热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l₁=0.1141、m₁=0.9873、n₁=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。     

温度冲击下变截面圆孔装药的热力耦合分析

为研究温度冲击载荷对某改性双基推进剂装药结构完整性的影响,基于热力耦合基本理论,开展了不同温度下改性双基推进剂力学松弛试验,得到了不同温度下松弛模量的6阶Prony级数及以293.15 K为参考温度的时温等效W.L.F(Williams-Landel-Ferry)方程。利用Ansys有限元软件对由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击条件下装药结构完整性进行分析,结果表明:装药的温度和应变在温度冲击前期变化较剧烈,至12 000 s时基本达到平衡,装药前端面两个拐角处在温度冲击前期发生破坏;为验证仿真计算结果,开展了由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击试验。在温度冲击过程中,药柱沿轴向和径向出现裂纹,起裂点为推进剂装药前端两个拐角。温度冲击试验结果验证了仿真计算的准确性,说明该计算过程可用于装药结构完整性分析。      

约束阻尼结构力学性能研究与参数优化

飞行过程中的气流扰动、机械振动使得飞机典型薄壁结构承受宽频振动,产生振动疲劳从而影响飞机结构的寿命和安全性,约束阻尼结构处理是一种经济有效的抑振手段。采用黏弹性阻尼材料和单向玻璃纤维复合材料制备两种约束阻尼结构,研究它们的阻尼和力学性能;利用有限元仿真手段对约束阻尼结构修补飞机典型悬臂梁结构的参数进行设计和分析,考察阻尼层厚度、约束层厚度以及补片尺寸对结构振动响应的影响,得到约束阻尼参数规律,并以参数优化后的约束结构为基础设计振动测试实验。结果表明：约束阻尼处理后的悬臂梁结构能有效地降低结构危险点的应变幅值;三层阻尼结构抑振效果优于双层约束阻尼,能够显著降低结构危险点在承受振动加载时的应力值,提高结构振动疲劳寿命。     

高锁螺栓孔进R区的对接结构疲劳试验研究

在民用飞机生产过程中,存在紧固件孔进入对接结构R 区但换新超差结构较为困难的情形,对该类问题在R 区加弧形垫后,由于应力集中系数的变化及非标准连接,结构的疲劳品质会受到影响。本文通过疲劳试验研究对接结构高锁螺栓孔进R 区（平行载荷方向）加弧形垫对结构细节疲劳额定值的影响;在试验件设计时通过有限元法分析部分参数对结构应力集中的影响,根据有限元分析结论进行三组疲劳试验以得到相应的细节疲劳额定值修正系数,对试验结果与工程算法结果进行比较。结果表明：高锁螺栓孔进R 区的超差程度优于高锁螺栓HST12AG6 的孔进R 区1.0 mm,对接结构细节疲劳额定值下降在10% 以内;试验对照组的试验件破坏形式与参照组完全吻合,细节疲劳额定值差异在合理的范围内。     

选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟

发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果,利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选,实现了微观组织建模。在此基础上,采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法,探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力,沉积方向与裂纹扩展方向平行时,材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率,晶粒尺寸越大,小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性,不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。      

民用飞机静定和超静定吊挂与机翼连接设计研究

随着科学技术的迅速发展,我国民机事业迎来了发展的黄金期。为研究常见大型民用翼吊飞机吊挂的特点,以某型民用飞机的动力装置和机翼布置为限制条件,研究两种构型对飞机吊挂和机翼的影响。通过研究发现,静定吊挂传力路径清晰且不因某一处破坏而发生传力路径改变;超静定吊挂传力为多路传力模式,在发生一处破损后,传力路径会发生变化,载荷重新分配。通过有限元计算界面内力发现,在吊挂与机翼界面,超静定吊挂内力水平相比静定吊挂界面内力较大,对机翼局部设计影响较大。通过对比两种构型连接方式的界面传力和内力分析,为我国大型民用翼吊飞机吊挂结构的设计和研发提供参考。     

金属加筋壁板蒙皮有效宽度分析方法

民用飞机机身、机翼的壁板、气密框以及翼梁结构为典型的壁板加筋结构,在承受压缩载荷时需考虑成由蒙皮与筋条组成的复合剖面共同承载,其通常为中长柱,工程分析时常取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度。取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度存在着一定的保守性,介绍了Von Karman迭代分析方法、有限元分析方法及常用的工程分析方法。在加筋壁板结构的轴压承载能力计算中,蒙皮有效宽度的确定是较为关键的设计因素,对飞机机身、机翼结构效率的提高和重量控制至关重要。随着加工能力的提升,虽然部分壁板结构由组合式逐渐过渡到了整体机加形式,但所述方法仍有一定的借鉴意义,对目前国内外常用的金属加筋壁板有效宽度的工程分析方法进行了研究,并结合有限元分析对工程分析方法进行了验证。     

钛合金零件钻削过程仿真与试验研究

钛合金被广泛用于航空工业中,譬如民用飞机吊挂滑轨等典型结构的制造。钛合金作为难加工材料,通常使用钻削的方法进行加工,不同的钻削参数对应不同的钻削温度和钻削力,而钻削温度和钻削力对加工精度影响较大。为使加工参数和加工精度得到很好地匹配,借助Deform 3D有限元仿真软件建立了钛合金热应力耦合有限元模型,通过软件仿真研究钛合金滑轨在加工过程中的钻削力以及钻削温度。首先,对钻头和钛合金试件进行网格划分。其次,建立材料本构模型和切屑分离标准,使用仿真软件得到加工过程的钻削力和钻削温度。最后,采用试验方法获取钻削温度和钻削力,与仿真结果进行对比。结果表明:仿真结果与试验较为吻合,仿真能输出有效的钻削力和钻削温度。     

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。