Udimet 720 Li材料B-P型粘塑性本构建模研究

针对航空发动机用涡轮盘材料Udimet 720 Li,根据高温单轴实验结果,对其在各种载荷条件下的力学行为,开展了采用Bodner-Partom(B-P)统一型弹-粘塑性本构方程进行建模的研究.充分讨论了基于内变量理论的该型本构模型对率相关拉伸、循环硬化及蠕变等力学行为同时进行建模的能力;根据对模型的本构分析,给出了一种分类加整体考虑的模型参数优化策略.通过ABAQUS用户子程序,把该模型结合进了有限元方法,并进行了计算验证.研究表明B-P本构模型可较好地建模高温镍基合金Udimet 720 Li的各种力学行为.      

超高速撞击条件下铝合金材料参数识别方法

在超高速撞击过程中,金属材料在大变形、高应变率条件下的材料参数获取是一个研究难点.在确定Steinberg本构模型和Gruneisen状态方程前提下,结合已有的物理试验结果,采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamic)算法实现超高速撞击问题的数值模拟,定义优化目标为物理试验结果和仿真结果之间的相对误差值,利用连续响应面法SRSM(Successive Response Surface Method)对铝合金6061的Steinberg本构模型中的4个关键参数进行优化识别计算.经过识别的材料参数与物理试验的结果近似程度更好,证明了这种方法的正确性和可靠性.      

基于M-K模型的TA15钛合金高温成形极限

为了探究TA15钛合金高温环境下的成形极限，明确本构方程中参数对成形极限的影响规律，建立了考虑高温软化效应TA15钛合金高温环境下的本构关系，利用高温成形极限试验平台及M-K失稳理论对TA15钛合金板高温环境下的成形极限分别进行了试验测试及理论预测。理论预测结果表明当温度从800℃提升至880℃时，平面应变状态下的极限主应变由0.18提升至0.33。基于M-K失稳理论和建立的高温本构模型，分析了本构方程中的参数对成形极限的影响规律，结果表明提高加工硬化指数、速率敏感因子及减小软化因子，均可以提升应变强化率的大小，进一步延缓沟槽内应变状态趋于平面应变状态，从而提升理论成形极限曲线在应变空间中的位置。此外，理论计算结果表明速率敏感因子对成形极限曲线的左侧影响程度要大于其对右侧部分的影响，该现象主要归因于速率敏感因子对不同应变大小下的应变强化率的影响不同。      

基于有限元仿真的航空整体结构件变形校正

针对航空整体结构件变形复杂、校正效果难以定量预测的工程问题,基于有限元仿真技术,综合研究加工变形—校正过程,对航空整体结构件的变形校正有限元建模、校正过程数值模拟、校正参数确定、校正载荷施加形式及校正残余应力等关键技术进行了研究,并运用上述技术对某航空铝合金材料整体结构件进行了变形校正有限元数值模拟.结果表明,综合研究加工变形—校正过程,提取变形有限元模型作为初始校正模型,进行有限元加载—卸载分析,可很好地模拟校正过程,并获得实际需要的校正参数.      

血管的新应变能函数(Ⅱ)

用多项式表示高度非线性的本构关系时,多项式中往往含有很多高阶项,而要获得与这些高阶项对应的材料常数, 存在许多困难.为降低多项式的次数,应在多项式中加入修正项.对Taylor展开式进行修正的方法,以及在曲线拟合过程中需要使用的技巧有许多值得探讨之处.      

血管的新应变能函数(Ⅰ)

首先提出并且验证了可被应用于大变形计算的描述血管非线性应力-应变关系的新的本构理论.其推导的数学基础是假设应力-应变关系可以用张量多项式来表示.通过对比可以发现,拟合结果与试验数据完全吻合,并且优于已有的指数形式的表达式.为降低Taylor展开式的次数,对级数进行了修正,并且针对不同的拟合过程和方法进行了讨论.      

基于褶皱的平流层浮空器升空结构形变模拟

平流层浮空器囊体材料具有非线性、黏弹性、各向异性和不能抗压等特点,起皱现象是在升空膨胀过程中必然会出现的形变状态,褶皱的扩展会影响整个囊体结构的受力状态,改变囊体变形和应力分布.同时,褶皱的存在还会影响囊体结构的动力学行为和空间环境下的热力学分布.通过主应力-主应变相结合准则对褶皱区域进行判别,采用修正褶皱单元的本构矩阵方程的方法对褶皱区域进行处理,地面充氦气试验证明了新方法的模拟结果更加接近测试值.从而为平流层浮空器设计提供了一种有效的分析方法.     

