基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预报

针对传统有限元建模黑箱操作多、计算成本大、不具有自主知识产权等问题,基于经典层合板理论,随机振动理论和Miner线性积累损伤准则,建立了基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预测的解析模型。基于应力模态法,推导了纤维增强复合薄板的应力频响函数,在考虑随机激励的基础上,得到了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。通过Dirlik、Bendat和Benasciutti-Tovo三种频域模型对应的概率密度函数,成功求解了相应的振动疲劳寿命。另外,采用ANSYS与nCode软件对模型及其预测结果的正确性进行了验证,研究发现该模型寿命计算结果相对于商业软件计算结果的偏差不超过14.8%,但计算效率提高了17%～33%。因此,该模型可为预测随机激励下各向异性复合薄板的振动疲劳问题,提供一种思路和工具。     

薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证

为了研究航空薄壁结构高温随机振动疲劳破坏机理,得到可靠的疲劳寿命分析方法,针对根部固支的GH188薄壁结构进行了数值仿真。重点研究了不同温度和不同振动量级组合下,薄壁结构危险点位置轴向动应力响应规律。采用改进的雨流计数法绘制出雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵,结合疲劳累积损伤理论估算薄壁结构的疲劳寿命。通过高温随机振动疲劳试验对上述仿真结果进行验证。结果表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,不同温度和随机振动载荷作用下响应的计算值与试验值获得很好的一致性,响应峰值频率误差在1%~3%,结构疲劳寿命与试验结果处于同一量级,证明了高温随机振动疲劳分析方法的有效性和精度以及仿真结果的可靠性。     

TC4钛合金薄板高能束焊接接头疲劳性能研究

对TC4钛合金薄板激光焊和电子束焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命。采用统计分析的方法研究了TC4钛合金薄板母材及其高能束流焊接接头的中值疲劳寿命。分析了焊接工艺条件对接头疲劳强度的影响。结果表明,在高应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命,在低应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命高于母材的疲劳寿命。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

热流环境下薄壁结构随机振动响应计算与疲劳分析

针对高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应变化规律与疲劳失效问题,进行了数值仿真计算与高温随机振动试验。通过对比仿真计算结果与试验结果发现模态误差小于28%,应力响应误差小于4%。结构疲劳失效时间误差小于3 430 s,验证了此仿真方法的可用性与准确性。使用该数值仿真方法,基于耦合的FEM/BEM（有限元/边界元）理论,通过Fluent软件模拟高速热流环境,实现了高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应的计算。获取了薄壁结构在不同振动量级与热流环境影响下动力学响应与疲劳失效时间。分析不同环境温度各流速下结构热随机振动应力响应及疲劳失效时间变化规律,并阐述造成这种变化的原因。完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构热随机振动疲劳失效时间预估提供参考依据。     

基于多点随机激励的发动机管路振动疲劳寿命分析

针对航空发动机管路系统激振环境复杂、激振点多的现状和在此边界条件下单点随机振动方法无法准确分析与模拟的问题,提出了一种多点动力学振动分析方法,首先从理论上推导出多点激励的动力学振动方程,其次利用有限元模拟验证了结构多点振动的动强度响应特性,根据Dirlik模型预测了管路系统的随机振动疲劳寿命,对比分析了结构在多点振动激励与单点振动激励下响应动力学特性以及疲劳寿命的关系,针对载荷相关性问题探究管路应力响应与疲劳寿命的变化规律,最后针对于不同的约束条件,分析了弹性约束刚度值对于结构疲劳寿命的影响。对比分析发现：在多点激励下管路系统的的振动寿命仅为单点激励最低疲劳寿命的22.31%,管路应力响应与疲劳寿命随相位与相干系数变化而呈规律变化,随着约束刚度值的增加,结构的响应功率谱密度增加,结构共振区域对于功率谱密度放大作用减小,疲劳寿命降低,验证了多点动力学振动分析方法的有效性。     

