航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

预测平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的三维纤维随机模型

提出了一种能够刻画平纹编织C/SiC复合材料编织结构的三维纤维随机模型,探讨了微观结构影响宏观等效导热系数的机理。采用蒙特卡罗法模拟纤维位置的随机分布,用有限元法计算等效导热系数,通过数理统计方法分析在不同纤维体积分数下等效导热系数的随机分布规律;并且比较了相同纤维体积分数下,纤维随机模型平均等效导热系数与纤维周期排列模型等效导热系数的差别。结果表明:在不同体积分数下,纤维位置随机等效导热系数都呈高斯分布;纤维随机模型中纤维会出现聚集现象,形成局部“导热热障”,所以纤维随机模型平均等效导热系数小于纤维周期排列模型,这种差异在中等纤维体积分数下最明显。      

基于三维通用单胞方法的平纹编织复合材料多尺度损伤模拟方法

为了解决编织复合材料多尺度损伤模拟的技术难题,发展了基于三维通用单胞模型(GMC)的多尺度损伤模拟方法。基于通用单胞方法基本理论,推导宏细观参量的转换公式,设计了宏细观损伤增量步迭代流程。以二维平纹编织陶瓷基复合材料为例,开展了结构单胞的细观损伤模拟,以及其平板试验件的多尺度损伤模拟,得到了细观损伤云图和宏观应力应变曲线。研究表明:该方法模拟的结构单胞细观损伤过程与文献描述的损伤机理相符,预测的平板试验件损伤过程的应力应变曲线与试验结果基本吻合,所预测强度值的相对误差小于5%。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

引入稀疏原子特征融合的滑动轴承摩擦故障状态监测

从信息融合理论出发,将特征的稀疏表达作为特征融合参数,提出一种结合K奇异值分解(KSVD）和最大相关最小冗余准则(mRMR）的轴承摩擦故障特征融合算法。该算法采用KSVD对信号稀疏化,将稀疏系数对应的字典原子作为特征融合的参数,用以表达非线性故障信息;针对字典原子集的优化选择问题,基于互信息的mRMR提出一种确定最优原子集的原子数目的准则;最后,通过最大化原则融合稀疏系数,提取故障状态监测的有效信息。轴承摩擦故障模拟实验的结果表明,所提方法能够更好地融合不同特征的故障信息,相比于单特征和其他融合特征方法,提高了约12%的故障识别率。      

套圈材料对自润滑关节轴承热力学性能的影响

为研究套圈材料对自润滑关节轴承性能的影响,建立了基于ABAQUS有限元软件的热力耦合模型。在特定工况下分析了2024铝合金与GCr15两种材料的关节轴承等效应力的大小、摩擦副的热传导过程以及接触应力与温度的分布规律。结果表明:铝合金套圈的等效应力均小于屈服强度,能满足使用要求,与GCr15轴承钢相比,该轴承衬垫受到的等效应力降低了35.4%,同时铝合金轴承的衬垫比GCr15轴承更快地达到热稳定状态;另外,铝合金轴承的摩擦面接触应力降低15.4%,套圈温度降低2 ℃,衬垫温度降低15.7 ℃,且应力与温度分布更均匀。综上所述,2024铝合金关节轴承在一定工况下比GCr15轴承磨损寿命更长具有更优异的性能。通过试验验证了GCr15轴承的温升过程与温度分布,与有限元结果具有很好的一致性。     

Z-pin植入密度对复合材料壁板力学性能影响的研究

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin的机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预报了Z-pin直径、面内分布密对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,得出了含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力—位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁模型,结合VCCT裂纹扩展技术,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,得出了Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能量释放率GIC越大,且直径越大使GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密使GIC波动的波长越小。     

基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析

三维机织复合材料具有复杂的细观结构,通过采用双凸透镜的几何形状来描述被压扁的纤维束横截面,引入细观结构和几何参数,建立了基于织物细观结构预测三维机织复合材料的纤维体积分数和弹性常数的方法。通过参数分析预测了结构和几何参数对三维复合材料弹性性能的影响。开发了一个具有友好界面的三维机织复合材料弹性性能的分析软件,为复合材料结构设计者选定适合的织物增强结构提供了有效的计算工具。理论计算结果与实验值的比较,表明了分析方法的正确性。     

Analytical Solution for Predicting In-plane Elastic Shear Properties of 2D Orthogonal PWF Composites

This paper proposes a new analytical solution to predict the shear modulus of a two-dimensional(2D) plain weave fabric(PWF) composite accounting for the interaction of orthogonal interlacing strands with coupled shear deformation modes including not only relative bending but also torsion,etc.The two orthogonal yarns in a micromechanical unit cell are idealized as curved beams with a path depicted by using sinusoidal shape functions.The internal forces and macroscopic deformations carried by the yarn families,together with macroscopic shear modulus of PWFs are derived by means of a strain energy approach founded on micromechanics.Three sets of experimental data pertinent to three kinds of 2D orthogonal PWF composites have been implemented to validate the new model.The calculations from the new model are also compared with those by using two models in the earlier literature.It is shown that the experimental results correlate well with predictions from the new model.     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩性能

对含孔平面编织混杂铺层复合材料层合板的压缩性能进行试验研究,考察铺层比例和铺层顺序对其压缩破坏和压缩强度的影响, 然后利用点应力判据和平均应力判据进行层合板剩余压缩强度的估算.结果表明0°铺层比例的增加,提高了层合板的剩余压缩强度;(±45) 编织铺层比例在20%～25%之间有助于提高层合板的剩余压缩强度;点应力判据和平均应力判据适用于这种混杂铺层层合板的剩余压缩强度的估算.