加筋壁板轴压载荷下后屈曲稳定性试验研究

对11种构型的民用飞机机身加筋曲板在轴压载荷下后屈曲承载能力进行了试验和工程算法研究,深入探索了机身壁板的各种破坏模式,对极限法、Johnson）物线法与欧拉法三种工程算法比较,并且把试验结果与计算结果进行了对比。研究结果表明：壁板后屈曲轴压许用值与桁条剖面积和蒙皮厚度成线形关系,主要取决于桁条剖面积;蒙皮的局部屈曲应力对初始缺陷敏感,但局部屈曲应力的偏差对壁板的轴压破坏载荷影响不明显;与工程计算结果对比发现Johnson抛物线法计算的破坏轴压与试验结果吻合较好。     

蓄能落锤式动静组合加载试验系统研制及应用

针对深部矿井中煤岩所处的高应力、强开采扰动等复杂的赋存环境特点,设计并研发蓄能落锤式动静组合加载试验系统,本文详细介绍了该系统的结构特点、技术指标及功能等。该系统能够分别独立向试样施加轴向冲击载荷、轴向静载荷及侧向静载荷,实现试样不同动静组合加载。该系统所用试样尺寸大,向试样施加的冲击载荷更接近现场实际。采用冲击力传感器及动态应变仪等高精度传感器进行实时监测,记录试样应变及所受冲击载荷。利用该系统对煤样进行了相同轴向载荷与不同冲击载荷共同作用下的动静组合加载试验,实时采集煤样冲击过程中力与应变数据。通过绘制冲击过程煤样应力应变曲线,分析不同动静组合加载下煤样应力及应变的变化特点,通过观察煤样形态,分析煤样的破坏变形特征,初步研究不同动静组合条件下煤样的破坏变形规律。该系统的研制丰富了深部高应力、强扰动等环境下岩石力学性质的研究手段,可为防治冲击地压灾害提供科学的试验基础。     

基于弧长法的加筋板后屈曲特性分析及试验

作为飞机上重要的承载部件,加筋壁板在发生初始屈曲后仍具有较强的后屈曲承载能力,因此研究其后屈曲特性对于确定破坏载荷具有重要意义。传统的特征值屈曲分析是以小位移小应变的线弹性理论为基础的,且不考虑结构在受载过程中结构构形的变化,因此误差较大。本文采用Riks弧长法,结合材料弹塑性理论对铝合金整体加筋壁板轴压加载后的屈曲破坏过程、传载机制、极限载荷进行了研究,并进行了轴压加载的试验验证,得到了加载过程中的应力、应变曲线以及极限载荷,还对后屈曲破坏形式进行了分析。数值模拟结果表明:本文研究的整体加筋板初始屈曲发生在蒙皮,后屈曲过程筋条是主要的承载部位,与试验中观察到的现象一致;试验中加筋板最终破坏部位发生在筋与蒙皮连接处,有限元模拟结果与试验中加筋板的最终破坏部位一致;数值模拟得到的极限载荷与试验的相对误差在5%以内。这表明基于弧长法的后屈曲计算能够准确跟踪整体加筋板的后屈曲平衡路径和预测极限载荷。     

基于动态显式分析的复合材料盒段失效模拟

为了研究复合材料结构失效过程并为强度设计提供分析依据,对结构进行失效模拟。在静态隐式分析中,材料的失效和破坏常常导致严重的不收敛。针对复合材料多墙盒段结构,采用动态显式分析方法对弯曲载荷工况进行了试验模拟。壁板和墙均采用层壳元,在上壁板中面嵌入一层体元模拟层间失效,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,并进行渐进式失效分析。分析表明,动态显式分析避免了不收敛问题,能比较准确地模拟复合材料盒段的失效过程,无论是应变、屈曲载荷、破坏载荷,还是破坏形式,分析结果均与试验结果吻合较好,屈曲载荷、破坏载荷的预测值与试验结果误差在7%以内。表明本文方法可以满足工程设计和分析要求。     

飞机转顶基座及支架结构静力试验技术研究

根据飞机空中试验用转顶基座及金属支架结构静力试验技术需求,研制了一套试验系统,解决了转顶基座及金属支架结构支持模拟、加载边界模拟等关键问题。对载荷进行等效处理,设计加载假件,采用载荷偏移与力偶施加相结合的方法施加力矩,分别完成了五级风载荷下4种工况的设计载荷试验和极限载荷试验,以及八级风载荷下其中第4工况的极限载荷试验。考核了结构的危险部位应力值及结构安全余量。试验结果表明,该试验系统工作稳定可靠,转顶基座及金属支架在设计载荷试验工况下未发生有害塑性变形,其强度、刚度满足设计要求。上述试验结果可作为该结构强度、刚度性能的评定依据,同时为后续结构研究的有限元建模提供数据支持。     

基于升阶谱有限条法的复合材料壁板结构稳定性分析

通过将升阶谱与有限条方法相结合,得到了以多项式级数为形函数的升阶谱有限条方法,并采用该方法对复合材料壁板结构在复杂边界条件下,受轴压、侧压及剪切载荷复合作用下的临界稳定性问题进行分析。数值算例结果表明,该方法综合了升阶谱和有限条的优点,可以快速稳定的精确求解复合材料壁板结构的临界失稳载荷。     

