高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验验证

针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题,采用耦合的有限元/边界元法,对GH188薄壁结构进行动力学响应计算,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型,结合Miner线性累积损伤理论对薄壁结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究,获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,破坏位置均为结构根部,结构1阶热模态频率具有一致性,误差0.49%~2.09%之间,X方向应力响应峰值集中在基频附近,随温度升高,结构发生软化刚度下降,响应峰值向左发生偏移,且预测水平与试验一致,误差在1%~3%之间,验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势,疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内,误差在3~3.5倍之间,满足工程级寿命预测要求,验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。      

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

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。      

铸件中显微孔洞特征及其对疲劳寿命影响的研究进展

铸件在铸造过程中会不可避免地产生显微孔洞,严重降低了铸件疲劳寿命。本文综述铸件中显微孔洞特征(尺寸、形状和空间分布)对疲劳寿命的影响,包括显微孔洞类型,孔洞特征分布规律,孔洞最大尺寸预测方法和含孔洞材料疲劳寿命预测方法;通过对疲劳寿命预测模型的回顾,发现目前含显微孔洞铸件疲劳寿命预测方法还不成熟;展望了显微孔洞特征对疲劳寿命影响的研究。提出未来应该依靠先进光源展开原位疲劳实验或者分子动力学仿真来研究孔洞疲劳失效微观机理,建立考虑不同显微孔洞特征参数,以及不同孔洞间相互影响的疲劳寿命定量预测模型。     

样本量为2的极小样本相容性检验方法

在航空航天领域由于成本、时间周期等原因进行疲劳寿命及可靠性评估时样本量通常极少（m=1或2）,利用相容性检验方法可对样本量进行扩充。常规的Wilcoxon秩和检验和K-S（Kolmogorov-Smirnov）检验适用于小样本情形,而极小样本相容性检验方面研究较少,且缺乏对方法合理性的详细说明和对不同方法检验功效优劣的比较。航空航天产品疲劳寿命多服从正态分布,因此本文主要以正态分布作为研究对象。利用Monte Carlo仿真发现从某一正态分布N（μ,σ²）中随机抽取两个样本x₁、x₂计算均值μ₁和标准差σ₁后构建新正态分布N（μ₁,σ₁²）,其±σ₁、±2σ₁和±3σ₁范围内的点落在原正态分布N（μ,σ²）±3σ范围内的概率依次为99.80%、98.13%和97.37%。在此基础上针对现场试验数据样本量为2的情况,本文提出利用3σ原则对先验信息数据进行相容性检验从而扩充样本量的方法。将该方法与两种文献方法对比后发现其误差率明显更低并呈现出检验性能随先验数据增加而不断提高的优势。     

考虑榫槽/榫齿配合间隙的叶盘结构疲劳寿命稳健性优化研究

为了更好地满足榫齿结构的设计、加工和制造需求,同时提高叶盘结构的疲劳寿命稳健性,利用有限元方法对不同配合间隙下的应力应变进行计算,揭示并分析了叶盘结构疲劳寿命随配合间隙的变化规律,综合考虑载荷、材料参数、配合间隙不确定性的情况下,利用二次多项式响应面分别建立了随机变量与叶盘疲劳寿命的近似函数关系,并结合多目标规划理想点法建立了叶盘结构疲劳寿命多目标稳健性优化模型。优化结果表明:叶片、轮盘疲劳寿命均值分别增加了3.24%和1.93%,疲劳寿命概率区间分别降低了10.13%和8.16%,叶盘结构疲劳寿命对参数变化的敏感度降低,有利于更加准确地进行寿命评估。     

TC4钛合金惯性摩擦焊接过程的数值模拟

文摘基于ABAQUS有限元分析软件,建立了TC4钛合金的惯性摩擦焊(IFW)焊接过程的二维轴对称模型,通过确立Johnson-Cook损伤模型以及ALE技术对TC4钛合金的惯性摩擦焊焊接过程进行了热力耦合分析,发现TC4惯性摩擦焊在0.2 s内温度升高到200~300℃,0.5 s左右温度升高到1 100~1 200℃之后温度升高趋于平缓,到达峰值后温度缓慢下降,焊接完成。轴向缩短量在0.6 s内非常小,温度达1 100~1 200℃(0.6~1.2 s)轴向缩短量增长十分快并基本达到峰值,1.2~1.4 s由于粘结作用温度不再升高轴向缩短量增加缓慢,1.4 s后焊接基本完成轴向缩短量不再增加。初始阶段轴向应力基本没有变化,随着温度升高(0.2~0.5 s)压应力在中心区域增大,0.5~1.2 s内边缘形成拉应力,中心区域应力集中愈发明显,1.2 s后拉应力明显增加。而径向应力随着温度的升高中心应力明显高于外侧并使金属向两侧流动。这就可以得出飞边形成主要是因为高温、轴向应力以及径向应力共同复杂作用而形成的结果。模拟结果基本与实际相符,对提高惯性摩擦焊焊接质量提供了重要的参考作用。     

热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

局部受载滚轮滚针轴承承载性能仿真分析

根据所研究滚轮滚针轴承局部受载和支撑结构特点,建立考虑凸轮局部受载影响的轴承全柔性体有限元仿真模型,系统分析了轴承加载载荷、游隙和安装偏斜角对轴承的力学性能、刚度和寿命的影响,并通过数值和试验方法对仿真结果的正确性进行验证。结果表明:局部受载条件下,径向载荷和偏斜角对轴承接触性能和寿命产生较大影响,轴承游隙对轴承接触性能和寿命的影响较小;径向载荷和偏斜角的增加,使得轴承承载区域减小,原对称“驼峰”型滚针母线的接触压力分布逐渐向偏斜角方向过渡,造成“一高一低”的母线压力分布形貌,最大接触压力增加,使得轴承寿命快速下降,但在极限载荷和偏转角条件下,仍满足轴承设计寿命指标要求。      

含初始分层复合材料层合板压缩剩余强度计算

针对含预制分层损伤的树脂基复合材料层合板,利用 3 维逐渐损伤分析方法,建立含预制分层损伤层合板的有限元模型,提出了 1 种含预制分层损伤的层合板压缩剩余强度的计算方法。采用有限元方法对层合板的应力进行分析,采用 3 维 Hashin失效判定准则判定单元的损伤类型,并提出相应的损伤退化方式和材料的最终失效准则,在 ANSYS 软件开发平台上利用 APDL 语言编写相应的计算程序,对 2 种含不同预制分层损伤的层合板计算其压缩剩余强度,结果表明:计算结果与试验结果吻合较好。