斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤,导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象,通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测,并在5和10 J的冲击能量下,对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明,微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性;在较大的冲击能量下,材料正面和背面均出现了损伤,且损伤以纤维断裂为主;低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性,数值模拟损伤面积的误差在10%以内。     

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

鸟撞击风扇转子叶片损伤模拟与试验研究

为了研究航空发动机吞鸟时风扇叶片受到的损伤,开展鸟撞击旋转状态下发动机风扇叶片损伤数值模拟和试验研究。采用SPH方法,使用PAM-CRASH软件对鸟撞击旋转状态下风扇叶片进行了数值模拟,得到了鸟撞击风扇叶片过程:风扇叶片前缘撞击并切割鸟体、叶片盆侧撞击鸟体切片和叶片恢复变形,详细分析了鸟撞击对风扇叶片前缘、叶身、尾缘、凸肩造成的损伤,以及损伤对发动机的影响。设计并开展了旋转状态下鸟撞击风扇转子试验,得到了旋转状态模拟鸟撞击风扇过程,以及旋转状态下鸟撞击风扇实际的损伤类型,撞击过程和损伤类型与数值模拟结果一致。数值模拟和试验结果表明,鸟撞击风扇主要过程为叶片前缘撞击切割鸟体,主要损伤为风扇叶片前缘变形、撕裂、掉块和凸肩工作面错位、掉块,风扇叶片抗鸟撞击的薄弱部位为风扇叶片前缘和凸肩工作面。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

开孔层压板拉伸破坏的2D渐进损伤模拟

运用渐进损伤的唯象描述方法,结合应力分析、失效判断、材料刚度退化对开孔层压板在拉伸载荷下从材料开始出现局部破坏直到整个构件失效的过程进行了基于2D有限元模型的数值模拟,模拟得到的位移栽荷曲线与文献曲线基本一致,对最终破坏载荷的预测与文献中的试验值相差-2.0%,与文献预测值相差1%,表明渐进损伤方法可以在工程上用于层压板的失效模拟和预测.     

基于特征曲线法的CFRP干涉连接结构损伤萌生及扩展分析

干涉连接是航空复合材料结构件的主要连接方式,然而不恰当的干涉量会导致孔周围区域产生损伤,从而严重影响整个连接结构的静强度和疲劳强度。分析了干涉连接过程连接板的受力形式,建立了基于干涉量的孔边应力分布模型。在此基础上,结合Yamada准则建立了孔边损伤萌生模型,利用特征曲线法界定了材料损伤区域传播的极限位置;其次,针对CFRP材料(碳纤维增强复合材料)的特点,利用ABAQUS软件对干涉连接过程损伤的萌生及扩展进行仿真模拟;最后,对不同孔径不同干涉量条件下的损伤萌生和损伤扩展结果进行对比分析,验证了损伤萌生模型的准确性。     

状态方程对叶片外物损伤数值模拟结果的影响

分别采用Bammann粘塑性本构模型和修正Zerilli-Armstrong本构模型在LS-DYNA软件中对钢珠冲击TC4钛合金平板试件的冲击损伤过程进行了数值模拟。通过对修正Zerilli-Armstrong本构模型选择线性多项式状态方程和Gruneisen状态方程,研究了状态方程在发动机叶片FOD数值模拟中的作用。通过对比分析钢珠在不同速度下冲击TC4试件产生的弹坑外貌、尺寸以及残余应力分布,结果表明,是否使用状态方程来描述叶片材料在冲击载荷下的体积压缩或膨胀行为,对FOD数值模拟结果的影响很小。在发动机叶片的FOD数值模拟中,材料本构模型的选择和评估更为重要。     

复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析

运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分...     

