纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术

本文围绕连续纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术,从失效机理与力学特性、失效分析模型和模型的校验与验证三个方面阐述相关研究进展,并指出未来的发展方向,其中重点关注了试样级和元件级典型结构的失效机理及其对应的介观尺度失效分析模型的研究。     

某型号喷管内壁成形缺陷分析及工艺改进

某型号喷管内壁为曲母线回转体零件,采用锥形坯料液压成形的工艺方法加工。成形后零件存在大端周圈起皱及小端喉部下方周向环状突起的缺陷,严重影响产品质量。为提高零件型面及尺寸精度,应用PAM-STAMP钣金数值模拟软件对零件的成形过程进行仿真,观察零件成形过程中坯料在模具型腔内的变形过程,并获得了坯料变形过程中的应力应变分布状况。同时,结合材料塑性成形理论分析,找到了该零件成形缺陷产生的原因,即模具型面及间隙设计不合理。进而,根据分析得出的零件变形规律及应力应变分布状况对模具型面进行设计改进,生产出了满足设计图纸要求的零件。数值模拟得到的零件壁厚及型面间隙与实际零件一致。可见,准确掌握零件变形规律,合理设计模具型面及间隙,消除了零件成形缺陷。     

插入式机翼下壁板对接附加弯矩研究

插入式机翼下壁板对接具有双剪传力稳定、疲劳性能好的优点，但其结构中心线在对接区变化明显，会带来附加弯矩。为尽量减小对接区的附加弯矩，提出了在建立飞机骨架模型时即优化中央翼下翼面外形面相对外翼下翼面的位置方法。基于插入式机翼下壁板对接结构的特点，阐述了对接结构偏心的来源和附加弯矩的形成；针对某A型飞机的对接结构计算了偏心值，并利用力法对附加弯矩在对接区的分布进行了计算分析。以某A型飞机的对接结构为基础，建立了4组插入式下壁板对接结构的模型，每组模型的中央翼下翼面位置相对外翼的不同；分别用力法和有限元法对附加弯矩进行了计算。结果表明：可以通过优化中央翼下翼面外形面的相对位置达到减小对接区附加弯矩的目的。描述了另外两种下壁板对接形式的附加弯矩情况，并和插入式的进行了简单比较。最后，总结了为减小区域附加弯矩及其不利影响在对接结构设计上需要注意的点。     

基于混合有限元解析法的永磁同步电机永磁体电涡流损耗估计

永磁同步电机永磁体受限于热约束,无法在温度较高的环境下运行,故需减少永磁体上的电涡流损耗,从而降低永磁体上的温度。针对使用有限元法对永磁体电涡流损耗估算时间较长,以及使用解析法估算时难以达到与有限元法相同的精度,采用混合有限元解析法估算永磁体上的电涡流损耗。结合电涡流的反作用,在模拟电机旋转时,无需重复划分三角形区域；使用MATLAB软件仿真模拟,将混合有限元解析法与Galerkin有限元法对比,减少三角形区域划分的个数。由此验证了永磁体上电涡流损耗符合端部效应以及集肤效应的特征,在保证精度的同时,减少了仿真的时间。     

超声速气流中复杂冷却结构的传热分析方法

针对应用于高超声速吸气式发动机中的复杂再生冷却结构,为了更好地对其进行传热性能评估,在充分借鉴液体火箭发动机传热分析方法的基础上,集成多种成熟高效的技术,建立了一种解耦的传热分析方法。该方法首先借助计算流体力学技术确定结构件工作的热环境,提取必要的参数后依据半经验关系式确定气侧的换热边界条件;然后,通过将冷却流动假设成一维流动,根据换热准则确定液侧的换热边界;最后,对冷却结构进行有限单元离散,计算传热过程,获得温度场特征。该方法将换热与导热过程解耦,降低了研究问题的复杂性,适用于复杂构型的热防护设计。通过后掠尖缘再生冷却支板的热防护试验,证实了传热分析方法的可靠性,且显示算法对本例的预测误差约在8%左右。     

某飞行器推力矢量试验测力装置研制

为满足某飞行器推力矢量试验的测试要求,采用两台六分量应变天平和一个空气桥组成测力装置来实现飞机全机气动力和喷管推进特性同时分别测量。基于有限元软件,对天平的应变及空气桥对天平的干扰进行了分析。结果表明:空气桥对天平力分量的干扰值优于5%,对力矩(滚转力矩除外)分量的干扰值优于15%,达到了设计指标。通过校准获得了单独天平、天平带空气桥(充压、不充压)状态下的校准公式,校准结果表明:两台天平各分量的综合加载误差均优于0.3%,天平带空气桥(充压、不充压)状态下各分量的综合加载误差优于0.5%,空气桥对天平的干扰量值与有限元分析结果一致。理论分析与实测结果证明:研制的天平及空气桥达到了预定目标,它的测量精准度高,满足推力矢量风洞试验需求。     

高温铝合金电磁超声检测回波特性及因素分析

针对高温铝合金在线检测条件下，温度对铝合金电磁超声检测回波特性的影响规律尚不明确、高温检测时缺陷定量/定位补偿困难这一难题，以螺旋线圈电磁超声换能器（EMAT）为例，建立了高温铝合金EMAT检测过程的场路耦合有限元模型；研究了温度对EMAT激励/接收换能效率、EMAT激励/接收电路的功率分配特性、超声传播过程中的扩散/介质衰减特性、回波幅值和超声声速等因素的影响规律；研制了耐高温EMAT探头，对20~500℃高温铝合金试样进行了检测实验，并测定了高温铝合金的超声介质衰减系数和超声声速。在仿真和实验相结合的基础上，分析了高温检测时超声回波幅值变化特性及其影响因素。结果表明：对于铝合金这类非铁磁性金属材料，导致高温时超声回波幅值下降的主要原因是超声介质衰减系数随着温度的升高而增大，其次为高温时EMAT激励/接收电路的功率分配特性的改变。在激励EMAT在试样表面形成的洛伦兹力不变的条件下，其所激励的超声波回波幅值具有随着温度的增加而增加的特点，可以有效减缓超声回波幅值下降的趋势。     

含多部位损伤搭接结构应力强度因子三维有限元分析

应力强度因子(Stress intensity factor,SIF)分析是含多部位损伤(Multiple site damage,MSD)结构剩余强度和裂纹扩展寿命预测的基础和关键。考虑接触与摩擦,建立了含MSD搭接结构的三维有限元模型,研究了不同裂纹长度、铆钉类型以及损伤模式下裂纹尖端SIF分布情况和变化规律。结果表明,搭接件孔边裂纹Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计。由于次弯曲、铆钉变形和板厚度等因素,SIF在外表面最小,接触面一侧较大,最大值多位于蒙皮内部。MSD会使裂纹间的干涉作用增强,SIF增大,且裂纹间距离越近干涉作用越强。裂纹长度相同时,埋头铆钉的孔边裂纹SIF积分均值大于平头铆钉,且接触面的SIF埋头铆钉大于平头铆钉,外表面则相反。