航空发动机叶片-机匣碰摩热-结构耦合仿真

针对转静子碰摩过程中的摩擦热效应现象,建立了叶片-机匣的碰摩热-结构耦合模型。采用热-结构耦合单元,对航空发动机叶片-机匣进行了碰摩热效应特性研究。考虑摩擦因数及旋转过程中的离心力作用,对瞬态-热结构耦合场进行了有限元分析,研究了结构在温度场作用下的热-结构耦合应力和温度分布。与纯机械载荷下的应力分布对比,发现了碰摩热效应在叶片与机匣上的扩散规律。研究结果表明,考虑摩擦热效应时由于热应力的作用,导致结构的总应力水平升高进而产生热变形,从而使故障进一步恶化。由此可见,碰摩热效应的影响在实际航空发动机振动分析中不能忽视。     

ANALYTICAL SOLUTION FOR ROTATIONAL RUBBING PLATE UNDER THERMAL SHOCK

提出了热冲击和碰摩故障共同作用下的旋转悬臂板系统动力特性解析解法. 基于变分原理,推导出考虑碰摩力沿宽度方向差异性的薄板系统运动微分方程,将该方程的解分解为热冲击悬臂板准静态解和碰摩薄板热冲击动力解. 通过计算旋转悬臂板的模态特性和温度分布函数,获得了碰摩叶片旋转悬臂板模型的热冲击振动解析解,讨论分析得出热冲击和碰摩故障对薄板振动的影响规律. 研究表明:碰摩振动表现为复杂的多频率耦合振动,高频振动较为显著;热冲击振动表现为简单的低频振动形式,强烈的热冲击导致碰摩薄板趋于低频振动. 碰摩引起的振动形式较热冲击故障更加复杂,更容易引起叶片的破坏. 增大的摩擦系数加剧了碰摩引起的振动,利用减小表面粗糙程度等方法降低摩擦系数,可以达到减小碰摩破坏程度的目的.     

旋转碰摩板热冲击振动的解析法研究

提出了热冲击和碰摩故障共同作用下的旋转悬臂板系统动力特性解析解法. 基于变分原理,推导出考虑碰摩力沿宽度方向差异性的薄板系统运动微分方程,将该方程的解分解为热冲击悬臂板准静态解和碰摩薄板热冲击动力解. 通过计算旋转悬臂板的模态特性和温度分布函数,获得了碰摩叶片旋转悬臂板模型的热冲击振动解析解,讨论分析得出热冲击和碰摩故障对薄板振动的影响规律. 研究表明:碰摩振动表现为复杂的多频率耦合振动,高频振动较为显著;热冲击振动表现为简单的低频振动形式,强烈的热冲击导致碰摩薄板趋于低频振动. 碰摩引起的振动形式较热冲击故障更加复杂,更容易引起叶片的破坏. 增大的摩擦系数加剧了碰摩引起的振动,利用减小表面粗糙程度等方法降低摩擦系数,可以达到减小碰摩破坏程度的目的.      

任意光滑梯度变化的功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性分析

假设功能梯度材料为理想弹塑性材料,其屈服强度和弹性模量均沿梁的高度方向按任意光滑函数连续变化,在小变形及平截面假定下,导出了功能梯度材料纯弯曲梁弹性极限弯矩及塑性极限弯矩的解析表达式,建立了弹塑性应力状态下截面弯矩和截面的弹、塑性应力分布之间的解析关系．研究表明,功能梯度材料梁存在多种可能的屈服模式,其最先屈服的点不一定位于截面应力最大处,而可能位于截面的其他任意位置;屈服强度及弹性模量的梯度变化对梁的弹塑性力学性能有很大影响．研究结果可为功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性问题研究提供一定的参考．     

自适应无网格热弹塑性接触模型研究

提出一种自适应无网格热弹塑性接触求解模型,求解接触问题的线性规划-增量初应力法与基于应变能梯度的自适应无网格法相结合,给出了模型计算理论和算法实现.通过圆柱体与弹塑性平面热弹塑性接触算例对模型进行验证.对是否考虑材料应变硬化,是否考虑摩擦力和热输入,是否考虑材料屈服强度温度相关等情况的两种算例进行了讨论.结果表明,该模型能有效地求解考虑不同情况下的热弹塑性接触问题,在较真实地模拟接触状况的同时,具有较高的计算精度和计算效率.     

