航空发动机陶瓷基复合材料无损表征技术研究进展

随着陶瓷基复合材料在先进航空发动机热端部件中的推广应用,对其在工艺研发、制备加工、试验考核以及使用服役等阶段形成的缺陷/损伤进行高效准确的无损表征尤为重要。由于陶瓷基复合材料复杂的制备成型工艺及多相复合引起的高度非均质和各向异性,导致传统基于整体均质化假设的无损检测技术面临诸多挑战。本文结合陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用情况,分析了其在制备、加工及服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征,重点回顾了近年来陶瓷基复合材料无损表征技术的研究进展及应用情况,总结了现有无损表征技术面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

航空铝合金薄板搅拌摩擦焊内部缺陷的超声相控阵检测

针对3 mm厚度下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测需求,基于典型缺陷特征以及缺陷对焊接接头性能的影响规律分析,明确了搅拌摩擦焊无损检测应重点关注的缺陷类型;设计了不同深度和尺寸的隧道以及未焊透缺陷模拟样件,利用模拟缺陷样件验证了超声相控阵检测技术对铝合金搅拌摩擦焊中1 mm埋深0.2 mm孔径的隧道缺陷以及1.6 mm埋深2 mm长、0.2 mm深未焊透缺陷的检测能力,对3 mm厚度下搅拌摩擦焊实际样件的检测结果与X射线检测结果及断口观察结果吻合,超声相控阵检测技术可以用于3 mm以下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测。

飞机结构X射线裂纹图像智能评定

飞机结构X射线图像评定过程存在复杂背景下裂纹分割不准确、检出难等问题。基于高效层聚合网络提出一种飞机结构X射线裂纹图像智能评定模型(ELAN-Seg),将ELAN-Seg模型和DeepLabv3+模型的射线图像裂纹分割能力进行对比,结合图像处理技术对模型分割的裂纹长度进行评估,利用飞机强度试验及外场维护过程采集的X射线图像对模型进行验证。结果表明:分割的最小裂纹长度约为3 mm,ELAN-Seg模型对复杂背景射线图像裂纹分割更加准确,裂纹漏检率小于3.8%,该模型具有工程适用性。

定量热像法预测焊接接头的S-N曲线和残余寿命

在恒定的平均应力作用下,考虑焊接接头的实际工况,利用红外热像技术建立了快速预测焊接接头疲劳参数和残余寿命的模型,实现了定量热像法对非均质焊接接头疲劳性能的评估。通过红外热像仪监测焊接接头表面局部热点的变化,定性分析了损伤演化状态。结果表明:定量热像法克服了传统疲劳实验方法的局限性,可快速、准确地确定非均质焊接接头的疲劳性能。同时,通过对疲劳损伤过程中热点区域的实时监测说明其是一种有效的检测方法。

热像法和能量法快速评估Q235钢的疲劳性能

借助热像法和能量法快速确定了单轴循环应力作用下Q235钢的疲劳性能参数,与传统实验结果相比,吻合较好。基于极限能理论假设,建立了Miner线性累积损伤理论的能量模型以预测构件的残余寿命。研究结果表明:热像法和能量法可以在较短的实验周期内快速地确定材料的疲劳极限和S-N曲线等疲劳性能参数;Miner理论的能量模型具有明确的物理意义,能准确预测循环载荷作用下构件的残余寿命。

基于脉冲涡流的多层金属铆接结构孔周裂纹缺陷检测仿真

脉冲涡流(PEC)检测技术由于其深层缺陷检测能力和高灵敏度等优点,被应用于多层铆接结构内部缺陷的检测中。为了研究PEC矩形传感器的尺寸参数对多层铆接结构孔周裂纹缺陷检测性能的影响,采用有限元仿真软件COMSOL构建PEC矩形传感器的三维仿真模型,根据PEC在多层铆接结构中的分布规律,通过数值仿真研究探头结构参数以及中心轴偏移量对检测效果的影响。仿真测试结果表明:矩形探头长宽高尺寸比例在1:1.25:1.25时检测灵敏度最高,适宜多层铆接结构的孔周裂纹检测。同时发现,为了保证足够的检测灵敏度,在垂直裂纹缺陷的方向上,偏移量应小于1 mm,在与缺陷平行且重合的方向上,偏移量应小于0.2 mm。该研究结果为多层金属铆接结构孔周裂纹检测传感器尺寸参数设计提供依据。

