从事故角度浅谈飞机结构安全的设计理念来源

2017年交通部发布了《CCAR121大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》R5版本,其中维修体系的主要变动为附件J：持续适航和安全改进,民航局审定司同时发布/修订了8个相应咨询通告。其中重点规章为《AC-121-FS-2018-71修理和改装的损伤容限检查要求》。本文通过民航史上关键事故,介绍并阐述规章和咨询通告中“安全寿命“、”损伤安全“和最终发展为“损伤容限“的历史及落实到附件J和咨询通告的相应条款,为业内人员提供借鉴,加深对于飞机结构安全设计理念理解。     

热障涂层体系典型黏结层的抗热腐蚀性能

为了探究热障涂层体系中不同类型黏结层的热腐蚀行为,对比评价了4种典型黏结层(普通NiAl涂层、NiCoCrAlY涂层、Pt改性NiAl涂层以及Pt+Hf改性NiAl涂层)在900℃条件下Na_2SO_4/NaCl(质量分数75%∶25%)混合盐中的热腐蚀行为。利用扫描电镜、X射线衍射以及电子探针等手段分析了热腐蚀过程中的物相结构、显微组织演变规律。研究结果表明,普通NiAl涂层退化最快,NiCoCrAlY涂层的退化速率相对NiAl涂层有所减慢,两种改性NiAl涂层表现出较好的抗热腐蚀性能,其中Pt改性NiAl涂层具有最佳的抗热腐蚀能力,相比之下Hf元素的加入对Pt–Al涂层抗热腐蚀性能无益。     

陶瓷基复合材料螺栓渐进损伤计算与强度预测

为了准确预测陶瓷基复合材料螺栓的强度及损伤演化过程,建立了陶瓷基复合材料螺栓有限元模型,并采用渐进损伤模型实现了陶瓷基复合材料螺栓的失效分析,形成通用有效的陶瓷基复合材料结构渐进损伤有限元仿真方法。计算结果表明：陶瓷基复合材料螺栓在载荷1129N时萌生损伤。加载到失效载荷（1459N）时,损伤沿着螺纹槽扩展至整个螺纹槽。最后,损伤从螺纹槽扩展至螺杆中心导致螺杆断裂失效。螺栓的破坏位置在螺纹接触最上面的螺纹槽处,螺栓断裂的主要原因是材料的Z向拉伸破坏。     

不同金属硬物冲击航空发动机叶片损伤研究

为分析不同金属硬物对航空发动机风扇叶片造成的外物损伤特征差异,选取钢、铜、铝、铅四种材料弹珠作为外来物,以两种角度、多种速度冲击真实叶片进气边缘进行高速弹道冲击试验,并采用数值方法仿真动态损伤过程。结果表明:钢、铜珠冲击时,叶片损伤形貌可分为凹坑、撕裂和缺口,产生撕裂形貌时,小角度相比于大角度冲击需要更高的冲击速度,铜珠相比于钢珠冲击需要更高的速度;铝、铅珠因冲击时自身变形较大,对叶片只能造成挤压变形。仿真结果表明:在22 J冲击能量条件下,铜珠、钢珠造成叶片撕裂损伤的过程中存在两个显著的接触力峰值,且伴随着“动能回升”现象;铜珠动能较多地转化为叶片和自身的应变能,因而对叶片的侵彻能力不如钢珠;铝珠冲击力峰值最大,其动能转化为自身应变能的比例最高;铅珠冲击力峰值不明显,其动能大部分转化为摩擦耗散的热量。     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

基于临界面-损伤参量法的高压涡轮盘多轴疲劳寿命预测

基于临界面法对某高压涡轮（HPT）盘及GH4169合金试样进行多轴疲劳寿命预测,得出SWT（Smith-Watson-Topper）模型对单轴疲劳具有较好的预测效果而对多轴疲劳的预测效果较差,Fatemi-Socie （FS）模型也能较好地预测单轴加载下的疲劳寿命,但FS模型仅考虑最大剪应变幅平面上的正应力对疲劳损伤的影响,导致其多轴疲劳寿命预测偏保守。基于此,本文以最大剪应变幅为主要损伤控制参数,同时以最大剪应变幅平面上的正应力和正应变组成的修正参数作为多轴疲劳损伤的第二控制参数,提出了一个新的多轴疲劳临界面-损伤参量模型。结合GH4169合金及某高压涡轮盘试验验证。结果表明,对比SWT、FS和Wang-Brown （WB）模型,新模型的多轴疲劳寿命预测精度更高。     

