航空结构动力学研究的进展与展望

飞机服役过程中,会经历地面滑行、空中机动等复杂的动态过程,飞机结构与系统在这些动态过程中将经受各类动态载荷的单独或联合作用,由此产生的结构动力学问题与飞机的服役安全和乘员的乘坐品质等直接相关,是航空工程中的关键技术难题。本研究梳理了军用飞机结构完整性大纲和结构强度规范,以及运输类飞机适航规章中的结构动力学相关要求,给出了结构动力学在航空装备研制流程中的相互关系,并从载荷、结构、响应和控制的角度,对航空结构动力学研究的主要问题进行了分类。从振动疲劳寿命预计与舒适性评估、振动主被动控制、复杂与极端环境结构动力学等几个重点方面,对航空结构动力学研究现状进行了综述,并结合未来航空装备研制的需求和振动新兴前沿技术的发展方向,对航空结构动力学的未来发展方向进行了展望。     

核环境下的摩擦、磨损与润滑

理解核环境下材料的摩擦、磨损与润滑问题对建设商用第三代核反应堆、发展新型四代堆以及验证未来先进聚变核能系统至关重要. 服役于核岛尤其是核反应堆一回路的机械部件及材料，不仅承受运动过程中循环应力及摩擦磨损，而且还要面对高温、腐蚀和辐射等极端环境，本文中针对反应堆中核环境下结构材料摩擦磨损问题，以及核环境下润滑材料特殊需求，总结了本领域研究进展及面临的挑战，并对推进及解决核环境下材料的摩擦、磨损与润滑研究提出了展望.      

腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术的试验验证

一般环境下飞机结构疲劳寿命评定技术已相对成熟,而建立在模拟试验基础上的腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定技术目前尚不完善.本文通过退役飞机全尺寸结构疲劳试验结果与对应的关键部位腐蚀条件下疲劳寿命评定结果的对比分析方法,验证腐蚀条件下飞机结构疲劳寿命评定方法,同时提出了用已服役多年飞机全尺寸结构疲劳试验结果修正地面停放腐蚀修正系数曲线及加速环境谱当量加速关系的方法.     

核反应堆中锆合金包壳及其表面涂层的微动磨损行为研究进展

包壳的微动磨损是世界压水堆燃料失效的主要原因,因此理解核反应堆中燃料包壳微动磨损行为对核反应堆安全运行至关重要. 服役于核裂变堆一回路的锆合金包壳,不但承受着堆内高温高压冷却剂的冲刷,还面临腐蚀、强中子辐照的苛刻环境. 本文作者从机械因素、水工条件、辐照和腐蚀几个方面总结了反应堆中服役环境对包壳微动摩擦行为的影响,并阐述了事故容错燃料(ATF)包壳涂层的研究进展及其对格-棒间微动磨损的影响. 最后对核反应堆包壳的微动磨损、腐蚀磨损未来的研究方向进行了展望.      

综述：聚合收缩与收缩应力测试方法研究进展

光聚合是材料固化和加工的一种常见方式，其凭借反应迅速、时间空间可控、经济环保等优点，在工业生产领域有着广泛的应用。然而，在实际使用中，材料的本征聚合收缩受到周围刚性基质的约束，在材料内部以及材料与基质交界面处会产生不利的聚合收缩应力，从而严重影响材料的使用寿命。因此，如何准确测量材料的本征聚合收缩及受约束下的收缩应力，实现对聚合收缩应力的主动控制，是提高光聚合材料服役质量和寿命的关键所在。本文首先介绍了材料聚合收缩与收缩应力产生和发展的机理；然后详细综述了国内外聚合收缩与收缩应力的测量方法，并重点介绍了集悬臂梁、近红外光谱和热电偶于一体的光聚合动态多参量耦合测试平台，利用该平台可以实现对聚合收缩、收缩应力和温度的简便一体化测量；最后对改善聚合收缩与收缩应力的测试方法进行展望，以便为相关的理论研究和实验设计提供参考。     

