声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

薄壁机匣螺栓连接结构多目标优化设计

为增大薄壁机匣安装边螺栓连接结构强度、减小其振动和重量,以满足现代航空发动机更高性能的要求,对机匣结构参数进行了优化设计。选取安装边高度、安装边厚度、机匣厚度和螺栓个数为参数变量,结构质量、一阶固有频率和最大等效应力为目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和有限元计算结果建立二阶响应面模型,基于层次分析获取权系数,并利用遗传算法对机匣结构进行多目标优化设计。最后,针对优化后的结构进行模态试验和有限元验证。研究表明,模态试验结果与有限元计算误差小于6%,同时优化显著提高了一阶固有频率,使其结构质量和最大等效应力分别降低5.28%和13.64%,验证了本文提出的优化方法的有效性和可行性。     

钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真分析

钛合金薄壁件铣削过程中,刀具角度对铣削过程中的工件变形、铣削力、铣削振动等影响显著。为减轻刀具磨损延长刀具寿命,通过ABAQUS软件建立钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削过程仿真模型,以铣削力和铣削温度为评价指标,采用单因素和正交法分析了刀具前角、后角及螺旋角对铣削力和铣削温度的影响规律,并对铣削力仿真结果进行试验验证。仿真结果表明:前角增大,铣削力减小,铣削温度呈波动趋势变化;后角增大,铣削力减小,铣削温度先减小后增大;螺旋角增大,最大轴向力增大,最大切向力缓慢减小,最大径向力基本不变,铣削温度先减小后增大。通过正交试验和极差分析,明确不同因素对指标影响程度的主次顺序和因素的最优水平组合。     

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题,开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比,表明两者结果存在一致性,进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上,针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算,获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析,总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图,清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化,并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律,并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

薄壁结构高温随机振动疲劳分析方法有效性验证

为了研究航空薄壁结构高温随机振动疲劳破坏机理,得到可靠的疲劳寿命分析方法,针对根部固支的GH188薄壁结构进行了数值仿真。重点研究了不同温度和不同振动量级组合下,薄壁结构危险点位置轴向动应力响应规律。采用改进的雨流计数法绘制出雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵,结合疲劳累积损伤理论估算薄壁结构的疲劳寿命。通过高温随机振动疲劳试验对上述仿真结果进行验证。结果表明:数值仿真对结构破坏位置判断准确,不同温度和随机振动载荷作用下响应的计算值与试验值获得很好的一致性,响应峰值频率误差在1%~3%,结构疲劳寿命与试验结果处于同一量级,证明了高温随机振动疲劳分析方法的有效性和精度以及仿真结果的可靠性。     

薄壁结构双侧异步激光喷丸强化试验研究

航空发动机压气机叶片是典型薄壁结构,通过激光喷丸强化在叶缘引入残余压应力,是提高其抗异物撞击能力,延长疲劳寿命的有效途径。为解决双侧同步强化方法存在的材料层裂损伤风险的问题,提出薄壁结构双侧异步激光喷丸强化方法。试验研究发现:单侧薄壁激光喷丸试验中,光斑功率密度的改变会使薄壁结构相对于激光入射方向呈现"∧"或"∨"两种扭曲变形趋势;另一面采用同样参数进行激光喷丸后,扭曲变形会恢复;合理采用激光喷丸参数,双侧异步激光喷丸强化与同步强化相似,可以在两侧表面均得到残余压应力场,并且扭曲变形能满足形状精度要求。     

TC1钛合金端盖零件热拉深成形工艺研究

针对TC1钛合金端盖零件的结构特点,分析了零件的成形难点,对热拉深工艺的模具材料、温度、压边间隙、拉深速度等对零件成形性能的影响进行了研究,提出了合理的工艺参数。结果表明,该工艺方法可实现薄壁、大拉深比的TC1钛合金零件的精确成形,采用空气脱模的方式可获得平面度满足设计要求的零件,为类似零件的取件提供了工艺参考。     

基于0-1整数规划的航空薄壁件定位布局优化

为了减少航空薄壁件的定位变形,提出了一种基于0-1整数规划的定位布局优化方法,并对适应自动钻铆的预装配工装的内型卡板布局进行了优化设计。该方法基于"N-2-1"定位原理,将布局优化问题转化为0-1整数规划问题;以对薄壁件定位系统参数化建模分析得到的薄壁件最大变形量最小为优化目标,建立定位布局递推优化模型;采用分步求解的策略,通过混合粒子群算法对薄壁件进行定位布局优化。     

钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在加工精度差、加工效率低等问题,提出了钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削的方法。首先,在铣削加工中引入高速超声振动切削理念,使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行超声频断续切削,可改善加工质量且突破了超声振动加工对临界速度的限制。然后,分析了该方法的分离原理,采用独立研制的超声椭圆振动铣削刀柄装置针对钛合金薄壁件进行了切削试验。试验结果显示,高速超声椭圆振动铣削相较于普通铣削,切削力降低20%~30%,且已加工表面让刀量降幅20%~30%,表面缺陷减少,表面粗糙度降低。      

蒙皮柔性夹持数控切边的工艺设计方法

针对可重构柔性工装配合五轴铣床实现蒙皮数控切边这一新技术,进行了工艺设计方法研究.首先介绍了数控可重构柔性工装的定位原理、结构原理以及基准传递协调原理.针对新技术应用中合理布局、精确定位和稳定夹持等3个问题,进行了工艺分析研究.突破了曲面零件装夹姿态定位算法、支撑立柱升程计算、自动化布局设计和装夹过程仿真等关键技术,开发了面向新装备新技术的工艺设计仿真系统.应用任意拉格朗日-欧拉法实现了蒙皮切边过程的有限元仿真,给出了仿真实例.选择某型号飞机镜面蒙皮零件,应用所提出的工艺设计方法进行了工艺试验,对试验结果进行了误差分析,结果表明加工精度满足制造要求.