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。     

航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳研究进展

航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时,热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用,常发生热腐蚀-疲劳失效,影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题,总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理,涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法,并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望,以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。     

SIMULATION OF COMPOSITE NON-LINEAR MECHANICAL BEHAVIOR OF CMCS BY FEM-BASED MULTI- SCALE APPROACH

The non-linear behavior of continuous fiber reinforced C/SiC ceramic matrix composites （CMCs） under tensile loading is modeled by three-dimensional representative volume element （RVE） models of the composite. The theoretical background of the multi-scale approach solved by the finite element method （FEM） is recalled first- ly. Then the geometric characters of three kinds of damage mechanisms, i.e. micro matrix cracks, fiber/matrix interface debonding and fiber fracture, are studied. Three kinds of RVE are proposed to model the microstructure of C/SiC with above damage mechanisms respectively. The matrix cracking is modeled by critical matrix strain en- ergy （CMSE） principle while a maximum shear stress criterion is used for modeling fiber/matrix interface debond- ing. The behavior of fiber fracture is modeled by the famous Weibull statistic theory. A numerical example of con- tinuous fiber reinforced C/SiC composite under tensile loading is performed. The results show that the stress/ strain curve predicted by the developed model agrees with experimental data.     

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

提出了一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法.通过雨流计数法对各平面上的剪应变进行循环计数,以统计出的剪应变循环作为多轴疲劳损伤的主要控制参数,将各剪应变循环历程内对应的最大正应力和正应变变程作为多轴疲劳损伤的第二控制参数.根据多轴疲劳寿命模型计算出各平面上的损伤,以最大损伤平面作为多轴随机疲劳的临界平面,通过该临界平面上的损伤计算出多轴随机载荷下的疲劳寿命.采用SNCM630钢,304不锈钢和S45C钢3种金属材料的多轴随机疲劳试验数据对提出的寿命预测方法进行评估和验证.结果表明:疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内.     

教练机发动机使用任务循环推导

在大量的外场统计和空测的基础上, 对某教练机发动机的外场使用载荷进行了分析研究, 推导出了其使用任务循环, 并与MIL-STD-1783进行了对比分析, 为国产同类新型教练机发动机的设计任务循环的预测奠定了基础。      

操作相关的发动机载荷谱模型与仿真研究

以某型歼击机发动机重心法向过载谱为例,进行统计分析,建立了与操作相关的航空发动机载荷谱的数学模型,并验证了模型的合理性。研究表明:一个操作相关的发动机载荷谱可以用泊松随机过程描述,由持续时间分布和到达时间间隔分布以及载荷持续时间累积频次曲线和载荷穿级计数次数累积频次曲线等四个因素完全确定,其中持续时间和到达时间间隔均服从指数分布。在保证上述四个方面等效的基础上,提出了操作相关的载荷谱仿真方法,并对该发动机的重心法向过载谱进行了仿真,结果表明与实测载荷谱吻合较好,仿真方法可行。      

纤维位置随机引起的复合材料性能分散性研究

采用Monte-Carlo方法分别用均匀分布和正态分布模拟复合材料纤维中心位置的随机变化,得到材料截面图像。然后用像素对材料截面图进行网格划分,作为通用单胞模型的输入,计算出复合材料性能的子样。最后用数理统计的方法处理数据得到材料性能的统计特性数据。分析结果表明:本文采用的模拟方法是合理有效的。由纤维位置变化引起的材料分散性随纤维体积比的变化先增大然后减小。三参数威布尔分布和正态分布较好地描述了各个弹性参数的分布。      

夹杂对粉末高温合金裂纹扩展寿命的影响

采用有限元方法中的奇异单元,研究了当粉末高温合金FGH 95中存在由夹杂引起的裂纹时,夹杂对裂纹应力强度因子的影响;并在此基础上,利用Paris公式,计算了夹杂对裂纹扩展寿命的影响。研究结果表明:当夹杂处于裂纹的不同位置时,对应力强度因子的影响趋势也不同,且硬夹杂的影响趋势与软夹杂相反;存在软夹杂时,将夹杂当作初始裂纹,不考虑夹杂的影响得出的裂纹扩展寿命结果是安全的,而对于硬夹杂得出的结果偏于危险,对于FGH 95粉末高温合金,夹杂相对于基体材料其弹性模量偏小,为软夹杂,因此将夹杂当作初始裂纹计算裂纹扩展寿命时不考虑夹杂的影响,将得到偏于安全的裂纹扩展寿命计算结果。这一结论为简化粉末冶金涡轮盘的寿命分析提供了依据。      

基于B-P本构模型的涡轮盘应力分析

针对Bodner-Partom统一粘塑性本构方程,采用Euler前差显式积分方法,编制了用户子程序,把该本构方程结合进了大型通用有限元软件ANSYS,进行了一维和二维的算例验证,并针对某涡轮盘进行了三维应力分析。该程序可考虑材料变形的率相关、循环加载等情况,适用于航空发动机高温部件非线性结构分析。      

航空发动机飞行载荷谱的预测

提出了基于飞机的设计飞行任务剖面、飞行力学及发动机原理的发动机飞行载荷的预测方法,即首先将飞机的设计飞行任务剖面通过飞行力学的基本原理转化为发动机的推力（或油门）剖面,然后通过发动机性能计算获得发动机的其它工作状态参数,从而获得发动机的飞行载荷谱。