民用飞机机身复材-金属壁板混合连接结构的试验与分析

民用飞机复材壁板与金属壁板的连接是机身结构设计的重要研究内容,如何将复材帽形长桁和金属Z形/2形长桁连接是研究的重点和难点。本研究提出了一种新型混合连接结构,同时考虑了预埋缺陷和BVID损伤对试验件的影响。通过试验、数值仿真等分析方法研究了混合连接结构的静强度特性,详细分析了试验件的受力情况、失效模式以及破坏位置,很好的解决了复材帽形长桁和金属Z形/2形长桁连接载荷传递问题。研究结果表明：该混合连接结构满足民用飞机结构与强度的设计要求,预埋缺陷和BVID损伤对试验件的破坏载荷和破坏模式无影响。以上研究结果为型号飞机的研制和发展提供重要的指导作用。     

镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于正交设计, 分别在680℃和850℃下进行DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样([001]取向)拉/扭非比例加载低周疲劳试验, 研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用. 疲劳试验数据的极差分析表明, 应变路径角、拉/扭载荷相位角和等效应变范围是影响疲劳寿命的主要因素. 将菱形应变加载路径区分为比例加载段和非比例加载段, 提出了表征非比例加载效应的等效应变参量, 并通过引入单晶应变三轴性因子反映拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命的影响. 用考虑非比例加载效应的等效应变范围和单晶应变三轴性因子构造循环塑性应变能损伤参量, 进行多元线性回归分析, 疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性, 所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内.      

对称拉压循环对HRB400E钢弹塑性行为影响的试验研究

对HRB400E钢在单向拉伸、拉压循环和循环后拉伸载荷作用下的力学行为进行了试验研究,采用0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%八种对称应变幅对HRB400E薄壁圆管试件施加100周次拉压循环载荷,循环后施加单轴拉伸载荷直至试件断裂。试验数据分析表明,循环加载过程中HRB400E钢前10周应力应变曲线曲率明显变小,峰值应力明显下降,呈现循环软化特性,随着应变循环幅值的增大,循环滞回曲线稳定所需循环周次逐渐减小。HRB400E钢在不同应变幅循环后的拉伸弹性模量均出现下降,下降幅度约为3%～8%,屈服应力会随着预循环应变幅的增大而增大,随着预循环应变幅增大材料的硬化效应有所减弱。与单轴拉伸相比,循环后拉伸的强度极限和断裂应变无明显变化,塑性变形能力没有明显下降,破坏为典型的塑性剪切断裂模式,薄壁圆管试件断口中的断裂纤维区和剪切唇区位于接近管壁处,断面径向中部的断裂扩展区中,在大韧窝周围存在多个较小韧窝。     

云纹干涉法现场测量技术及其在微电子封装中的应用

本文研制了多功能微观云纹干涉仪系统.该系统可以现场测量电子封装组件热疲劳、热湿耦合、热载荷引起的变形,被应用于电子封装组件的可靠性分析中.由现场云纹干涉技术测得的疲劳寿命与加速热循环实验的结果相吻合.本系统还被应用于铜焊点的断裂行为分析中.实验证明本系统可以测量多层结构材料的应力强度因子、应变能释放率以及位相角.     

基于三维Hopkinson杆的混凝土动态力学性能研究

混凝土、岩石类材料在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直备受关注,但鉴于动态实验的复杂性,对真三轴应力状态下材料的动态加载一直未曾实现。本文中研制了一套真三轴静载作用下混凝土、岩石类材料的“三维Hopkinson杆”动态力学实验系统,为冲击载荷作用下材料动态各向异性特性的研究提供了一种有效的实验测试技术。该系统采用液压伺服控制对立方体试件施加三向独立的0~100 MPa真三轴静载,再利用分离式Hopkinson压杆对试件施加冲击动载,具体研究了C30混凝土材料在不同真三轴静载条件下的动态压缩性能,得到了不同条件下X、Y、Z方向上的动态应力应变关系。     

拉扭复合加载下循环应力应变关系的研究

以拉扭簿壁管试件为研究对象,根据多轴临界面上的应力应变特性及多轴疲劳临界面法的结果,结合单轴循环应力应变关系,研究了多轴比例与非比例加载下的循环应力应变关系,推导出多应力应变关系模型,经拉扭复合比例与非比例物载试验难证,其预测结果与实测值相符合。     

