基于晶体塑性理论的疲劳裂纹起始数值模拟

在疲劳荷载作用早期,材料在晶体尺度出现裂纹的萌生,为了研究疲劳短裂纹的发展,利用Monte Carlo法建立了多晶体晶粒集合的Voronoi有限元模型,并在Ansys Usermat子程序接口下编写了晶体塑性本构方程子程序,修正了以拉伸硬化为主的疲劳裂纹起裂的计算机模拟方法,并结合TANAKA和MURA的位错偶极子模型,模拟了晶粒集合在疲劳荷载作用下的裂纹萌生,最后与文献实验数据对比,这一修正的方法更加符合实验结果和宏观现象.     

航空发动机液压管路裂纹故障分析

针对某航空发动机试验过程中液压管路发生的裂纹故障,通过对管路故障件进行断口分析、设计复查等工作,确定管路 裂纹产生的原因。结果表明：喷口油源泵出口压力及峰- 峰值的控制超出正常工作范围,引起该管路在刚性连接位置的弯曲振动, 在管路焊缝位置产生超限的循环应力,导致管路焊缝萌生裂纹并在较大振动应力和喷口油源泵出口脉动压力作用下发生裂纹故 障。通过更换喷口油源泵控制附件,使脉动油压恢复正常范围,管路动应力符合限制值要求,有效避免此类故障再次发生。     

基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限

为进行某轮损伤容限设计,开展了裂纹扩展断口分析和仿真分析研究。由断口分析可知:疲劳源为一处内部自然缺陷;依据疲劳辉纹确定了裂纹扩展速率;在裂纹长度为2 mm附近,裂纹扩展速率明显增大,为第一、第二加载阶段转换区域;裂纹稳定扩展区裂纹长度与裂纹扩展速率呈双对数线性关系;应用列表梯度法和Paris公式法反推了第二加载阶段的疲劳寿命,与该阶段实际循环次数的最大误差是163%。裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展仿真值与断口反推值吻合;非稳定扩展阶段仿真值与断口反推值的最大误差为-215%;基于以上研究,合理确定了某离心轮内部裂纹表面扩展停机检测周期。该类轮非稳定、失稳扩展阶段寿命占内部裂纹表面扩展阶段寿命的比例达248%~357%,因此准确计算具有重要意义。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

FGH96粉末涡轮盘结构模拟件疲劳小裂纹扩展试验

为了分析涡轮盘轮缘榫槽等几何不连续部位对疲劳裂纹萌生及小裂纹扩展行为的影响,基于FGH96粉末盘实际构型设计结构特征模拟件,并对其在高温条件下开展自然萌生疲劳小裂纹扩展试验,通过疲劳中断试验和表面复型技术对榫槽和螺栓孔结构模拟件在500℃下的裂纹萌生和小裂纹扩展行为进行了观测和分析。结果表明：2种结构模拟件缺口表面存在多裂纹萌生现象,随着应力水平的降低,裂纹萌生位置由表面晶界转变为近表面特定方向的晶面以及非金属夹杂物处;2种结构模拟件裂纹萌生寿命占比约为36%～73%,且随着应力水平的降低而提高,裂纹扩展至工程可检裂纹尺寸时的寿命占比约为82%～96%,应力水平对其影响相对较小;特征模拟件缺口附近高水平的塑性变形能够导致小裂纹扩展速率分段特征现象消失,并延缓裂纹扩展过程中的合并行为,延长裂纹扩展寿命。     

钢板内部缺陷失效分析

采用120 mm厚的45#钢轧制板材经粗加工后进行调质处理,热处理后超声探伤发现钢板厚度方向中部存在缺陷。通过失效分析认为,钢板内部的缺陷为沿变形方向分布的带状组织,部分带状组织中存在沿晶裂纹。形成带状组织及裂纹的机理是原材料钢锭浇铸过程中心部形成枝晶偏析,轧制过程中偏析区被拉长因而形成偏析条带,条带区因富含Mn、S、P等元素形成硬度较高的马氏体组织,调质热处理过程中在组织应力及热应力作用下马氏体条带组织区域发生沿晶脆性开裂。     

激光冲击强化对TC17钛合金模拟叶片疲劳极限的影响

通过振动疲劳试验探究了激光冲击强化(LSP)对带根部倒圆的TC17钛合金叶片一阶弯曲疲劳极限的影响,结合疲劳断口、组织观察和残余应力测试等方法分析了激光冲击强化提高叶片疲劳极限的强化机制。结果表明,激光冲击强化对TC17钛合金叶片的一阶弯曲振动频率无影响,但显著提高了叶片的疲劳极限(约8%)。冲击强化后叶片的金相组织无显著变化,但表层晶粒组织明显细化,并在距离材料表面50μm的深度范围内形成剧烈塑性变形区,材料表面产生了不小于466 MPa的残余压应力。晶粒细化和残余压应力是叶片疲劳极限提高的直接原因。     

钛合金结构损伤容限设计可行性研究

对飞机结构常用金属材料损伤容限特性进行了对比分析,针对TC4和TA15损伤容限特性较差的缺点,研制出两种超低间隙（ELI）钛合金TC4ELI和TA15ELI,并对其进行结构损伤容限设计可行性论证。进行了两种超低间隙钛合金和普通钛合金裂纹扩展寿命、剩余强度和疲劳全寿命对比实验。实验结果表明：具有片层组织的超低间隙钛合金相对于普通成分钛合金断裂韧性和裂纹扩展特性有明显改善,剩余强度和疲劳全寿命相当;应力水平相当时,超低间隙钛合金工程可检裂纹扩展寿命比航空结构中常用铝合金稍长。因此,对于超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI可以进行损伤容限设计。     

开孔Voronoi泡沫支柱形状变化对力学性能的影响

针对开孔泡沫材料提出了新的支柱形状控制方程,并在Voronoi随机泡沫模型基础上,研究了支柱形状变化对其各向同性弹性性能、非线性压缩和拉伸力学行为的影响;讨论了支柱细腰程度和模型随机度共同作用的影响效果,并比较了两种因素作用效果的大小.结果表明,支柱细腰程度的增大明显降低了泡沫材料的弹性模量和无量纲应力.同时,支柱细腰程度对泡沫力学性能的影响要大于模型随机度的影响,并随模型随机度的增加而增大.