核主泵主轴表面热疲劳分析与寿命评估

核主泵主轴一般工作在约300℃的温度环境中,但会频繁受到冷却水的瞬态冲击作用,由此产生的热应力容易导致主轴表面产生疲劳裂纹,有效预测核泵主轴的热疲劳寿命意义重大.本文分析了核泵主轴表面在热冲击过程中的瞬态温度场、热应力场等变化规律,用数值模拟方法研究了热冲击的冲击温度、冲击区域半径和表面吸附水膜厚度等参数对热应力和热疲劳寿命的影响,发现热冲击温度、冲击区域半径和表面水膜厚度各因素对冲击表面热应力和疲劳寿命的影响呈现一定规律性,疲劳裂纹将首先发生在材料表面,然后向内部扩展,到达一定深度后止裂.热冲击冷却水温度差对表面热应力和疲劳寿命影响最大,冲击区域尺寸影响最小,表面吸附水膜具有降低热应力提高疲劳寿命的防护作用.     

转子-机匣局部碰摩的分叉与混沌行为分析

研究了转子-机匣系统发生碰摩时的分叉与混沌行为,分析了转子机匣频率比与刚度比、偏心质量等参数对系统分叉与混沌特性的影响.当转子机匣系统发生碰摩时除了通过倍周期、阵发性和拟周期分叉进入混沌外,还发现了孪生叉形分叉现象,呈现出非常丰富的动力学行为.     

非线性转子-机匣系统的分岔行为研究

建立了一类非线性转子-机匣系统的碰摩模型.应用数值分析的方法对其进行研究,得到了不同参数变化下系统响应随转速变化的分岔图,分析了系统参数变化对分岔过程的影响,并作出了在相应参数状态和特定转速下的Poincare截面图,揭示系统参数变化对非线性碰摩转子-机匣系统分岔特性的影响.     

功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性分析

假设功能梯度材料为一理想弹塑性材料,其弹性模量和屈服强度沿梁高度方向按照幂函数变化,在小变形及平截面假设下研究功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性性能.根据Mises屈服准则导出了纯弯曲梁的弹性极限弯矩的解析表达式,建立了梁在弹塑性状态时截面弯矩与截面弹、塑性区分布之间的关系式,给出了梁进入塑性极限状态时中性轴的位置以及塑性极限弯矩的解析计算公式.数值算例的结果表明,功能梯度材料梁的弹塑性性能与均匀材料梁不同,其屈服不一定首先产生于截面最大应力点,而可能有多种不同的屈服模态及相应的塑性扩展.弹性模量及屈服强度的梯度变化对功能梯度材料纯弯曲梁的中性轴位置、截面弹塑性应力分布以及塑性极限弯矩均有较大影响.研究结果可为功能梯度材料梁的弹塑性分析提供一定的参考.     

Mo-ZrC梯度金属陶瓷的冲击响应行为

分层梯度材料特定的梯度变化能有效增强材料性能。为研究梯度结构、冲击方向对分层梯度材料冲击响应的影响,利用分离式霍普金森压杆结合高速摄影技术对Mo-ZrC分层梯度金属陶瓷进行了动态压缩实验,基于数字图像相关技术讨论了梯度结构、冲击方向对金属陶瓷材料破坏模式的影响,利用Mori-Tanaka理论计算得到金属陶瓷等效性质,结合应力波理论研究波在分层梯度复合材料中的传播规律。结果表明：(1)相同加载条件下,梯度结构对材料的强度、韧性和破坏产物的完整性具有重要影响,在冲击过程中,样品响应可以分为压紧阶段、裂纹成核发展阶段和贯穿阶段,对于不同梯度结构和冲击方向,样品在加载过程中呈现出不同的破坏时序和失效模式;(2)利用数字图像相关方法跟踪分层梯度陶瓷的局部变形发展,分析发现局部增量达到临界状态后,局部变形发展转化为微裂纹的形成和累积,最终导致整体性破碎失效;(3)通过分层梯度材料一维应力波传播理论推导得到,改变冲击梯度方向对应力波透反射系数存在一定影响,不同梯度结构设计对改变冲击梯度方向敏感性不同,且存在极值情况。     