泡沫塑料拉伸力学性能的研究

对高密度泡沫塑料进行了拉伸实验,研究了材料的拉伸力学性能,并考虑了应变率效应和温度效应.实验结果表明:高密度硬质聚氨酯泡沫塑料在拉伸加载下应变率效应不太明显,但温度效应却十分明显.在拉伸加载下泡沫塑料具有明显的脆性变形特征,其应力-应变曲线存在明显的非线性.此外, 文中对泡沫塑料的模量和强度进行了理论预测, 预测值与实验值基本一致.     

飞机铝合金结构件数控加工变形分析与控制

以飞机机翼翼肋铝合金结构件这一典型易变形的零件为例,研究数控加工变形情况及其影响因素,主要研究残余应力对加工变形的影响.采用理论建模、有限元分析和实验验证相结合的方法分析和对比数控加工中零件变形情况;分析了工件内残余应力分布,用有限元软件提供的热机耦合功能,以温度场模拟施加铝合金的残余应力分布;分析和模拟了去除材料对工件变形的影响;用经过改进的顺序静态单元生死方法进行切削过程的仿真和改进,并对仿真所得的零件变形量与实际加工测量结果进行了比较,验证了分析方法和所建立模型的有效性;最后提出了控制数控加工变形的解决方案.     

低密度闭孔金属泡沫压缩屈服行为的数值模拟

对低密度闭孔金属泡沫的变形过程进行数值模拟是研究泡沫材料力学及失效行为的重要手段.基于Kelvin多倍胞体模型和有限元方法数值模拟了低密度闭孔泡沫铝的压缩变形的过程,给出了压缩变形曲线并确定了压缩屈服强度.在计算过程中,考虑了材料非线性和几何非线性效应以及胞体倍数对应力-应变关系的影响,并采用理想弹-塑性和线性强化弹-塑性两种材料本构关系来考察其对于泡沫铝非线性压缩力学行为的影响.结果表明,有限元计算的结果与一些文献的理论工作有较好的一致性,但是比实验值偏大.     

Chaboche随动硬化模型参数确定及棘轮效应

采用遗传算法确定不同Chaboche随动硬化模型的参数,得到的3种模型中,四分量模型对棘轮的预测与试验结果符合最好.增大应力幅值或应力平均值,都会使应变峰值增大,应变累积速度加快;利用确定的四分量模型研究加载顺序对棘轮的影响.结果表明,平均应力加载顺序对棘轮预测有较大影响,加载顺序高-低的累积应变低于加载顺序低-高的累积应变,而且先加载的平均应力越大,后加载的载荷产生的累积应变越小;而应力幅值加载顺序对应变累积几乎没有影响.     

可重复使用火箭发动机再生冷却槽失效分析

完成了可重复使用液体火箭发动机推力室再生冷却槽热力循环载荷下的蠕变非弹性热结构分析,对比研究了各向同性硬化和随动硬化定律对冷却槽结构分析的影响,并在多循环结构场基础上分析了冷却槽"狗窝"失效过程.结果表明可以通过选取热传导率差别小的内外壁材料、优化几何结构改善温度场及结构场;各向同性和随动硬化结构曲线变化趋势相似,但塑性应变有较大差别,残余应变相差约0.06%;多循环加载中每个循环的结构曲线形状相似并不断右移,硬化效应明显,低周疲劳损伤和蠕变损伤分别取决于循环载荷下的应变和应力值.     

蜂窝结构异面变形动态塑性坍塌力学

在蜂窝结构静态塑性坍塌应力理论计算模型的基础上,建立了蜂窝结构在冲击载荷作用下的动态塑性坍塌应力的理论计算模型.考虑应变率对蜂窝结构动态力学性能的影响,使用Cowper-Symonds模型建立了静态塑性坍塌应力与动态塑性坍塌应力之间的关系;基于薄板弯曲理论,由平均冲击速度得到了应变率的计算公式,进而得出动态塑性坍塌应力关于冲击速度与静态塑性坍塌应力的函数关系.使用LS-DYNA动力学软件模拟了铝合金蜂窝结构在冲击载荷作用下的异面变形,数值计算结果与理论模型计算结果一致.     

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

载荷不确定条件下的结构拓扑优化算法

研究了采用概率方法表示载荷不确定性时的连续体结构拓扑优化方法.基于线弹性体的位移叠加原理给出了结构柔度均值与方差的计算方法,并在此基础上给出了结构灵敏度分析方法.对于承受n个不确定载荷的平面结构,其柔度均值与方差以及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移而获得.给出了载荷不确定条件下以结构柔度均值与标准差的加权和最小为目标的拓扑优化算法,并通过数值算例验证了该方法的有效性及载荷不确定条件下结构拓扑优化结果的稳健性.该算法可以推广到三维结构问题.     

