基于材料微结构的高周疲劳性能定量表征及关键技术问题

长寿命、高可靠性已成为飞机结构设计的主要目标之一,疲劳失效对材料结构的完整性构成严重威胁.介绍了航空铝合金微结构对高周疲劳失效机制的作用及定量表征的研究现状,重点对材料微结构对多裂纹萌生的作用机制与定量表征、小裂纹转变为长裂纹的临界尺寸的数学描述和高周疲劳裂纹多尺度扩展行为定量表征等方面的研究状况进行了分析,指出了制约微结构对高周疲劳作用的定量表征的关键技术问题.     

镍基单晶叶片制造技术及再结晶研究进展

针对航空发动机单晶涡轮叶片的制造技术以及再结晶缺陷进行分析,结合国内外研究现状,从单晶空心涡轮叶片铸造技术、单晶空心涡轮叶片再结晶缺陷及单晶叶片再结晶控制方法等方面,对单晶叶片制造技术及再结晶控制方法取得的研究成果进行总结和分析。重点介绍了叶片制造技术和再结晶控制技术的方法及研究。对我国单晶空心涡轮叶片制造技术及再结晶缺陷的进一步研究重点进行分析。     

含表面裂纹的复合材料层压板剩余强度的工程算法

表面裂纹可导致复合材料层压板的强度降低,针对一些对裂纹敏感的复合材料关键部件有必要计算裂纹对层压板剩余强度的影响。传统预测层压板剩余强度的方法均与层压板具体铺层方向有关,通过研究具有表面裂纹的碳纤维/环氧树脂层压板的剩余强度特性,提出了一种与铺层方向无关的预测层压板剩余强度的工程算法。首先,利用裂纹几何参数以及层压板相关力学性能参数对剩余强度进行快速估计,再基于内聚力单元建立含表面裂纹的复合材料层压板的有限元模型,通过对含表面裂纹的层压板的渐进损伤过程进行描述,研究了裂纹深度和长度对剩余强度的影响,验证了工程算法的合理性。     

高压条件下Al2O3/Al-10Si组织演变及力学性能

采用热压烧结与高压凝固分别制备了不同压力下Al_2O_3/Al-10Si复合材料,研究了高压对Al_2O_3/Al-10Si复合材料的组织演变规律及力学性能的影响。结果表明,高压凝固Al_2O_3/Al-10Si复合材料由α相,β相和Al_2O_3强化相组成,其中α相呈胞状,在α相晶界处存在少量粒径约为0.1μm的颗粒状β相;对于不同压力下制备的复合材料性能研究发现,凝固压力增加,α相中Si的固溶度增加,显微硬度及拉伸强度也随之提高,显微硬度由热压烧结时的55.3 HV,增加到了5 GPa时的128.1 HV,提高了133%,拉伸强度由热压烧结时的126 MPa,增加到了5 GPa时的702 MPa,这是由于高压导致α相中Si固溶度增加,形成了固溶强化。     

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学（LEFM）的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。     

基于数字图像相关方法微裂纹萌生试验研究

为了进一步研究疲劳裂纹在萌生阶段的特点,本文结合数字图像相关方法 (Digital Image Correlation Method,DIC)设计并组建了配合液压疲劳试验机加载的原位观测系统。同时针对DIC测量方法中的关键技术进行研究,分别提出了一种可应用于视场宽度2mm下DIC计算的微小散斑制备方法,以及空间调节方法以提高试验可靠性。最后应用该系统开展针对航空发动机火焰筒材料GH536的微裂纹自然萌生试验。通过采取两种不同的DIC分析策略,分别获得疲劳过程中的总应变幅以及最大累积塑性应变的演化规律。结果表明总应变幅演化可确定自然萌生裂纹位置,最小可识别50μm裂纹;最大累积塑性应变分析可得萌生寿命占比约85%,并在裂纹出现后塑性应变急剧增加。     

某航空发动机滑油位异常下降故障分析

针对某航空发动机在试飞过程中连续出现多起滑油箱油位异常下降情况,对滑油系统进行排查分析,确认为由滑油泵皮碗裂纹引起的。经对皮碗故障件进行复查、断口分析、设计复查等工作,确定了皮碗裂纹产生的原因。结果表明:滑油泵级间壳体上通油孔与增压泵出口相连,使得皮碗封严压力过大,为导致皮碗裂纹故障发生的主要原因;泵轴与皮碗装配过盈量大促进了皮碗裂纹故障萌生和扩展。通过对滑油泵结构参数优化设计,降低皮碗承载油压和摩擦力,提高皮碗密封性能和寿命,从而有效避免此类故障再次发生。     

某型飞机液压导管裂纹原因分析及预防措施

针对某型机液压导管平管嘴根部管体多次发生磨损、裂纹故障,通过对管系建立数字化模型进行仿真计算、振动模态分析及实际验证,找出了故障发生原因,针对故障原因提出预防和改进措施。     

抽拉速率对Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金的定向凝固组织的影响

采用亚快速定向凝固装置成功地制备了Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金定向凝固试样,观察了不同凝固速率下的固液界面形貌、过渡区和稳态区凝固组织.实验结果表明,在2μm/s抽拉速率下,合金界面以胞状界面形态生长,全片层组织(γ+α2)取向与生长方向成0°和45°的夹角,合金凝固时的领先相为β相.在100μm/s凝固速率下,合金界面以枝状形态生长,全片层组织方向与生长方向的夹角为90°,领先相从β相转化为α相.通过将合金中Cr和Nb元素的含量折算成Al的含量,计算Ti-48.3Al合金中α和β相界面生长温度,发现凝固速率达到180μm/s时,领先相可由β相转变为α相,理论计算结果支持实验中的相选择转变过程.     

粉末冶金盘损伤容限的边界元分析

采用边界元法建立了裂纹扩展分析模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验吻合很好,表明分析方法的准确性及可行性.在对粉末高温合金缺陷数据分析的基础上,建立了粉末盘损伤容限边界元分析模型,对其裂纹扩展寿命进行了评估.研究表明:边界元法在损伤容限分析中的实现便捷可行,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析,与传统预测方法相比,能够给出更为合理的寿命结果.