梯度多孔材料单轴压缩弹塑性变形的宏微观数值分析

针对闭孔的密度梯度多孔材料,建立含球形孔洞的三维数值分析模型,研究其单轴压缩力学行为。首先,研究密度梯度对多孔材料宏观力学行为(如弹性模量和屈服强度)的影响;其次,研究密度梯度与材料局部力学性能的关系,得到了沿梯度方向弹性模量和屈服强度的分布规律;最后,讨论梯度多孔材料单轴压缩变形局部化机制。结果表明:当梯度材料与均质材料的总体相对密度相同时,梯度材料的宏观弹性模量和屈服强度均低于均质材料水平,其宏观应力-应变关系曲线降低;梯度多孔材料沿梯度方向的力学性能发生急剧变化,等效弹性模量沿梯度方向呈线性分布,屈服强度呈非线性曲线分布,导致沿梯度方向应力、应变呈现高度的不均匀性;多孔材料的变形局部化产生于孔隙率较大的薄弱位置,再逐渐向孔隙率较小的位置发展。由此可知,孔隙率的梯度变化影响多孔材料的力学性能,通过改变孔隙率的分布可实现材料预期的力学性质。     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用，使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外，进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大；下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大；分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

热冲击作用下非均质圆筒的广义热弹性分析

基于L-S广义热弹性理论,研究了非均质圆筒在热冲击作用下的广义热弹性问题。利用状态空间技术和有限差分格式,获得了材料性质沿径向任意梯度变化圆筒的一维广义热弹性解。通过算例分析,给出了延迟效应和耦合效应以及材料的梯度形式对圆筒内的温度和应力沿径向分布和随时间变化的影响。分析表明:延迟效应可反映热波以有限速度传播,波前形成巨大的温度梯度,并与弹性波相互作用引起尖峰应力;耦合效应在最初阶段或耦合系数较小时对温度传播影响较小,但会削弱尖峰应力的峰值;改变材料梯度可有效降低热冲击对圆筒内应力的影响。     

异步进动转子与限位器碰摩试验

利用限位器来限制储能飞轮实验转子的大幅度低频异步进动,设计了转子与限位器碰摩试验装置,研究转子的碰摩振动。分析了转子内表面碰摩力对转子运动的影响。转子与内置式限位器发生稳定的局部碰摩时,转子低频进动幅值不再增加,转子自转速度保持不变。碰摩转子的强迫振动在时域及频域都表现出了复杂性,碰摩冲击作为宽频激励,能够激励出转子-支承系统的第二模态正向进动。     

QFP结构中引脚焊缝界面端的奇异性热应力问题研究

由于引脚、印制电路板和焊接剂的热-机材料属性不同,在受到热载荷或机械载荷时,引脚焊接界面端会产生奇异性应力,有可能产生界面开裂.为了基于界面端奇异场来评价QFP结构引脚界面端力学行为,本文拟采用数值方法求解引脚焊缝任意角度尖劈界面端的应力强度系数.具体步骤为:首先,基于高次内插有限元特征分析法确定两相任意角度尖劈界面端的奇异性指数和应力角分布函数,并引入常数热应力项,获得热-机耦合奇异性应力场表达式;采用有限元分析技术和最小二乘拟合法来获得应力强度系数的数值解.文中考察了热-机材料属性对热载荷下焊接剂/印制电路板界面端应力强度系数的影响,并给出改善界面端热应力状态的建议.     

SiC/A1梯度功能材料在机械载荷及热载下的应变测试

梯度功能材料是基于一种全新的材料设计概念而开发的新型功能材料。陶瓷-金属FGM的主要结构特点是各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,材料在升温和降温过程中宏观梯度层间产生热应力,每一梯度层中细观增强相和基体的热物性失配将产生单层热应力,从而导致材料整体的破坏。采用云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/A1梯度功能材料分别在机载、热载及两者共同作用下进行了应变测试,分别得到了这三种情况下每梯度层同一位置的纵向应变,横向应变和剪应变值。     