基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型

建立了一种基于连接介质损伤力学(CDM)的高温微动疲劳寿命预测模型用以分析航空发动机榫连接结构在不同温度下的微动疲劳寿命。该模型在现有的基于非线性疲劳损伤累积(NLCD)模型微动疲劳寿命预测模型的基础上,引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对榫连接结构微动疲劳行为的影响。以某型发动机钛合金TC11燕尾榫结构模拟件为研究对象开展不同温度下的微动疲劳寿命数值模拟预测研究,预测结果与试验结果相比在2倍误差范围以内,证明了此寿命预测模型的有效性。      

基于多点随机激励的发动机管路振动疲劳寿命分析

针对航空发动机管路系统激振环境复杂、激振点多的现状和在此边界条件下单点随机振动方法无法准确分析与模拟的问题,提出了一种多点动力学振动分析方法,首先从理论上推导出多点激励的动力学振动方程,其次利用有限元模拟验证了结构多点振动的动强度响应特性,根据Dirlik模型预测了管路系统的随机振动疲劳寿命,对比分析了结构在多点振动激励与单点振动激励下响应动力学特性以及疲劳寿命的关系,针对载荷相关性问题探究管路应力响应与疲劳寿命的变化规律,最后针对于不同的约束条件,分析了弹性约束刚度值对于结构疲劳寿命的影响。对比分析发现:在多点激励下管路系统的的振动寿命仅为单点激励最低疲劳寿命的22.31%,管路应力响应与疲劳寿命随相位与相干系数变化而呈规律变化,随着约束刚度值的增加,结构的响应功率谱密度增加,结构共振区域对于功率谱密度放大作用减小,疲劳寿命降低,验证了多点动力学振动分析方法的有效性。     

钛合金燕尾榫高温低周微动疲劳寿命预测

针对钛合金燕尾榫的高温低周微动疲劳寿命预测问题,通过讨论试验载荷和温度对燕尾榫微动疲劳寿命的影响,发展了考虑温度影响的修正损伤参量,即拉伸型等效损伤参量 S_WT和剪切型等效损伤参量 F_S,建立了能综合考虑温度和损伤参量影响的燕尾榫高温微动疲劳寿命模型,并拟合出某 TC11 钛合金燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命模型中所需的材料常数。结果表明：拟合相关性系数最小为 0.9394,证实了该模型的适用性。通过计算拉伸型等效损伤参量 S_WT和剪切型等效损伤参量 F_S在榫接触面上的最大值所在位置预测了微动裂纹的萌生位置,与微动疲劳试验件裂纹的萌生位置一致。利用高温微动疲劳寿命模型对不同试验载荷和温度下的燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命进行预测,与试验结果相比,预测结果的误差在2倍分散带以内。     

筋的截面形状对薄壁结构振动疲劳性能的影响

筋条的截面形状对薄壁结构的振动疲劳性能具有重要影响。对L型和T型加筋薄板进行振动试验,研究固支条件下L型筋和T型筋对薄板频率和振动疲劳寿命的影响,并从理论角度分析其原因;利用MSC有限元软件研究在正弦分布载荷下六种不同截面形状(矩形、L型、T型、I型、Z型、∏型)的筋条在给定边界条件(固支、简支)下,对薄板的频率、应力和振动疲劳寿命的影响,并对加筋板的寿命进行预测。结果表明:六种加筋构型中,Z型加筋板的第一阶固有频率最大,加筋板Von Mises应力最大点出现在同样的位置;固支条件下,加筋板的破坏位置在板的左右两侧,Z型加筋板寿命最长;简支条件下,破坏位置出现在板的中央,L型加筋板的寿命最长。     

激光喷丸强化TC6钛合金的振动疲劳寿命及断口形貌分析

为了研究TC6钛合金激光喷丸强化(Laser Shocking Peening,LSP)处理后对振动疲劳寿命的影响,采用不同喷丸次数的方法对TC6钛合金进行LSP处理,采用振动疲劳测试系统对振动试样进行振动疲劳测试,用X射线衍射仪和显微硬度计测试LSP前后试样的残余应力和硬度,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳性能的影响...     

