先进舰载战斗机强度设计技术发展与实践

舰载战斗机是航空母舰上的主要武器,为满足舰面起飞、着舰和停放等要求,舰载机需围绕起落架系统、拦阻钩系统和翼面折叠系统等"特征结构"进行设计。先进舰载战斗机着舰冲击能量是陆基飞机的6倍以上、拦阻带来的水平载荷超过陆基飞机的15倍,因此特征结构的高载荷对强度设计提出了更高的要求。围绕舰载机"特征结构"及"特征载荷",开展了主要的设计工作,包括："特征载荷"计算,即起落架载荷、拦阻载荷和折叠载荷计算;"特征结构"的强度设计及试验验证,包括起落架系统、拦阻系统、翼面折叠系统的动力学仿真计算、静/疲强度分析、折叠翼面的非线性颤振分析以及综合试验验证;"特征载荷"对其他机体结构强度的影响分析,包括着舰载荷对起落架支撑结构强度的影响、拦阻载荷对后机身支撑结构强度的影响、拦阻着舰的全机动力学响应以及着舰载荷与拦阻载荷的共同作用对全机结构强度的影响;体现舰载机"特征结构"强度特点的试验验证方法等。上述研究成果已成功应用于先进舰载战斗机设计中。     

电子束焊接熔池流场数值模拟研究

基于电子束焊接"钉型"焊缝特征,建立了高斯面和旋转高斯衰减体复合热源模型,采用ANSYS FLOTRAN CFD有限元软件,对焊接熔池流场进行了数值模拟,研究了熔池内液态金属在温度场作用下涡漩流动过程,电子束、熔池、液态金属蒸汽之间相互作用关系,电子束匙孔效应、匙孔壁能量传递方式,熔深方向液态金属流动机理等;将316L不锈钢热物性参数输入复合热源模型,通过仿真计算,得到了316L不锈钢焊接工艺规范,即加速电压为60 kV,电子束流为30 mA,焊接速度为8 mm/s,采用该规范焊接的316L不锈钢试件焊缝拉伸强度为425 MPa,满足设计要求。通过对比数值模拟与实际焊接结果表明:模拟熔池形貌与实际焊缝形貌一致,数值计算结果与焊接试验结果相吻合,从而证明复合热源模型是正确和适用的。     

纺织结构复合材料的细观力学分析

纺织结构复合材料细观力学分析中的若干基本问题是单层几何特性的描述，单元体细观结构的模型、应力应变假设以及强度分析等。对前人在前三个问题上已进行的研究工作作出扼要的回顾，并介绍其当前的技术发展动态，针对这些研究工作中存在的不足之处和未来的发展，提出几点意见。     

织构及组织结构对超高强铝合金平面力学性能的影响

以自行制备的高合金含量的Al-Zn-Mg-Cu合金为试验材料,测试观察挤压带板及其制备的等温模锻件的织构类型及组分强度、组织结构、平面拉伸力学性能及各向异性指数,通过计算{111}112滑移系的施密特因子,采用单晶近似法分析平面拉伸力学性能各向异性与织构的关系,使用霍尔-佩奇定律分析了组织结构与平面拉伸力学性能各向异性的关系,结果表明:合金经剧烈变形后,以变形织构为主,变形织构会引起各向异性,导致合金45°方向强度偏低;挤压形成的纤维组织是引起挤压带板L向及LT向各向异性的主要原因。{110}112Brass织构强度增加,可以抵消纤维组织引起的L向及LT向的各向异性;LT向伸长率低及伸长率各向异性主要是由第二相粒子延晶界的链状分布引起,同时也与织构引起的晶粒强度变化有很大关系。     

某航空发动机轴承钢球失效分析

针对某航空发动机轴承钢球的表面剥落及裂纹故障,利用视频显微镜、扫描电镜等设备对故障钢球剥落表面进行宏、微观检查,明确了钢球表面剥落性质为滚动接触疲劳;通过裂纹断口分析、能谱分析及金相检查等手段,确定了钢球裂纹是在淬火过程中温度过高导致的淬火裂纹,同时钢球组织中存在带状碳化物,对淬火裂纹的产生有一定的促进作用。淬火裂纹在钢球工作过程中并未扩展,但引起钢球表面发生接触疲劳剥落。建议在钢球热处理过程中,严格控制热处理工艺参数,保证热处理温度和保温时间的稳定。     

冷冻温度对适航测试冰雹力学性能影响

为研究航空飞行器透明外壳测试标准(ASTM-F320-2010)中含棉冰雹及航空发动机吸雹测试中纯冰冰雹的力学性能,设计并制作冰雹模具。以自然冰雹冷冻温度为准,采用不同冷冻温度制取冰雹并在万能试验机中对冰雹进行压缩,得到了冰雹的准静态抗压强度数据及冷冻温度与冰雹力学性能间关系。结果表明,冷冻温度在-10~-30 ℃变化时,纯冰冰雹平均抗压强度略有提高,约为2 MPa,而含棉冰雹平均最大抗压强度在该温度区间内并没有表现出明显地温度相关性;冷冻温度下降至-40 ℃,两种冰雹的平均抗压强度都有上升,冷冻温度对纯冰冰雹影响更加剧烈,纯冰冰雹上升更加显著;提出可将-40 ℃制作地测试冰雹加入我国未来商用航空发动机及民用大飞机适航测试试验考虑范围。     

大规模应变监测值获取技术研究

针对全机静强度试验过程中获取应变监测值的问题,提出一种适用解决该问题的方法。全机静强度试验过程中,需要对一万个左右的应变片进行监控。在试验之前,需要提供试验工况下每个应变片的理论计算值作为监测值,筛选出重点关注部位,方便与试验值进行对比。由于应变片数量大,根据有限元结果,手工获取应变监测值效率低且易出错。从应变变换和应变插值的基本理论出发,详细介绍了快速获取应变监测值的方法,并基于HyperWorks有限元前后处理软件开发出一套应变监测值获取工具,实现了在单元面内和面外对应变进行插值,提高了应变监测值计算精度,克服了传统基于自然网格有限元模型方法带来的计算繁琐、效率低、局部计算精度不足的缺点,大大降低了应变监测值数据的准备难度。     

预变形对铝锂合金强度和韧性的影响

研究了时效前预变形对铝锂合金强度和韧性的影响,分析了时效前的预变形使冲压体件强度和塑性提高的原因。结果表明：铝锂合金2090与时效处理相匹配的最佳预变形量为5%～10%;而对于Mg/Cu=0.4的8090,其预变形量以6%～8%为佳;对于Mg/Cu=0.8的8090,其预变形量以2%～6%为佳。     

超声疲劳试验技术的应用

论述应用超声疲劳试验技术研究金属合金受高频(20000Hz)振动载荷下的疲劳寿命及裂纹扩展性能, 研究材料受超声疲劳循环载荷的机械损伤和断裂机理。该试验技术应用于疲劳断裂研究领域具有省时、省力、省钱和无噪音等突出优点, 并能很好地模拟航空发动机有关构件实际工作状态下的机械损伤模式。      

T300／5222叠层板的非弹性行为─—非线性蠕变

对Ｔ３００／５２２２复合材料叠层板在不同温度水平下以及非稳态的加－卸载作用下的材料行为进行了理论和实验研究。在Ｃｏｌｅｍａｎ－Ｎｏｌｌ的热力学本构框架之下进行讨论并提供了确定Ｔ３００／５２２２复合材料叠层板的非线性蠕变积分型本构方程的理论依据。利用实验数据确定了方程中的材料系数。此方程在预测不同载荷水平和方式作用下的材料行为时,与实验结果相符合。