考虑非傅里叶微尺度效应涂层基体复合结构热冲击强度研究

针对在涂层热冲击研究中忽略非傅里叶传热微尺度效应的问题,本文引入一维平板涂层基体复合结构物理模型,建立涂层双曲线型传热、基体抛物线型传热的数学模型Ⅰ,并根据交界面处的传热行为建立合理边界条件.在此基础上,构建了涂层、基体的热弹性力学模型.采用隐式差分法对模型离散化处理,得到温度场的数值解,进而求得应力场,并给出了具体算例.同时,建立涂层和基体均为抛物线型传热的数学模型Ⅱ作为对比研究.结果表明：当初始条件和热扰动均相同,并考虑非傅里叶传热的微尺度效应时,在涂层内,模型Ⅰ热应力表现出变化的延迟性、分布的局域性以及波动性,任意位置热应力都不是从0开始变化,而模型Ⅱ不存在波动性,任意位置热应力从0开始变化.模型Ⅰ热应力产生后,率先达峰且峰值大于模型Ⅱ.在基体内,模型Ⅰ热应力大于模型Ⅱ,且变化梯度较大.在交界面处,模型Ⅰ产生“反射效应”,此处应力值以及应力骤降值均大于模型Ⅱ.对比表明,模型Ⅰ受到的热冲击更加复杂剧烈.该研究为极端热传导环境下确保涂层可靠性提供了有益参考.     

不同厚度及冲击角度对复合材料平板抗冲击能力的影响

为了考核叶片飞脱碎片撞击机匣的抗包容能力,采取钛合金方块作为弹体撞击复合材料平板机匣进行等效模拟。通过获取弹体不同冲击角度撞击不同厚度平板时的抗冲击临界速度,得到复合材料机匣在不同工况下的抗冲击能力极限。基于试验所获得的物理参数,进一步分析了抗冲击临界速度、应变响应、位移响应等关键物理量随平板厚度及撞击角度变化的规律。结果表明,复材平板抗冲击能力对厚度较为敏感,但呈非线性变化趋势;复材表面压应力会抑制表面裂纹的扩展,且厚度越大,这种效应越明显;机织复合材料结构抗冲击能力和裂纹扩展速度与其内部经纬纱编织角度有密切关系,且呈非单调关系。本文提出的等效考核机匣结构抗包容能力的试验方法和获得的试验数据可为真实机匣包容性试验的顺利完成提供支撑,降低适航试验取证的风险。     

压电涂层-功能梯度压电界面层-基底结构的二维接触问题研究

在多层压电元件中,由于界面处材料成分和性质的突变,常常导致界面处应力集中,使得界面处出现开裂或蠕变现象,从而大大缩短了压电元件的使用寿命。功能梯度压电材料作为界面层,可有效的缓解界面材料不匹配导致的破坏。本文主要研究利用功能梯度压电材料界面层连接压电涂层和基底,分析三层结构在圆柱型压头作用下的力电响应。利用傅里叶积分变换技术,本文将压电涂层-功能梯度压电层-基底结构在刚性圆柱压头作用下的二维平面应变接触问题转化为带有柯西核的奇异积分方程。运用高斯-切比雪夫积分公式,将奇异积分方程转化为线性方程组并对其进行数值求解,得到压电涂层-功能梯度压电层-基底结构在圆柱形压头作用下的应力分布和电位移分布。数值结果表明,梯度压电材料参数的变化对结构中的力电响应具有重要的影响。本文研究结果对于利用功能梯度压电界面层消除界面处的应力不连续导致的界面破坏具有重要的理论指导意义,研究结果可为功能梯度压电材料界面层的设计提供帮助。     

THERMAL SHOCK PROTECTION BASED ON MICROTUBE AND MICROPOST ARRAY SURFACE

针对核电站核泵主轴、管道系统等高温环境下工作的部件受冷却水热冲击而容易出现裂纹的问题,提出通过表面微结构设计,利用水低热扩散率的特性,在被热冲击表面产生隔热水膜,从而降低瞬态热冲击过程中表层结构的热应力,防止结构热疲劳损伤. 针对这一设想,采用有限元与无限元相结合的办法,解决热应力分析的多尺度问题. 利用COMSOL多场耦合分析软件,对瞬态热冲击条件下,表面微结构的温度场与热应力分布进行分析,研究了冲击时间、微结构几何参数和流体黏性底层厚度等对微结构表面热冲击防护能力的影响. 研究发现,表面微柱或微管结构对降低短时间冷水冲击产生的表面热应力具有显著效果,同时在微结构与基底之间存在最优过渡曲面使表面热应力最小化.