金属压力囊与应变测量技术在异型超导磁体结构装配过程中的应用研究

为了研究异型超导磁体结构预应力施加及其应变控制性测量等问题,基于自主集成的气压-水压混合高压增压系统,结合电阻应变片与非接触式DIC(Digital Image Correlation)全场应变测量方法,本文提出了一种超导磁体结构装配后预应力施加与应变测量控制技术。为了验证研制系统及其应变测量的可靠性和准确性,模拟超导二极线圈结构,自制了一套带有铝壳约束的铁质二极结构,对其进行装配后的预应力施加与应变测量,即:在二极结构内部放置一种自主研制的类似千斤顶设备——用薄钢板制成的长方形金属压力囊(称Bladder),利用自制的高压增压系统将较高的水压打入压力囊中,通过其有限的位移对二极结构内部人为地施加均布压应力,最终到达为二极结构内部施加预应力的目的。在施加预应力过程中,运用电阻应变片与基于高速CCD(Charge Coupled Device)设备的非接触DIC技术,对二极结构外部的约束结构——铝壳进行实时的应变测量。多组重复性实验结果表明:高压增压系统可控水压范围为5～120MPa,步长为4MPa,可同步显示压力,并且在此范围内能够维持设定的压力恒定不变,误差控制在±1.5MPa以内;采用连续激光焊接技术自主研制的加宽型金属Bladder可在30MPa范围内循环使用8次以上;对于带有铝壳约束的铁质二极结构,其铝壳表面的应变与打压压强成线性关系,电阻应变片与非接触的CCD应变测试技术均能给出高精度的测量结果,且非接触的CCD应变测试技术可以给出打压过程中铝壳表面全场应变测试结果。相关设备、技术和结果将为中科院近代物理研究所自主研制的全Nb_3Sn超导离子源装配后预应力施加以及应变控制性测量提供方法和指导。     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

基于有理插值方法模拟可压缩类橡胶材料多轴变形行为

提出一个多轴应变能函数来模拟可压缩类橡胶材料在载荷作用下的大变形行为。首先,基于对数应变构造三个不变量,使得应变能函数分别具备可压缩功能、多轴有效功能以及适用于多个变形模式的功能;其次,利用有理插值方法构造单轴形函数,并结合前面引入的三个不变量,通过哈密顿插值方法构建统一的应变能函数;最后,在单轴情况下,应变能函数通过对Hencky应变求导,可以得到对应变形模式下的应力-应变关系。本文通过调节泊松比的大小来控制体积变化从而实现模型的可压缩性;此应变能函数可以模拟单轴拉伸压缩、平面应变以及等双轴拉伸等至少三个基准试验。新方法得到的伸长比-应力关系、伸长比-体积比关系与经典试验数据结果作比较,进而证明方法的准确性和有效性。     

航空发动机复合材料叶片振动疲劳特性研究

针对发动机复合材料叶片开展了振动疲劳特性研究。首先通过模态测试获得叶片结构的振型图,确定叶片在振动中应力最大部位疲劳薄弱部位;其次采用振动台施加窄带随机激励载荷,并监测其疲劳薄弱部位的应变水平,获得了复合材料叶片的振动响应及疲劳特性。试验结果显示,叶片在350με应变水平下的振动疲劳寿命为5.46×106;复合材料叶片的固有频率随试验时间的增加而降低。上述结果可为复合材料叶片在发动机中的应用提供部分依据。     

复合材料/金属混合结构热应力分布规律

以飞机机身典型部位复合材料与Z型长桁螺栓连接为研究对象,采用Python脚本语言编程,在ABAQUS平台建立了6种紧固长度有限元模型,模拟飞机在高空低温的飞行环境,得到了混合结构的应力、应变分布规律。数值仿真结果表明:铝梁顶部应变结果呈现中间高、两边低的现象,紧固螺栓应变结果则呈现出相反的趋势;末端紧固件承受的剪切载荷最大,而中心的紧固件剪切载荷最小;该温度场结果与已有文献的试验测试结果误差在3℃以内,对复合材料与金属混合结构的设计具有一定意义。     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

大型飞机起落架载荷修正方法研究

大型飞机起落架静强度试验中,起落架受载变形后载荷施加点位置移动引起加载力线改变,从而带来加载误差。为提高起落架变形后加载的准确度,基于撬杠施加起落架载荷传统技术,提出载荷修正方法。该修正方法主要步骤为起落架实际施加载荷与理论载荷的转换。通过对撬杠施加起落架载荷力学模型进行分析,推导得到转换公式,使用该公式对理论载荷进行修正得到施加载荷。将未修正理论载荷和修正后施加载荷分别进行试验验证:通过本文误差计算公式得到的误差与实测误差最大偏差为3.1%,使用修正后的施加载荷进行的试验过程中载荷误差小于2kN,表明该误差计算公式的正确性以及修正方法的有效性。此方法可以实现大型飞机起落架发生变形后全过程载荷的准确施加,且无需加工额外工装,为同类型起落架静强度试验提供了理论参考。     

民用飞机发动机吊挂静力试验技术研究

根据民用飞机发动机吊挂部段静力试验技术需求,研制了一套用于吊挂部段静力试验的试验系统,解决了吊挂支持模拟、加载边界模拟等关键技术;采用载荷偏移与力偶施加相结合的方法施加力矩;设计了加载杠杆施加试验小载荷.顺利完成了吊挂应急着陆、航向侧移相关的三种危险工况试验.试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,吊挂在应急着陆等工况下未发生有害塑性变形,其强度、刚度满足设计要求.试验结果可作为该吊挂部段强度、刚度性能的评定依据,同时为有限元建模提供数据支持.