HTPB黏弹性微裂纹偏折扩展损伤本构模型

为建立端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂的损伤本构模型,采用宏细观相结合的方法,将其细观损伤机理视为初始微裂纹偏折扩展的过程。首先,基于微裂纹稀疏估计理论,推导了Abdel-Tawab宏观本构方程中损伤映射张量的一般形式,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载,映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于能量释放率和最大周向应力准则,分析了三维币形裂纹偏折扩展的情形,进一步采用两步等效法,将偏折扩展后的裂纹等效为币形裂纹。最后,基于Schapery裂纹模型,推导了微裂纹稳定扩展的速率方程。数值结果表明,建立的模型能够有效地反映材料损伤的应变率、温度依赖性和各向异性特征。     

翼身融合民机典型PRSEUS受压壁板屈曲及渐进损伤分析

由NASA和波音公司共同提出的拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS）,由于具有优异的抗压稳定性和止损/止裂等承载优势,已成为解决翼身融合布局民机非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题的主要途径。本文针对典型PRSEUS受压壁板结构,开展了线性/非线性屈曲及渐进损伤分析;提出了综合考虑蒙皮、止裂带、长桁翻边、隔框翻边等一体化缝合元件贯穿支撑构型几何关系和偏置参考面的建模方法,提高了PRSEUS受压壁板有限元模型的精度;提出了综合考虑屈曲特征值、非线性屈曲载荷等多影响因素的网格收敛性分析方法,提高了PRSEUS受压壁板屈曲分析的计算效率;提出了最小屈曲特征值、几何节点偏移以及最小屈曲特征值-几何节点偏移组合式等3种初始缺陷引入方法,提高了PRSEUS受压壁板损伤分析的计算精度;完成了基于纤维与基体损伤本构关系的典型PRSEUS受压壁板非线性屈曲损伤分析,通过与试验结果对比,给出了针对PRSEUS结构的非线性屈曲渐进损伤演化分析方法。为翼身融合布局民机PRSEUS结构的稳定性/损伤分析和设计提供了方法和技术支撑。     

航空发动机限寿件概率失效风险评估的等效应力转化

提出一种从整个飞行循环出发并基于全局的限寿件等效应力转化方法,将转化后的等效应力作为概率失效风险评估的输入条件,从而获得更为精确的失效风险结果。首先通过流固耦合数值模拟获得限寿件在整个飞行循环的瞬态应力,然后基于雨流计数法及线性累计损伤理论编制转换程序,将限寿件模型全部节点上的瞬态应力转化为等效应力,最后作为概率失效风险分析流程的输入条件确定寿命期内的概率失效风险。相同飞行循环条件下,与基于局部最大应力的转化方法相比,全局等效应力转化方法获得的失效风险更低。该方法的提出,为我国民机型号概率失效风险评估时作为关键输入数据应力的确定给出了定量参考,有力支撑了适航取证。     

2219-T87/T852铝合金异质接头力学性能弱化及断裂机制

开展了航天贮箱用2219-T87和2219-T852铝合金变极性钨极氩弧焊接研究,通过拉伸试验确定了接头力学强度薄弱区,对接头焊缝晶粒特征、晶界偏析及强化相分布等微观组织分析,阐明接头力学性能弱化及断裂机制。结果表明,接头在-196℃低温条件下平均抗拉强度为314 MPa,平均延伸率为5.68%,接头力学强度薄弱区为2219-T852侧熔合区。在拉伸过程中,接头背部焊缝打底层边缘首先发生起裂,沿熔合区向上扩展,最终断口呈现混合断裂模式。微观组织分析表明,在接头力学强度薄弱区,组织为非均匀过渡混合晶粒特征,晶界偏析造成的沿晶共晶相呈粘连网状分布,基体强化相大量溶解与粗化,共同导致了接头强度和塑性的显著下降。