Cracked(MLC) site revealed in a specimen and the ...     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大;在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

Testing and evaluation for fatigue crack propagation of Ti-6Al-4V/ELI and 7050-T7452 alloys at high temperatures

This paper seeks to evaluate crack propagation properties and residual lives of metallic alloys subjected to fatigue loading at room and high temperatures. Fatigue crack growth tests were performed on Ti-6Al-4V/ELI and 7050-T7452 subjected to constant-amplitude and actual randomspectra loading at room temperature of about 25 ℃ and at high temperatures of 250 ℃ and 150 ℃ to determine their crack growth properties and residual lives. The damage mode and mechanisms at high temperature were compared with those at room temperature on the basis of the results of fractographic analysis. Temperature-dependent residual lives under actual random-spectra load history were evaluated based on a modified accumulation damage rule accounting for the load interaction.Good correlation was achieved between the predictions and actual experiments, demonstrating the practical and effective use of the proposed method.     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

航空发动机叶盘结构应力和变形的概率分析

为了更准确地描述航空发动机叶盘结构的变形以及控制的合理性,提出了1种高效、高精度的概率分析方法,即极值响应面法(ERSM,Extremum Response Surface Method),在分析中考虑了典型载荷(如热载荷和离心载荷)的动态性和边界条件的非线性等因素,合理地选取输入变量且考虑了参数的随机性和不确定性等,通过确定性分析得到叶盘结构的总变形和应力分布随时间的变化规律,同时找到其变形最大点作为概率分析的输入目标。通过科学合理的概率分析,不仅获得了其可靠度、拟合样本、样本直方图、极值响应面和累计概率分布函数并且对其应力分布和总变形进行灵敏度分析,得到了叶盘结构变形和应力分布的主要影响因素,同时给出了应力与总变形的相关性。最后,将ERSM与Response Surface Method(RSM)和Monte Carlo(MC)法进行比较分析,验证了ERSM在航空发动机叶盘结构分析中的有效性。     

基于快速最近邻搜索的固体火箭发动机装药燃面计算

燃面计算是固体发动机性能仿真的重要环节,为快速求解固体发动机复杂三维装药燃面推移规律,在柱坐标下进行基于快速最近邻搜索的燃面计算方法研究.利用固体发动机装药对称性,构建柱坐标系下燃面计算框架,实现计算域缩减;采用点云数据代替面元的初始燃面表征和提取,结合k-d树完成散乱点云的有序化组织.在此基础上,提出基于快速最近邻搜...     

1420 铝锂合金锻件开裂原因分析与控制

某产品用1420 铝锂合金锻件在存放过程中发生开裂。本文通过对失效锻件进行形貌观察以及

断口、金相和力学性能分析,结合此锻件的制造工艺,分析认为:此锻件的开裂属于延迟开裂;锻件小端转角区

(R 区)存在较大的应力,淬火水冷阶段在R 区内表面形成微小表层裂纹;长期的存放过程中,锻件表面受到腐

蚀,发生应力腐蚀;微裂纹在残余应力及应力腐蚀的作用下缓慢扩展直至发生失稳扩展形成宏观贯穿裂纹,致

使锻件开裂。通过车光锻件内外表面及车光后的荧光检查,有效地预防了此类开裂故障的发生。

     

基于虚拟维修仿真技术的动力装置短舱开合角度分析

在航空发动机初步设计阶段,将面临发动机产品构型未定、无实物的情况下无法通过实物演示试验的方法给短舱设计活动提供输入的问题。文中采用虚拟维修仿真技术,借助Tecnomatixv12.0仿真软件,通过建立虚拟维修数字样机,模拟运营使用阶段发动机在翼维护和下发/换发2个维修场景下维修人员的维修操作,以确定航空发动机短舱开合的角度,为初步设计阶段的短舱结构设计提供输入。经分析,该型发动机处于在翼维护场景下,风扇罩的开合角度应不小于45°,反推装置的开合角度应不小于34°;该型发动机处于下发/换发场景下,反推装置的开合角度应不小于45°。经与成熟机型的短舱设计对比,结果表明,虚拟维修仿真技术作为动力装置短舱开合角度设计的辅助手段取得了较好的工程效果,不仅能够解决初步阶段短舱设计输入问题,还可以大大缩短设计迭代周期。     

电动力绳系离轨系统电流与拉力混合展开控制

电动力绳系离轨系统是一种典型的空间碎片主动消除技术,本文针对电动力绳离轨系统在初始阶段展开的控制问题,仅通过调节有限的系绳张力与电流,不依赖其他推进器,将导电系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。首先,采用倾斜偶极子地磁场模型,建立考虑系绳质量的近地轨道二体电动力绳系卫星系统动力学模型;其次,在系绳张力与电流存在约束的条件下,采用反步法结合抗饱和辅助函数解决控制输入受限问题,并引入动态尺度广义逆实现了欠驱动电动力绳系统展开稳定控制问题;然后,应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性;最后,在MATLAB/SIMULINK平台上进行了仿真验证。结果表明：通过调节系绳张力与电流,可以将系绳释放到指定位置,同时控制输入满足约束条件。     

LY2铝合金的激光冲击强化区硬度和残余应力测试分析

为了研究激光冲击处理对LY2航空铝合金力学性能的影响,采用Nd:YAG激光器对航空铝合金LY2进行了激光冲击强化处理,测定其显微硬度和残余应力.结果表明,经过激光冲击处理后,试样表面没有受强脉冲激光和冲击波的破坏,而显微硬度和残余压应力明显提高,激光冲击处理后的强化区与光斑相当,深度约为1.2mm.     

