惯性仪表精度漂移的材料问题与尺寸稳定性复合材料设计

陀螺、加速度计等惯性器件是高精度传感器,对零件的微小变形有着极其敏感的反应。因此,惯性器件材料的尺寸稳定性问题一直是提高精度的关键。作者长期研究发现,惯性仪表精度及其稳定性在结构设计确定的情况下与加工、装配有关,但是本质性的因素是材料在长期温度扰动下的“变形”“变性”“变质”问题。我国关于惯性器件材料尺寸稳定性的研究十分薄弱,材料与工艺技术已经成为制约仪表精度的“卡脖子”问题。本文重点介绍了材料“变形”即在温度扰动下微纳变形的研究结果。首先分析了惯性器件的服役环境以及该服役环境下的材料响应,从而提出复合材料尺寸稳定性设计的基本原理。通过材料设计,为解决低频谐振、复杂结构热应力变形、动载荷弹性变形、长期静载荷微纳米级变形、长期储存下材料时效自发变形等问题提供了有效的材料设计方案。设计制备的仪表级SiC/Al复合材料在核心关键指标上优于铍材,在“高新工程”、“北斗工程”等重大工程中显示出优异的技术效果。     

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。     

某大型飞机复合材料壁板工艺仿真及验证技术

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间罐内温度分布变化以及模具与复合材料构件之间的热不匹配、柔性模具的低热导率等因素导致制件内部不可避免的产生温度梯度以及残余应力,从而影响材料的使用性能。大尺寸曲面帽型壁板采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,针对复合材料构件热压罐成型过程中温度场分布和固化变形等问题,进行了仿真分析,通过对比制件温度场分布和固化变形仿真计算结果以及全尺寸零件的实际验证结果,验证了预测方法的正确性。分别利用成型工装和检测型架改进优化以及制造过程优化来控制构件固化变形,使其形状满足产品尺寸的精度要求,证明根据工艺仿真计算结果以及工艺过程改进,可以对大尺寸曲面帽型壁板在制造工艺过程中出现的变形回弹及残余应力水平进行预估和最大限度的减小,实现复合材料结构设计和制造的一体化,提高制件的成型质量。     

Composite materials for primary aircraft structures: from development phase to high volume production rate

From 1980’s decade, the introduction of carbon composite materials in structural applications has been consistently increased in the successive generations of civil aircraft from Single Aisle to Middle-long Range to achieve a culminant point with more than 50% in structure weight in recent commercial civil aircraft. This evolution, done through successive iterations, has been possible by combining in the same time the improvement of intrinsic composite material performances and its transformation into prepreg production technologies together with the development of new manufacturing process for material lay-up automation at composite shop-floor manufacturer of aircraft composite parts. New challenges are still coming to continuously develop materials and technologies in order to pursue the production more cost-effective composite parts. Associated to higher aircraft production rate for single aisle, new challenges may force material and aircraft designers and producers to furthermore drive new products and processes introduction and new ways of transformation within in next decade of composite aircraft designs. We propose to illustrate these trends using past and recent developments and our return of experience from Hexcel on Civil Aircraft programs.     

掠叶片进口流动的流线曲率通流模型

掠叶片作为一项设计技术,在当前轴流风扇/压气机的设计中已被广泛采用,对掠叶片的流动机理研究也被广泛而深入地开展。近年来,多项研究表明掠能够改变叶片的攻角,这种攻角的改变是由掠造成叶片进口的径向平衡发生变化、轴向速度重新分布而产生的。提出了一种用于S2流线曲率法的掠叶片的进口流动模型,不再假设叶片进口周向流动均匀,因而能够计入由于叶片掠而产生的进口径向平衡的变化。将此模型应用到亚声掠转子叶片的设计中,结果表明该模型能够比原始方法更准确地计算轴向速度和攻角,从而提高了设计精度,并定量地分析了叶片掠对进口流动压力平衡的作用机理。     

复合材料层合板多钉连接的紧固件连接柔度

复合材料层合板多钉连接结构中螺栓紧固件连接柔度随钉排数增加而变化。为了阐明多钉连接紧固件连接柔度与单钉连接紧固件连接柔度的差异并建立多钉连接紧固件连接柔度的计算方法,进行了ZT7H/5429复合材料层合板螺栓连接结构拉伸试验和紧固件连接柔度解析求解;研究了旁路载荷对紧固件连接柔度的影响规律并提出了旁路载荷伴随下紧固件连接柔度的计算公式;针对紧固件连接柔度取值与分析模型的相关性,构建了描述钉间层合板柔度偏差的模型适应函数并提出了面向分析模型的紧固件连接柔度修正公式;对1列5钉连接结构进行了钉载计算。结论表明：采用所建立的修正公式对紧固件连接柔度修正后,使得梁-壳有限元模型的钉钉载最大计算误差由16%减小至3%,钉载峰值的计算误差由11%减小至2%,实现了准确且快速的钉载计算,尤其适合大规模复合材料层合板结构钉群连接区的工程应用。     

叶型结冰计算及流场分析

叶型结冰会改变叶型原有的气动外形,影响气动特性。采用 FENSAP-ICE软件对 NACA0012翼型的 结冰进行数值计算,并与试验结果进行对比验证;对压气机进口导叶叶型进行二维结冰计算,并对数值计算结 果进行流场分析。结果表明:明冰对叶型的气动性能影响大于毛冰,叶型气动特性的衰退主要受分离区中上分 离涡的影响,叶型前缘上翘的明冰引起叶型尾部分离区域面积增大,强烈的分离涡导致结冰后叶型压力损失 增大。     

基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

基于MSC.Patran/Nastran的复合材料层合板稳定性优化

建立了基于MSC.Patran/Nastran的PCL二次开发优化系统。优化分两级,第一级采用直接搜索法和正交试验法相结合优化分层厚度;第二级利用遗传算法优化铺层顺序,最终获得最佳铺层。经算例验证,该方法原理简单,易于实现,具有很强的实用性和通用性。