用三维光弹性和应变片电测技术分析大型飞机主起落架的应力

主起落架是大型飞机重要的部件，其结构和载荷都十分复杂。为对主起落架进行详细的应力分析，本文不但提出一种整体制作主起落架三维光弹性模型的方法；而且将应变片电测技术应用于光弹性模型上，成功地为主起落架关键部件——活塞杆进行了方案的优化，并使其最大应力下降了４０％；同时提出一种载波计算机自动测量边界应力的方法。以上说明，对主起落架等复杂而重要的结构，实验应力分析方法是一种优化设计的有效工具。     

服役环境下腐蚀坑等效为表面裂纹的有效性分析

对取自退役飞机机翼蒙皮的光滑试件进行了等幅疲劳试验,通过疲劳断口分析得到了服役环境下飞机主体材料LY12CZ 铝合金蚀坑的拓扑特征.基于飞机结构的实际腐蚀尺寸,将蚀坑的宽度和深度作为等效裂纹的长轴和短轴,并应用 Stress Check 软件对蚀坑等效为裂纹的可行性进行了有限元分析.结果表明:实际蚀坑与等效裂纹对结构应力分布的影响十分相似;应力强度因子在蚀坑等效前后数值大小和变化趋势不大.在分析蚀坑对典型试件疲劳寿命影响时将蚀坑等效成半椭圆形裂纹,选取 Walker 公式作为扩展速率模型,并与试验值进行了对比.结果表明:预测值与试验值比较吻合,最大误差为9.23%,满足工程需求.     

基于STAMP模型的掺氢输送放空系统风险分析

随着掺氢运输迅猛发展，原有的放空系统又产生了新的安全隐患和风险因素。为了保障掺氢管道放空作业时设备和人员的安全，本文基于事故分析模型，通过分析掺氢管道的放空流程，确定放空系统失效事故的安全约束条件，建立放空作业控制与反馈模型，识别控制模型中潜在的不安全控制行为，确定不同的不安全控制行为产生的风险及对应的安全约束，对掺氢管道的风险性进行分析研究，提高掺氢管道放空作业的安全性。     

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠。透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高。目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600?C,未来还将向1700?C及以上发展。这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层（TBC）技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用。本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,涉及理论、实验和数值分析几个方面。主要内容包括：TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物（TGO）及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物（CMAS）渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等。     

民机机身结构耐撞性研究的进展与挑战

应急着陆场景下的民机耐撞性与乘员安全直接相关，是民机安全性的重要体现，其中机身结构耐撞性是民机结构强度领域内的研究热点。机身结构耐撞性是复杂的非线性冲击动力学问题，涉及到结构的大变形、断裂失效与动态接触等。运输类飞机适航标准对机身结构耐撞性做出了明确规定，要求通过合理的设计，避免乘员承受过于严酷的冲击载荷，维持客舱内大质量体的有效约束，保持乘员的可生存空间以及维持乘员应急撤离通道的可用等，相关的设计需要通过实验方法或经验证的分析方法进行评估。本文对民机机身结构耐撞性研究中的几个关键问题，如紧固件和机械连接结构的冲击动力学行为，高效吸能元件与吸能结构设计方法，机身结构耐撞性评估的实验与数值方法等近年来的研究情况进行了分析，总结了主要研究进展，并分析了当前研究面临的主要挑战。     

关于极端力学

随着前沿科学和新技术不断发展,工程材料与结构的超常规尺度、密度、硬度、刚度等性能以及在超常规温度、速度、场强和恶劣天气等极端服役环境中的力学响应规律,需要力学提供更为有效的理论和方法. 本报告从极端力学的基本定义和科学内涵出发,结合重大工程问题和大科学问题,从极端性能、极端载荷、学科发展等三个方面系统介绍了极端力学的研究现状,并总结了极端力学的特点及其对力学理论、计算方法和实验技术的挑战,最后对极端力学未来的发展进行了展望.      