基于有限元法和锁相热像法对含缺陷构件的应力分析与疲劳性能评估

基于有限元法研究含盲孔缺陷构件的应力集中系数Kt随盲孔深度h和盲孔直径的变化规律。利用锁相热像法的热弹性分析模式(E-Mode)研究盲孔附近的应力分布,预测不同深度盲孔的Kt,与有限元结果相比较发现吻合良好。通过Altair Li软件中的耗散模式(D-Mode)和Altair软件分别研究构件在疲劳过程中的固有耗散量和温度信号的变化规律,以评估疲劳损伤的演化过程。以固有耗散和温度信号的变化规律作为疲劳损伤的指标,快速预测带盲孔试件的疲劳极限,进而预测试件的疲劳缺口系数Kf。理论计算的结果证明了锁相热像法的有效性。

FV520B钢十字焊接接头的疲劳性能

用金相显微镜和扫描电镜观察了FV520B钢焊接接头母材、焊缝及热影响区的微观组织;并通过透射电镜给出了母材和焊缝的微观形貌。结果表明:母材组织为细小均匀的回火马氏体、弥散分布的析出相及高密度位错,而焊缝为粗大的板条马氏体及少量的析出相,说明母材力学性能优于焊缝。利用疲劳实验获得了高平均拉应力下接头的疲劳强度及S-N曲线等。通过对疲劳断口的观察,发现疲劳断裂主要有两种形式:破坏于焊趾处和焊接缺陷处,由于这里严重的应力集中,加速了疲劳裂纹的萌生。

基于加权应变因子的叶片振动疲劳寿命预测

通过循环应力-应变方程和应变-寿命方程推导了可预测材料高、低周疲劳寿命的非线性疲劳损伤累积模型。模型中引入弹性、塑性加权应变因子对疲劳延性指数和疲劳强度指数进行修正,以考虑疲劳过程中弹塑性应变共同作用对疲劳损伤累积速率的影响。以某型航空发动机压气机叶片为研究对象,利用所建立的模型预测其疲劳寿命,并与试验结果、Basquin方程、改进的Basquin方程的预测结果进行对比分析。结果发现:在低应力水平(≤700MPa)下,三种预测模型给出的高周疲劳寿命误差小于30%;但是当应力水平达到770MPa时,所建立模型的预测精度比Basquin方程和改进的Basquin方程分别提高89.14%和22.73%。

弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置,并预测裂纹扩展速率da/d N。结果发现,预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示,疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/d N、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。

FV520B不锈钢角焊缝接头的组织和断裂机理

通过对焊接接头疲劳断口的观察研究,讨论了控制接头疲劳失效的疲劳机理。实验研究了焊接接头的母材、焊缝及热影响区的微观组织形态。结果发现:母材组织为细小均匀的板条马氏体及弥散分布的第二相粒子,而焊缝区为粗大的板条马氏体及少量的第二相颗粒。组织特征的区别证明母材综合力学性能优于焊缝。

疲劳特性的红外热像定量分析方法研究进展

定量红外热像法,作为一种无损、全场、实时、非接触的测试手段,不仅能够用于对材料内部缺陷的无损检测,而且能够对在役结构的疲劳损伤演化状态进行识别.定量红外热像法还能够快速预测材料的疲劳极限和S-N(stress-number of cycles)曲线,实验周期短,成本低.文中较为系统地综述了定量红外热像法的发展现状及应用,讨论了定量红外热像法应用过程中的几个重点问题.最后总结展望了定量红外热像法的未来发展方向及应用前景.

飞机结构螺栓连接细节疲劳断裂失效机制与寿命分析

针对随机块谱作用下飞机典型螺栓连接接头的疲劳失效,利用显微观测技术分析宏观和微观断口形貌特征,揭示螺栓连接结构细节的失效模式和微观失效机制。结合连接结构细节的疲劳载荷谱和微观疲劳条带特征,基于Paris公式定量反推接头的疲劳裂纹扩展和萌生寿命,建立载荷循环数、飞行小时数与疲劳裂纹长度之间的演化规律。研究表明,螺栓接头的疲劳裂纹萌生于螺栓孔下部表面应力集中处,呈多源模式,断面包括裂纹源区、扩展区和瞬断区等典型疲劳特征;寿命反推表明,两段函数式能够合理表征全寿命周期内疲劳裂纹扩展长度与载荷循环次数和飞行时间之间的演化规律;疲劳裂纹扩展和萌生寿命分别为3147.7 h、615.4 h,连接接头的设计方案与工艺尚需改进以满足安全寿命设计要求。