正交各向异性材料构件粘塑性损伤寿命研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用模拟气膜冷却的空心涡轮叶片的子构件,进行了在蠕变与疲劳载荷作用下构件的损伤试验和寿命试验。将计算结果和试验结果进行了比较。     

直升机在机动状态下的桨叶弹击数值模拟

为了研究直升机旋翼桨叶在机动状态下的弹击损伤,在数模模拟中,预先考虑了桨叶在机动状态下的拉力、挥舞力矩、摆振力矩对弹击损伤的影响。针对某型机旋翼桨叶,采用全尺寸有限元模型进行了弹击数值模拟分析。首先使用自编Fortran程序和VABS软件计算了桨叶剖面特性;之后建立了弹性桨叶结构载荷分析模型,采用CAMRIDII软件计算了机动状态下的桨叶载荷;在此基础上,使用NASTRAN软件对桨叶进行瞬态分析,得到桨叶施加载荷的预应力状态;再使用DYTRAN软件,基于自适应接触法,模拟桨叶弹击损伤。研究表明：桨叶结构损伤程度与弹击速度是非线性关系;除了弹击点,大梁与上下蒙皮的过渡区域是二次损伤部位;桨叶抗弹击设计需要考虑结构件之间的刚度匹配问题,以达到最佳的抗弹击吸能效果与最小损伤面积。     

GH3625合金激光直接成形工艺

为了研究工艺参数对金属激光直接成形零件质量的影响,通过正交试验的方法对单道单层GH3625合金激光直接成形工艺进行了研究,主要探究了激光功率、扫描速度、送粉速度等参数对单道单层成形截面宽度和高度的影响规律,提出预测模型并做了验证。结果表明,在单道单层成形中,激光功率、送粉速度、扫描速度等工艺参数对单道宽度和高度具有不同程度的影响,其中,对于单道成形宽度和高度来讲,扫描速度对其影响最为明显。试验验证结果表明借助Minitab软件得到的线性回归模型是有效的。     

反应火焰喷涂Ti-Ni-C系陶瓷／金属复合涂层

以钛粉、镍粉和碳的前驱体(蔗糖)为原料通过前驱体碳化复合技术制备了Ti-Ni-C系反应喷涂复合粉末,并通过普通氧乙炔火焰喷涂技术成功制备了以TiC为增强相的陶瓷/金属复合涂层.采用XRD和SEM对喷涂粉末和涂层的相组成和显微组织结构进行了分析.研究结果表明:采用前驱体碳化复合技术制备的Ti-Ni-C系复合喷涂粉末有非常紧密的结构;可有效的解决反应喷涂过程中原料粉末分离的问题;喷涂所得到的陶瓷/金属复合涂层具有典型的热喷涂组织特征,其由原位合成的纳米级TiC颗粒分布于金属基体内部形成的复合强化片层组织和TiC和Ti2O3共生聚集片层交替叠加而成;涂层基体以Ni和Ni3Ti形式存在.     

多组分铜基金属粉末选区激光烧结试验研究

对自行设计制备的多组分铜基金属粉末(组分包括纯Cu粉末、预合金CuSn和CuP粉末)进行了激光烧结实验。工艺研究结果表明,该粉末体系在一定的激光参数和铺粉参数条件下,可实现对"球化"效应和翘曲变形的有效控制。利用X射线衍射仪和扫描电镜研究了激光烧结试样的物相、表面形貌和显微组织。结果表明,多组分铜基金属粉末的成形机制为液相烧结机制,粘结金属CuSn熔化形成的液相渗入结构金属Cu颗粒之间,通过液相的"桥接"作用而形成烧结颈,从而充分粘结未熔Cu颗粒;而P元素则起稀释剂的作用,在烧结过程中与氧反应生成CuPO₃,使金属颗粒表面避免氧化。最后给出了激光烧结上述金属粉末制造齿轮的加工实例,其致密度达理论密度的82％,而横向尺寸误差仅为1.9％。     

各向异性材料微动疲劳寿命研究

设计和制造了一套采用液压加载方式来施加法向载荷的微动疲劳试验装置,并且在该装置上进行了各向异性材料DD3与粉末高温合金FGH95以及DZ125与FGH95配对接触的微动疲劳试验,研究其微动疲劳的损伤过程.各向异性材料微动疲劳试验的完成证明了该装置的性能良好.将微动综合损伤参量应用于各向异性材料微动损伤的表征,并建立了DD3和DZ125相应的微动疲劳寿命预测模型.通过微动综合损伤参量的计算分析与试验验证,表明所建立的各向异性材料微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2.8倍因子以内.      