不同应力三维度条件下孔洞的演变及修正的Gurson模型

本文对含不同形状孔洞的幂硬化材料的圆柱体胞模型，运用控制宏观应力三维工的方法进行了有限元分析。计算结果表明：１．孔洞初始形状，应力三维度对孔洞的长大有重要影响；２．Ｇｕｓｏｎ模型对孔洞长大规律的描述是不准确的，不准确度与孔洞初始形状，应力三维度有关，修正后的Ｇｕｒｓｏｎ模型与有限元结果吻合较好；３．在低应力三维度区，孔洞以及形状改变为主，在高应力三维度区，孔洞以扩张为主；     

极低湍流度下翼型近场尾流雷诺切应力的分布

简述了在西北工业大学低湍流度风洞中，用热线风速仪测量翼型边界层及近场尾流中速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况；文中着重分析了极低湍流度下（０．０２％）试验所得近场尾流中雷诺切应力的分布规律。结果表明，在尾流宽度方向及流动方向均有明显的规律性，且与常规风洞湍流度下结果相比，其有关特征值明显偏低。     

基于表面图像分析推演钢绞线腐蚀疲劳损伤行为

外护套破损的在役拉吊索结构，索内镀锌钢丝或钢绞线直接暴露于自然环境中，特别是酸雨的服役环境下，镀锌钢丝或钢绞线腐蚀非常严重，造成重大安全隐患。通过酸雨环境下拉吊索钢绞线在交变应力、静态应力和无应力工况的加速腐蚀试验，运用数字化扫描电子显微镜对腐蚀试件进行图像采集，并进行图像灰度分析，研究钢绞线细观层次的腐蚀损伤力学行为。探索一种基于图像灰度分析的钢绞线腐蚀疲劳损伤评定方法，以期能更好的评估在役拉吊索服役状况与剩余寿命，为桥梁拉吊索结构检测、养护、更换决策提供科学依据。试验表明：腐蚀使钢绞线塑性降低，脆性增强，而在交变应力和环境腐蚀耦合作用下，试件的塑性降低更多，更易发生脆断。当腐蚀时间为720h时，与无腐蚀试件相比，交变应力工况下试件的断后伸长率下降约50%，破断应力下降较多，个别试件的破断应力下降了约40%，试件发生脆断。静态应力以及无应力工况下腐蚀720h的试件，断后伸长率约为无腐蚀试件的70%。基于图像腐蚀特征，腐蚀时间在120h~240h，各工况下的腐蚀试件抗拉强度变化不大，说明钢绞线镀锌层腐蚀阶段，表面腐蚀对其力学性能影响不大；腐蚀时间为360h，交变应力工况相比无应力和静态应力工况下的试件，腐蚀更严重，破断应力有大幅下降的趋势。研究也表明，腐蚀图像能反映钢绞线细观损伤行为，细观的损伤行为又与其承载能力密切相关。腐蚀图像灰度分布、细观损伤以及承载力变化之间存在一定的映射关系。     

超低温摩擦学研究进展

近年来，随着深空探测、超导和量子计算等技术的发展，越来越多的装备需要在极端低温工况下服役，超低温引起的润滑问题日益显现.目前超低温摩擦学研究相对较少，主要集中在材料摩擦学性能的变化研究方面，对其背后作用机制的研究并不深入.超低温下大多数固体润滑材料的耐磨性能变差，难以满足长时间服役需求；材料的摩擦学行为受环境、制备方法以及材料种类等众多因素影响，摩擦学性能变化趋势和程度有所不同，难以形成统一的认识.本文作者从超低温对材料原子和电子运动抑制作用的本质出发，归纳分析了超低温对润滑材料摩擦学性能的影响机制，从超低温引起力学性能变化、摩擦界面间的化学反应活性变化、相结构及界面结构变化以及电子-声子耦合等微观能量耗散形式等4个方面的影响机制进行了介绍，并对未来超低温摩擦学的发展方向和亟需解决的问题进行了展望.     