基于权函数法的含裂纹叶片的应力强度因子研究

基于两个已知的参考应力强度因子和权函数的基本特性,分别计算了含单边裂纹、双边裂纹和中心裂纹的有限宽板的权函数。然后,将所计算的权函数分别用于确定含单边、双边及中心裂纹的旋转平板叶片的裂尖应力强度因子K。最后,在线弹性断裂力学范围内由断裂准则K<KIC分别对含单边、双边和中心裂纹的平板叶片的临界转速进行了估算。研究结果表明:旋转平板叶片所含的裂纹深度越深、裂纹位置距旋转轴越近,所引起的裂尖应力强度因子就越大,所允许的临界转速就越低。

基于Gerber模型的DFR法与结构细节效应

在实际工程应用中,基于Goodman模型估算结构细节疲劳额定强度(DFR)的方法偏于保守,不够经济。本工作推导基于Gerber模型的DFR值D(应力比R=0.06)的计算公式,引入细节效应系数以考虑多细节对置信度系数和D估算结果的影响;与已有结果的比较发现:基于Gerber模型的D的估算方法能够较大程度地发挥材料的潜能,降低研发成本。利用构件细节额定值系数法,通过单个细节结构的D估算了含多个细节的结构的D。估算结果与试验结果的比较验证了基于Gerber模型的DFR法的准确性和适用性。

温度和湿度对碳纤维增强复合材料老化影响研究综述

碳纤维增强复合材料因其良好的力学、物理和化学性能,在多个工业领域获得了广泛应用。在工程应用中,关键结构的服役寿命和性能耐久性是一个不可忽视的问题。碳纤维增强复合材料通常以树脂为基体,而树脂易受环境影响发生老化,对复合材料的性能产生显著影响。本文首先介绍了环境温度对碳纤维增强复合材料性能的影响,并总结了水分扩散理论及常见的复合材料吸湿模型,然后整理了湿热耦合环境对碳纤维增强复合材料性能的影响效应,包括理论分析、试验方法以及有限元仿真等研究手段,最后讨论了碳纤维增强复合材料在湿热老化研究方面存在的问题和挑战,并对可行的研究方向进行了展望。

封面图片说明

封面图为高分辨率热像仪所拍摄的某结构的红外热像图，从中可以清晰地看到物体经过时因热弹性效应导致的结构表面温度场的变化，进而判断出结构局部的高应力区域。疲劳热像法作为一种无损、实时、全场、非接触的测试手段，不仅可在较短的时间内快速确定材料的疲劳性能，且能实时地监测交变载荷作用下结构的应力状态、表面温度场等，对局部损伤实时定位，在结构安全评估上有重大意义．

基于固有耗散的材料疲劳性能快速评估方法

材料疲劳损伤的累积过程是一个伴随着温度变化的能量耗散过程.相比于疲劳过程中试件的局部温升,固有耗散是材料能量变化的直接反映,与材料微观结构演化联系也更为紧密,因此以材料的固有耗散作为疲劳损伤指标具有更加明确的物理意义.基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了一种材料固有耗散的计算模型,并在此基础上提出了一种快速评估材料疲劳性能的能量方法.利用该能量方法,对FV520B钢的疲劳性能进行了实验研究,并对实验结果进行了分析与对比,从而证明了该能量方法及计算模型的可行性和有效性.

基于ABAQUS二次开发的裂纹扩展模拟

裂纹的扩展是典型的材料不连续问题,传统的有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。为了解决传统有限元在模拟裂纹扩展的不足,XFEM方法(extended Finite Element Method,XFEM)引入水平集函数描述裂纹形态,实现了裂纹在单元内部的扩展,克服了传统方法只能依赖单元生死来模拟裂纹扩展的难题。以Abaqus为平台,应用Python脚本语言开发了一套裂纹自动扩展程序包,利用Abaqus固有的方法编写程序,通过扩展有限元功能实现裂纹的自动扩展,通过模拟I型边裂纹和三点弯梁的裂纹的扩展过程,验证了XFEM方法的有效性。同时,模拟了多裂纹的扩展过程。结果表明:方法不仅能够利用Abaqus软件的实现复杂的加载和边界模拟,同时又能体现XFEM在裂纹扩展模拟上的优势,为解决实际复杂问题提供了途径。

二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用

对二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用进行了研究。二维数字图像相关法采用Newton-Raphson方法和逆匹配结合的算法,首先对Newton-Raphson迭代式中的相关函数的一阶偏导和二阶偏导进行了简化,对于Newton-Raphson法的初值估计采用仿射变换方法和RG-DIC结合的方法;然后在计算域全场采用双三次插值,保证计算精度的同时降低了计算量。散斑仿真实验和准静态拉伸实验显示,二维数字图像相关法获得的分析值与应变片测量值相对误差约小于10%,表明二维DIC算法具有较高的准确性,能够用于实际工程测量。