TC17钛合金激光喷丸应力场及支持向量机应力热松弛模型

对TC17钛合金进行了不同功率密度下激光喷丸强化,使用X射线衍射仪测试了激光喷丸冲击波诱导的残余压应力场的分布,测试了不同温度真空保温下残余压应力的热松弛规律,最后基于支持向量机理论建立了残余压应力热松弛预测模型,并用试验结果对模型进行验证.研究表明:TC17钛合金在功率密度为4GW/cm2时表层残余压应力场最佳;残余压应力在280℃和450℃真空保温150min后分别有11.24%和27.11%的松弛;在280℃和450℃交替保温160min后应力松弛33.9%;残余压应力在试验温度保温160min后有大部分剩余,可以有效提高TC17钛合金抗疲劳性能、基于支持向量机的预测模型能够较精确的表征TC17钛合金的应力松弛规律,满足工程使用要求,对其他材料表层残余压应力热松弛分析具有借鉴意义.      

基于电涡流位移传感器的钛合金叶片振动疲劳试验研究

为了研究钛合金叶片振动疲劳特性,基于电磁振动测试平台和非接触式电涡流位移传感器,开展了试验工装和试验程序设计.通过本文的传感器标定和振动应力标定方法研究,发展了基于电涡流位移传感器的非接触测量式钛合金叶片振动疲劳试验手段,进而完成了疲劳考核试验和裂纹扩展试验,研究了裂纹长度和固有频率随疲劳循环数累积的变化规律.试验结果...     

榫连接结构高温低周微动疲劳试验

针对航空涡扇发动机压气机叶片/轮盘连接结构,设计了一种燕尾榫结构高温微动疲劳试验加载装置,开展了TC11钛合金在200℃及500℃下的微动疲劳试验。通过动态位移及动态应变法实现对燕尾榫微动疲劳萌生寿命的监测。试验中发现微动疲劳裂纹均萌生在燕尾榫接触区域的下边缘,且接触表面存在大量的微动磨屑,属于典型的微动疲劳失效形式。试验结果表明:温度环境对微动疲劳寿命的影响较为明显。随着试验温度的升高,试验件的微动疲劳寿命会逐渐减小。      

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命,结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

民用航空发动机TA19电子束焊疲劳试验

针对民用航空发动机钛合金整体叶盘常用材料TA19开展其母材试件与电子束焊焊接试件在20,300,450℃的疲劳试验,通过焊接试件的焊缝材料断口与母材断口形貌的比较探讨了焊缝材料的疲劳破坏机理,并在104~106循环的疲劳寿命区间内采用Basquin模型分别建立了焊缝材料和母材的应力-疲劳寿命(S-N)曲线,结果显示母材试件与焊接试件的试验疲劳寿命大部分都落在了对应模型计算疲劳寿命的2倍线之内,表明试验得到的S-N曲线是合理的.焊接试件与母材试件的S-N曲线的对比分析表明,20℃时焊接试件的疲劳性能比母材试件略高,而在300℃和450℃时焊接试件与母材试件的疲劳性能差异随应力水平发生变化.但总地说来,在所关注疲劳寿命区间内,母材试件与焊接试件的计算疲劳寿命差异也在2倍线以内,初步表明两者的疲劳性能相当.      

总应变寿命方程中疲劳参数的确定和寿命预测

总结分析了多种寿命预测方法,给出了总应变寿命方程的4个材料参数:疲劳强度系数、疲劳延性系数、疲劳强度指数和疲劳延性指数的表达形式,从而提出了一种新的具有很好物理意义、工程意义和普适性的总应变寿命方程,并以6种典型的航空材料光滑试样(TC4(室温)、TC11(室温)、TC11(500℃)、GH901(300℃)、GH901(500℃)和GH4133B(600℃))的对称循环疲劳数据进行验证,获得了很好的疲劳寿命预测结果,其寿命预测结果大都在2倍分散带以内。对比分析了多种寿命预测方法所确定的4个疲劳参数,并且分析了5种断裂真应力表达形式所确定的疲劳强度系数,发现所提出确定断裂真应力的方法获得了较好的精度,与试验值相比,不超过其误差的15%,并且准确确定断裂真应力将会显著提高对中高寿命段的寿命预测精度。      

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件,在工作过程中受到复杂的循环温度载荷,使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征,设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验,研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律,揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生,以沿晶方式扩展并断裂;②随着热疲劳试验中上限温度的升高,裂纹的萌生寿命缩短,裂纹扩展速率加快,试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.