微小型车铣加工表面粗糙度分析及预测模型建立

随着尖端科学技术和国防工业的不断发展,微小型车铣加工技术作为一种先进的切削加工方法被广泛应用在军民制造领域。为获得微小型正交车铣加工参数引起的零件表面粗糙度的变化规律,以高效车铣复合加工机床正交车铣轴类零件的表面粗糙度为研究对象,采用三水平五因素正交实验分析法和多元线性回归预测法,重点研究了车铣加工参数与表面粗糙度之间的关系、车铣加工参数与表面粗糙度预测模型数值关系。结果表明,采用相同刀具下正交车铣加工轴类零件,其工件尺寸、车削主轴转速、工件进给量、铣削主轴转速和切削深度依次从大到小影响零件表面粗糙度质量,可指导高效车铣复合加工机床的加工工艺参数优化。     

非稳态表面热流反演算法研究

表面热流的反演是一类典型的热传导逆问题。在采用有限体积法数值求解三维非稳态热传导问题的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,建立了顺序函数法和共轭梯度法这两类反演算法。采用这两类算法对一个典型算例的计算结果表明:建立的两类反演算法都是有效的,具有较好的抗噪性能。顺序函数法的优势在于算法的推导和实现较为简便,但算法中存在人为确定的参数r,该参数的选取对反演结果有较大影响。共轭梯度法的算法中没有自由参数,但算法的推导和实现都较为复杂,其反演结果的精度和顺序函数法的反演结果精度基本相当。     

航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析

为描述航空发动机涡轮叶片径向位移的变化规律,改善叶尖间隙设计和控制的合理性,考虑多种随机变量,融合有限元和响应面方法进行了叶片径向变形的概率分析。通过对涡轮叶片在典型载荷下的热分析和结构分析,计算出叶片变形随时间的变化规律,并找出最大位移点作为概率分析的计算点;在计算点处考虑热载荷和离心载荷作用,结合响应面拟合蒙特卡洛法计算出了危险点处的叶片径向变形的分布概率和符合设计要求的可靠度,并分析了影响间隙量的随机因素的灵敏度。结果表明:叶片径向变形量和安全变形概率基本符合设计要求;影响叶片径向位移变化的主要因素是温度、转速和质量。     

附件机匣出油口温度可靠性灵敏度分析的响应面方法

针对极限状态函数未知的可靠性灵敏度分析问题,提出了用响应面方法获取极限状态函数,再利用该极限状态函数进行可靠性灵敏度分析的方法,并推导了相关计算公式.综合考虑了机匣进油口的滑油流量、温度以及机匣外二股气流的温度、流速等变量的随机性,采用该方法计算了附件机匣出油口温度的可靠度及各随机变量对可靠度的灵敏度.计算结果与相关文献中定性分析的结论一致,故所提出的可靠性灵敏度分析方法及相关计算公式是正确和有效的,为附件机匣及其相关附件的可靠性设计与优化提供了定量的理论依据.      

复合材料机械连接结构分析中的接触算法适用性研究

采用有限元方法计算复合材料机械连接结构孔边接触应力分布时,需要保证其结果的可靠度。分别以Nastran、Marc和Abaqus为平台,研究小滑移接触检测技术和有限滑移接触检测技术以及拉格朗日乘子法、直接约束法和罚函数法等接触约束施加技术的基本原理与特点,结合复合材料销钉连接结构应力分析实验与数值计算,验证各接触算法的准确性和适用性。结果表明:在复合材料机械连接结构有限元分析中,应当采用有限滑移接触检测技术和罚函数接触约束施加方法以提高计算精度。     

HicksHenne翼型参数化方法分析及改进

HicksHenne参数化方法是一种在翼型优化设计中广泛使用的参数化方法,详细探讨了HicksHenne参数化方法的特性,针对翼型设计的要求,分析并发现了标准HicksHenne参数化方法在翼型设计应用中存在的不足,即当采用有限设计变量进行翼型设计时,生成的翼型的后缘夹角与基准翼型相比不会发生改变。提出了改进的措施,用实际算例证明了改进后的HicksHenne参数化方法能够根据要求改变翼型的后缘夹角,并且保持了HicksHenne方法原有的优点,拓展了HicksHenne参数化方法的参数化设计空间。