热、力耦合作用下热障涂层的失效机制

针对热障涂层服役环境中热物理化学环境与机械载荷耦合作用的特点,采用交流阻抗谱法与声发射法对热障涂层在恒定外载荷(高温蠕变)以及交变载荷(高温低周疲劳)作用下的失效过程进行了考察分析,研究发现,交流阻抗谱中低频段阻抗值的变化可以有效地反映热障涂层热氧化层内横向裂纹的萌生及扩展;有无外机械载荷作用下热障涂层的热循环失效的模式截然不同,在高温蠕变条件下,热障涂层的裂纹并不产生在热氧化层内,而是产生在热氧化层与柱状晶之间的等轴晶区;而在高温低周疲劳条件下裂纹是在粘结层与高温合金基体的扩散层处.      

基于多失效模式的扭簧可靠性优化分析

基于广义应力 广义强度分布干涉理论和单一失效模式下扭簧可靠性计算模型,建立了多失效模式下扭簧可靠度优化数学模型,采用规格化加权法进行各失效模式影响相同（等失效效应）和有差异（非等失效效应）两种情况下的扭簧可靠度计算。在给定扭簧结构和工况约束条件下,应用提出的计算模型和技术进行了失效模式影响相同和有差异的基于可靠度最大的扭簧结构优化,与非优化结构的扭簧可靠度的比较,以及这两种情况下的扭簧可靠度比较。结果表明,提出的可靠度优化模型和方法是可靠和有效的,对于航天工程中零部件的可靠性优化分析具有很好的借鉴作用。     

蒙皮拉形加载轨迹优化

对双曲度飞机蒙皮拉伸成形问题,探讨了加载轨迹对成形质量的影响,提出了采 用最优化理论与算法和有限元数值模拟相结合,确定最优拉形加载轨迹的原理与方法.分析 了单凸双曲度蒙皮拉伸成形常用加载轨迹的成形特点和不足,采用有限元数值模拟和序列二 次规划相结合的方法,通过正交试验设计建立近似响应模型和设计变量的取值范围,以减小 卸载回弹提高贴模度为研究目标、最大主应变为约束条件建立最优化数学模型,确定最合理 的拉形加载轨迹.优化结果表明成形零件贴模度和应变分布与厚度的均匀程度均有明显提高 .      

Microgravity and bone cell mechanosensitivity.

The capacity of bone tissue to alter its mass and structure in response to mechanical demands has long been recognized but the cellular mechanisms involved remained poorly understood. Bone not only develops as a structure designed specifically for mechanical tasks, but it can adapt during life toward more efficient mechanical performance. Mechanical adaptation of bone is a cellular process and needs a biological system that senses the mechanical loading. The loading information must then be communicated to the effector cells that form new bone or destroy old bone. The in vivo operating cell stress derived from bone loading is likely the flow of interstitial fluid along the surface of osteocytes and lining cells. The response of bone cells in culture to fluid flow includes prostaglandin (PG) synthesis and expression of prostaglandin G/H synthase inducible cyclooxygenase (COX-2). Cultured bone cells also rapidly produce nitric oxide (NO) in response to fluid flow as a result of activation of endothelial nitric oxide synthase (ecNOS), which enzyme also mediates the adaptive response of bone tissue to mechanical loading. Earlier studies have shown that the disruption of the actin-cytoskeleton abolishes the response to stress, suggesting that the cytoskeleton is involved in cellular mechanotransduction. Microgravity, or better near weightlessness, is associated with the loss of bone in astronauts, and has catabolic effects on mineral metabolism in bone organ cultures. This might be explained as resulting from an exceptional form of disuse under near weightlessness conditions. However, under near weightlessness conditions the assembly of cytoskeletal elements may be altered since it has been shown that the direction of the gravity vector determines microtubular pattern formation in vivo. We found earlier that the transduction of mechanical signals in bone cells also involves the cytoskeleton and is related to PGE2 production. Therefore it is possible that the mechanosensitivity of bone cells is altered under near weightlessness conditions, and that this abnormal mechanosensation contributes to disturbed bone metabolism observed in astronauts. In our current project for the International Space Station, we wish to test this hypothesis experimentally using an in vitro model. The specific aim of our research project is to test whether near weightlessness decreases the sensitivity of bone cells for mechanical stress through a decrease in early signaling molecules (NO, PGs) that are involved in the mechanical loading-induced osteogenic response. Bone cells are cultured with or without gravity prior to and during mechanical loading, using our modified in vitro oscillating fluid flow apparatus. In this "FlowSpace" project we are developing a cell culture module that is used to provide further insight in the mechanism of mechanotransduction in bone.