金属成型过程接触分析的有限元法

以往通常将加工好的成型构件实物进行疲劳试验，以检验构件设计的合理性。这种实物试验方法在构件设计阶段，显得费时费力，成本很高，并且带有一定的盲目性。本文用大变形条件下的弹塑性有限元接触法模拟了某钢管构件的挤压成型过程，在算得残余应力的基础上，进一步分析了构件服役时在交变载荷作用下的应力，研究构件的最危险点及其应力谱。在算得危险点残余应力以及应力谱的基础上，再结合材料Goodman疲劳极限线图，对成型加工构件服役后的疲劳强度进行校核，有效提高产品的安全可靠度。该方法为成型加工构件的抗疲劳断裂设计提供了方便快捷的手段，降低了成型加工构件设计阶段及产品研发阶段的成本。     

湿热环境下FRP加固RC构件耐久性实验方法研究

现有的耐久性实验方法没有体现环境与载荷的耦合作用,这与桥梁结构等主要承载构件的服役条件差异较大,会导致实验结果与实际构件的耐久性有较大的出入。为了能较真实地模拟桥梁的主要承载构件的服役状况,本文以在亚热带湿热环境下服役的钢筋混凝土(RC)桥梁为对象,探讨温度和湿度的周期变化规律、以及桥梁的活载(车辆载荷)的统计特性。初步提出了服役环境与载荷耦合作用的仿真及实验方法,构筑和集成了实验系统,为湿热环境与车辆荷载(随机载荷)耦合作用下构件的耐久性研究提供了初步的实验方法和平台。     

基于摩擦系数优化的车人碰撞事故再现研究

行人摩擦生物力学特性对车人碰撞事故再现结果有直接的影响,但由于人体结构的复杂性和交通事故的突发性特点,导致行人与汽车、道路的接触特性很难通过试验的方式获取,本文探讨了基于仿真试验的车人碰撞事故行人摩擦生物力学特性分析方法,并通过蒙特卡罗方法验证摩擦特性的可靠性.将该特性应用于车人碰撞类型的交通事故过程再现进行验证,仿真结果表明:所得到的摩擦特性精度高、可靠性高,能够满足车人碰撞交通事故再现对行人摩擦特性精度要求,为交通事故中所涉及的行人摩擦生物力学特性分析提供了新的途径.     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测。首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化。本文以某飞机舱门单锁机构中的螺旋压缩弹簧为试验对象进行了不同温度条件下的应力松弛试验,得到其松弛动力学曲线,并基于Arrhenius模型建立了弹簧在工况下的应力松弛服役寿命预测模型;其次,基于应力松弛和蠕变在本质上的一致性,结合金属材料蠕变规律并根据试验弹簧的受力特点,推导出用于描述试验材料松弛行为的蠕变本构方程,由试验结果获得该本构方程的材料常数;最后,通过该本构方程及材料常数,在ANSYS软件中对试验弹簧的松弛过程进行模拟,结果表明,模拟结果与试验结果误差不大于4%。因此,通过本文方法所建立的蠕变方程对弹簧在不同载荷条件下的应力松弛规律进行仿真分析具有一定的可行性与准确性。     

CRH380A型高速动车组制动闸片摩擦损伤分析

本研究中选取CRH380A型高速动车组服役中的制动闸片作为研究对象，利用微观分析测试手段分析了该闸片摩擦粒子的损伤特征及其原因，得出摩擦粒子的主要损伤特征为剥落和裂纹. 根据闸片摩擦粒子形貌和成分分析结果，结合不同制动时刻摩擦粒子的应力分布状态，分析了形成以上两种主要损伤的原因和机理. 结果表明:闸片摩擦粒子材料加工过程中形成的气穴、不同组元的硬度和耐磨性差异等应是导致其发生块状剥落的主要原因；而制动闸片切入端的摩擦粒子应力较大，这可能是导致制动闸片偏磨的主要原因之一，且摩擦粒子的中心圆孔附近存在应力集中现象，导致了裂纹更容易在圆孔周边萌生，同时材料加工过程中形成的气穴、不同组元之间结合强度不足等原因也导致了裂纹的萌生与扩展.