腐蚀/疲劳交替作用下飞机金属材料疲劳寿命计算方法

 使用环境下飞机金属结构剩余寿命评定是确定飞机结构疲劳寿命与日历寿命关系的关键。为此,本文模拟飞机结构经历的"地面腐蚀+空中疲劳"过程,提出了腐蚀/疲劳交替作用下飞机金属材料的疲劳寿命计算方法。首先,通过分析2A12-T4铝合金试样预腐蚀/疲劳试验结果,发现其在模拟腐蚀/疲劳交替作用时计算得到的疲劳寿命偏于保守。随后,根据2A12-T4铝合金试样真实的交替试验结果,采用回归算法,建立了基于均匀分布耦合损伤形式的腐蚀/疲劳交替寿命计算模型;并分别采用BP、Elman神经网络对上述模型的计算结果进行验证。结果表明,本文提出的均匀分布耦合损伤模型计算结果与真实试验结果吻合较好;通过进一步的计算与试验对比发现,该模型也可以用于加载循环与腐蚀周期组合发生变化时的疲劳寿命预测,具有较好的适用性。     

钨渗铜材料在真空高压开关上的应用

为适应高压真空开关抗熔焊、耐电蚀、高电导、低含气量等要求，对传统的生产工艺作了一系列改进，采用纯钨粉经模压成型、高温烧结，然后一次完成渗铜和覆铜。结果表明，钨骨架强度高，钢呈网状分布，基体组织细小均匀，气体含量低，覆铜层与钨铜基体结合紧密，从而满足了使用要求，降低了成本，获得了较好的经济效益。     

NiAl合金的热爆合成及其反应机制

本文研究了NiAl合金的热爆合成,其反应过程为液相控制,产物为β-NiAl,密度较高。本文给出了不同条件下合成的起爆时间及主要影响因素。     

用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型

通过对金属腐蚀T-H曲线和温湿谱的腐蚀损伤研究,找到一种用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型。这种计算金属日历寿命的模型,只要给出真实使用环境下的腐蚀T-H曲线和温湿谱,就可计算出金属真实使用日历寿命。通过对30CrMnSiA钢的日历寿命实例计算结果与真实环境下的腐蚀试验结果的比较得到,相对误差是17.5%,这说明该日历寿命计算模型和方法是有效的。     

A constitutive model coupling damage and material anisotropy for wide stress triaxiality

A constitutive model that can describe the damage evolution of anisotropic metal sheets during the complex forming processes which experience wide stress triaxiality history is essential to accurately predict the deformation and rupture behaviors of the processes. In this study, a modified Lemaitre damage criterion which couples with the anisotropic Barlat 89 yield function is established. The effects of stress triaxiality, Lode parameter and shear stress on damage accumulation are considered in the constitutive model. The model is numerically implemented and applied to fracture prediction in tensile tests with different stress triaxialities and a complex deformation process with wide stress triaxiality history. The good consistency of predictions and experiments indicates that the modified Lemaitre damage model has excellent fracture prediction ability. Finally, the accuracy of the model is analyzed and discussed.     

密度变化与韧性损伤的关系

通过精密测量相对密度化建立韧性损伤模型,以预测金属塑性加工过程中韧性损伤演化规律和产品质量。本文研究了精密测量微小密度的变化、介绍了测量方法和装置。通过测量相对密度变化对拉伸和扭转过程中韧性损伤演化规律进行了研究。