SiC/TC4复合材料涡轮轴渐进失效分析

为了研究SiC/TC4复合材料涡轮轴的失效行为,提出轴结构渐进失效分析方法,建立基于Hashin失效准则的层合板模型,并开展SiC/TC4层合板拉伸试验,对比试验与仿真得到的拉伸强度以验证计算方法的有效性.模拟涡轮轴结构在轴向拉伸载荷和扭转载荷下的损伤演化过程,预测失效强度.结果表明:0°铺层时涡轮轴的拉伸强度最大;4...     

纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。     

复合材料涡轮轴低循环疲劳寿命预估方法研究

计算连续纤维增强金属基复合材料轴结构应力/应变响应,将仿真计算结果与国外试验数据对比分析,验证金属基复合材料轴结构响应计算方法的准确性。在此基础上,根据发动机涡轮轴真实工况载荷条件下,计算发动机在动载荷下的响应情况及危险位置,将动载荷与静载荷进行等效转换,并验证金属基复合材料轴结构在动载荷及静载荷作用下响应状态的一致性,从而基于静载荷条件工况下,进行疲劳寿命预测,并与国外试验数据对比分析,验证模型有效性。最终,以连续纤维增强金属基复合材料航空发动机涡轮轴为例,计算其在扭矩载荷及轴向力载荷作用下,铺层角度对轴结构响应及寿命的影响规律。     

基于偏轴强度试验的复合材料失效准则评估

通过对复合材料单向板及单向铺叠厚板偏轴强度的预测与试验结果的对比研究,评估了5种失效准则对失效载荷及失效模式预测的准确性。使用各准则对Boron/AVCO5505材料单向板在多种偏轴角下的面内拉伸强度进行了计算,得到了极限应力随偏轴角度变化的曲线。对比试验结果,分析了各准则对单向板在复杂平面应力场下失效的预测能力。然后,基于对AS4/3501-6材料200层单向铺叠厚板的偏轴拉伸、压缩强度的计算结果与试验数据,分析了各准则对复合材料厚板在面外及层间耦合应力场下失效的预测能力。结果表明:各准则对单向板偏轴拉伸强度的预测都具有较高的精度,但除Puck、LaRC05准则外,Tsai-Wu、Hashin和Chang-Chang准则均无法很好预测损伤模式转变的界限;各准则对单向铺叠厚板沿面外方向的偏轴压缩强度的预测精度均不足,对面外拉伸强度的预测精度均较高,但预测的强度值随偏轴角增加而增大的趋势与试验结果不符。     

含界面SiC/TC4复合材料拉伸强度预测及试验验证

为了预测纤维增强复合材料的拉伸强度,建立基于双线性内聚力模型的含界面代表体积元模型,结合最大应力准则和最大位移准则分析界面在拉伸载荷下的损伤演化过程,得到复合材料纵向和横向拉伸强度,并讨论了温度对SiC/TC4复合材料强度的影响。结果表明,随着温度的升高,复合材料拉伸强度增加,压缩强度减小。开展SiC/TC4层合板拉伸试验,SiC/TC4复合材料纵向和横向拉伸强度预测值与试验强度的误差分别为13.8%和6.9%,可见模型和计算方法有效。     

复合材料涡轮轴结构力学性能预测方法验证及优化设计

针对连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构力学性能计算及优化设计问题,基于复合材料宏观叠层结构理论及经典层合板理论,开展复合材料涡轮结构力学性能计算。通过建立与试验件相同结构的有限元模型,边界条件及载荷与试验条件完全一致,计算涡轮轴结构节点应变、周向位移响应及其承载能力,并分析轴结构径向截面危险位置。将计算结果与试验结果对比分析,验证涡轮轴结构力学性能计算方法及失效分析的有效性。基于上述研究,建立某型发动机涡轮简化轴结构,采用遗传算法,优化铺层角度、铺层厚度及金属层厚度影响因素,最终在保证轴结构承载能力基础上,达到减重效果。     

层压金属复合材料/纤维层合板静载作用下的强度优化设计

分别以静载作用下纤维层合板（FRP）和层压金属复合材料（FML）的强度为目标,对层合板中纤维层的铺层角度进行了优化设计,依据得到的优化结果对两种层合板在不同载荷下的强度性能进行了比较。采用有限元对层合板进行结构分析,结合Tsai-Wu准则和VonMises准则得到层合板的强度失效因子,然后将粒子群优化算法和有限元结合起来实现优化过程。优化结果表明,FML由于Al层的加入使其横方向承载能力加强,相比FRP,FML具备更好的抵抗面内双向拉伸载荷的能力;在受面外集中载荷作用时,FML在4种不同边界条件下的强度性能都优于FRP,并且FML的强度性能更为稳定。     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

含孔复合材料层合板在压缩载荷下的三维逐渐损伤

通过逐渐损伤分析可以清楚地了解承载复合材料层合板内部损伤的产生及扩展过程,应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术,对不同材料不同宽孔比的含孔复合材料层合板在压缩载荷作用下的逐渐破坏过程进行分析,综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式。在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度和铺层厚度层合板在压缩载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷,通过与已有参考文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。该程序可以较大程度地提高最终失效载荷的预测精度,为复合材料层合板结构的设计和使用提供了有力的技术支持。     

风载荷下机载复合材料天线罩强度有限元分析

机载天线罩对重量要求高,需要承受较大的风载荷,多采用复合材料以满足要求,因此需要对天线罩进行强度校核。文中针对某机载天线罩首先进行风载荷的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）有限元仿真,然后利用ANSYS ACP进行复合材料结构铺层设计,进一步通过流固耦合方法在计算风压工况的条件下对天线罩强度进行分析,最后通过许用应力、变形情况以及复合材料多失效准则校核对天线罩结构设计安全性做出判断。该机载天线罩在要求的风载荷条件下满足使用要求。