各向异性复合材料平板气膜冷却特性实验和数值研究

针对不同编织方式形成的复合材料平板气膜冷却开展了实验研究,利用红外热像仪测量了热侧壁面的温度场分布,分析了平板导热系数、吹风比、主流温度等参数对综合冷却效率的影响。在实验验证的基础上,进一步对单向增韧特点的复合材料进行数值模拟,分析了X、Y、Z三个方向导热系数对单孔气膜冷却壁面温度场分布和综合冷却效率的影响。结果表明:随着吹风比的升高,气膜综合冷却效率升高;随着主流温度的升高,气膜冷却效率降低;25D编织复合材料冷却效率最高,3D编织复合材料冷却效率最低。各向异性复合材料内部的温度梯度、传热量都与材料的导热系数特征有关,X方向和Z方向的导热系数增大,沿程综合冷却效率升高;而Y方向导热系数的增大对气膜冷却效率几乎没有影响。      

考虑应力集中和晶向的单晶叶片低周疲劳优化分析

为评估单晶涡轮叶片低周疲劳寿命,提出了适用于单晶涡轮叶片的剪应力范围修正系数法。对单晶涡轮叶片进行了低周疲劳分析。采用剪应力范围修正系数法,克服了最大剪应力范围方法预测值偏高且无法考虑应力集中效应的缺点,其预测的低周疲劳寿命偏安全。基于有限变形晶体滑移理论、剪应力范围修正系数法和ANSYS有限元软件,建立了适用于镍基单晶涡轮叶片的低周疲劳分析及优化设计平台。对涡轮叶片进行了三维晶体取向相关性分析,通过对297个不同晶体取向的计算分析,预测的低周疲劳寿命最小值和最大值分别为328周和3861周。因此,通过控制晶体取向,可以在不增加重量(或不改变叶片结构)的基础上有效延长叶片低周疲劳寿命。     

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。结果表明：YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织,XY截面由细小的等轴晶组成;0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa,各向异性较小,但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向;0°和90°CT试样K_IC分别为21.41 MPa·m^1/2和20.89 MPa·m^1/2,在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低,导致90°CT试样K_IC稍小;显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素,在近门槛区未熔合缺陷起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快;在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂,裂纹扩展阻抗较高,裂纹扩展速率较低。     

镍基单晶合金弹塑性本构模型

Hill模型用于面心立方单晶的弹塑性变形,在描述屈服特性的晶向相关性时精度不高。考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次项乘积构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据单晶合金的屈服特点提出了新的单晶合金屈服准则。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测,760℃时能很好地符合试验结果;与Hill屈服准则比较,预测精度显著提高。在此基础上,重新定义了适合新屈服准则的等效应力,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,采用等向硬化模型,建立了单晶合金的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力则退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力。      

不同热处理工艺对选区激光熔化TC4动载性能及各向异性的影响

选区激光熔化成形的TC4合金断裂韧性较差,低周疲劳性能较低,各向异性明显。采用循环退火(700～950℃)和固溶时效相结合的方法对TC4成形件进行热处理,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、低周疲劳试验机等手段研究热处理对SLM TC4成形件显微组织和力学性能的影响。研究表明,SLM TC4微观组织由马氏体α′和马氏体α″组成,断裂韧性值为36.4 MPa·m^0.5,断裂韧性各向异性达25.7%;热处理后部分板条α相分解,产生等轴α相和二次α相;经过700～950℃循环5次后固溶+550℃时效后SLM TC4的断裂韧性值为96.0 MPa·m^0.5,断裂韧性的各向异性为1.4%。通过比较热处理样件和锻件低周疲劳性能得出结论,当应变幅≥0.9%时,热处理件低周疲劳性能高于锻件;当应变幅≤1%时,920℃循环退火+550℃固溶时效的低周疲劳性能高于920℃循环退火。     

正交各向异性材料粘塑性统一本构模型

通过引入各向异性矩阵,将各向同性材料的ＷＡＬＫＥＲ粘塑性统一本构模型进行了修正,提出了一个正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型,给出了定向结晶材料和单晶材料各向异性矩阵的表达式。用所提出的统一本构模型预测了某单晶材料不同方向的迟滞回线、蠕变和松弛特性,同时与试验结果进行了比较。     

打印方向对SLM增材制造点阵结构力学性能的影响分析

为研究激光选区熔化（SLM）增材制造技术的制造方向对点阵结构力学性能的影响,基于不同的打印角度,制备了4组不同相对密度的Ti–6Al–4V面心立方（PC）点阵试样,并开展了力学性能数值仿真、试样微观形貌观测及单轴压缩试验。结果表明,不同打印方向引起的制造缺陷会造成点阵结构等效杨氏模量及失效模式的改变,低密度点阵结构呈现出无特定规律的“逐层坍塌”破坏,高密度点阵结构为整体“剪切”破坏;点阵结构支杆缺陷随打印方向与支杆夹角增大而增大,同时引起点阵结构等效杨式模量的各向异性,低密度点阵结构的制造缺陷对打印方向更敏感,在相对密度为0.1138时,不同打印方向的等效杨氏模量最大差异达14.6%;由于增材制造的内部缺陷,导致基于均质化理论的仿真结果相较试验值偏高。     

石棉填充丁腈橡胶绝热材料的各向异性研究

石棉填充橡胶绝热材料的力学、热物理性能的各向异性是纤维改性橡胶的基本特性。这种各向异性主要取决于炼胶过程中混炼工艺、石棉纤维的尺寸及其在胶料中的分布状况。实验表明,在石棉纤维方向上,硫化胶拉伸模量比其它主方向高3倍以上,模压收缩率降低到其它主方向的1/3～1/5;同时在取向方向上具有较低的应变能力和稍高的扯断强度。在各向异性测定的基础上,定性地讨论了石棉填充橡胶绝热材料的烧蚀性能与各向异性的相关性,讨论了各向异性对绝热材料和金属、玻璃钢界面早期破坏的影响。本研究有助于纤维增强橡胶性能的深入了解及这类材料的质量控制。     

DZ22高温合金复杂应力疲劳强度研究

一、疲劳强度计算方法的建立　　定向凝固镍基高温合金 DZ2 2是一种正交各向异性材料 ,对于各向异性材料 ,由于偏轴向拉剪和剪拉耦合的存在 ,形状改变与体积变化无法分开 ,仅考虑剪切应变能不足以说明各向异性材料的失效 ,还需要考虑体积改变能。据此认为 Tsia- Wu理论 [1 ] 较 Hill理论 [2 ] 更能有效地反应各向异性材料的失效 ,并根据 Tsai- Wu理论导出一个疲劳强度的计算方法。Tsai- Wu假设各向异性材料在应力空间中的破坏表面可表示为一个高阶张量多项式 ,并提出了以二阶张量多项式为破坏准则的计算方法 ,即Fijσiσj+ Fiσi =1 ( …     

单晶硅各向异性力学性能纳米压痕实验研究

应用纳米原位压痕仪对单晶硅(100),(110),(111)晶面进行纳米压痕实验,对材料的弹性模量和硬度进行考察。实验结果表明:单晶硅(111)晶面相对于其它两个晶面具有较小的弹性模量和硬度值。通过单晶硅不同晶面原子结构分析,认为晶面原子层的间距分布差异是各晶面弹性模量差异的主要原因。