高孔隙率闭孔泡沫铝的低应变率压缩行为

通过落锤冲击实验研究高孔隙率闭孔泡沫铝的动态压缩性能及抗低速冲击特性,同时通过高速摄影仪观察试件的动态压缩行为,并记录落锤冲击速度的衰减过程.结果表明,高孔隙率闭孔泡沫铝的抗冲击缓冲效果明显,且在低速冲击条件下其变形特征与准静态变形类似.采用有限元方法分析了落锤和泡沫中应力的分布特点以及表面摩擦系数对应力分布的影响.由于摩擦力阻碍了接触面处泡沫的横向位移,致使其压缩外形呈"鼓形";在低速冲击时,应力在泡沫铝试件内部的传播周期远小于冲击的缓冲时间,应力波现象并不明显,应力的变化与准静态压缩时相似.在考虑接触面上摩擦力的基础上,通过第2类Lagrange方程建立了落锤-泡沫材料的碰撞解析模型,将预测的落锤冲击速度的衰减过程分别与实验和有限元结果进行比较,取得了较为一致的结论,并进一步讨论了不同冲击速度和材料参数对冲击过程的影响.

基于实验模态分析的点阵夹层结构动态性能预测

引入均一化等效理论,对金字塔型结构芯体夹层材料的芯体弹性常数进行均一化等效处理,并将其用于研究该夹层材料结构的动态性能.同时采用三维(3D)离散有限元模型计算了结构的动态性能.为验证了理论预测的正确性,设计并制备了金字塔点阵悬臂梁,进行了实验模态分析,将实验结果与理论计算的各阶自振频率进行了比较.结果表明:该模型对低阶自振频率的计算结果与实验结果、3D离散有限元模型计算结果吻合得都比较好,一阶自振频率误差不到5%,其它误差在10%左右.

液体火箭发动机阻尼机架减振特性研究

对具有橡胶——惯性结构的火箭发动机机架简化模型中动态载荷传播特性进行了研究。机架内动态载荷在依次通过橡胶--惯性结构粘贴位置时,携带的部分动能传递到橡胶材料内,导致机架内应力幅值显著低于能量交换前的应力。通过分析橡胶材料内外表面的速度,发现速度差引起了橡胶阻尼材料沿轴向发生剪切加载和卸载过程,并导致机架传递到橡胶材料的动态能量发生剪切变形的过程中被耗散吸收;此外,机架内动态载荷大小与机架内质点速度的变化量有关,机架内质点动能减小及运动速度降低是引起机架动态载荷幅值降低的根本原因。

闭孔金属泡沫中应力波的传播特性分析

为了研究泡沫材料在动态冲击载荷下的变形及内部应力变化情况,通过一维的泡沫材料冲击模型对闭孔金属泡沫材料中应力波尤其是胞元结构塑性坍塌的传播过程及其影响因素进行分析。结果表明:泡沫材料密度以及冲击速度是导致塑性波前应力提高、产生惯性效应的主要因素;同时塑性波的传播速度与冲击速度成正比,与泡沫材料的密实应变成反比;且冲击能量越低,塑性波前在泡沫中推进就越慢,吸收这些能量所需的泡沫材料也越少。

基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成技术研究

随机振动试验是评估工程结构在高斯振动载荷力学环境下的安全性和可靠性的一种模拟试验,而随机振动控制功率谱密度生成时域高斯随机振动驱动信号是随机振动试验关键技术之一,常用的生成高斯驱动信号方法主要是伪随机法、正弦窗叠加法等。本文提出了基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成方法,并与常用正弦窗叠加法进行了对比,结果表明:基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成方法提高振动模拟试验的真实性和控制幅值动态范围精度,而这两种方法生成时域随机信号的偏斜度、峭度值相当,都满足高斯分布性能要求,验证了该新方法的正确性和有效性。

液体火箭发动机三轴向虚拟振动试验技术研究

振动试验是液体火箭发动机结构可靠性评估和力学环境适应性验证的重要内容。相比单轴振动试验,三轴向振动试验能够更加真实地模拟产品的实际受力状态。开展三轴向虚拟振动试验研究,对于预示发动机动态响应,指导结构设计优化,以及研究修改单轴向振动试验输入谱以适用于三轴向振动试验都具有重要的研究价值。针对液体火箭发动机的振动问题,利用三轴向振动台的控制方法和有限元仿真技术,逆向构建了某三轴向振动台的虚拟振动试验系统。基于Patran有限元平台将某型号产品和振动台模型进行联合仿真动力学建模,以发动机正弦振动和随机振动试验条件作为动力学响应分析的载荷边界,利用Nastran进行三轴向振动问题求解。通过与实际的振动试验结果的对比和修正,获得精确的三轴向振动台和产品仿真模型、精确控制方法等,为液体火箭发动机结构振动响应预示、薄弱环节识别提供虚拟试验技术手段。

基于高斯混合模型的非高斯振动疲劳频域求解方法

很多机械结构在工作环境下经受的随机载荷有着较强的非高斯性,按照传统的高斯假设对这些结构进行疲劳计算会带来很大误差。针对非高斯载荷下结构疲劳寿命难以预测的问题,提出了一种非高斯随机载荷下对结构进行疲劳计算的频域方法。首先引入高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)对载荷进行描述,并使用期望最大(expectation maximization,EM)算法对模型参数进行求解,建立的模型可以准确描述单峰及多峰非高斯载荷。在此基础上结合Tovo-Benasciutti方法推导出一种多峰非高斯载荷下的频域疲劳计算方法。为了对该方法进行验证,对一个双峰分布的非高斯载荷信号进行了疲劳分析,以雨流计数法作为参考,结果表明在双峰非高斯载荷下,对多种材料,该方法与直接使用传统频域疲劳计算方法相比计算精度提升明显,验证了该方法的精确性及较广的适用性。

多孔型橡胶填充金属波纹板隔声和减振性能研究

采用冲压成型和焊接/胶接工艺制备两种多孔型橡胶填充金属波纹板,并对这类金属波纹板的隔声和减振性能进行研究。通过隔声实验对比金属波纹板和填充了多孔型橡胶的金属波纹板的隔声性能,并通过冲击实验,对比金属波纹板和填充多孔型橡胶金属波纹板的自由衰减过程。实验结果表明:金属波纹填充多孔型橡胶板后隔声能力和减振性能均得到显著提升。

基于频率雨流计数法的发动机振动疲劳载荷谱编制

传统雨流计数法适用于常规疲劳载荷计算,不能保留振动疲劳的频率信息,但是频率对于振动疲劳十分重要,因此在传统雨流计数法的基础上提出一种频率雨流计数法。以某型号发动机试车振动加速信号为例,采用振动疲劳载荷谱的编制方法,编制振动信号功率谱、载荷-频次载荷谱、振动疲劳载荷谱,对频率雨流计数法进行验证。结果表明:采用本文方法编制的载荷谱能够反映发动机实际工作载荷,满足实验室疲劳试验载荷谱要求。

载荷发生频次和超载迟滞的耐久性载荷谱编制方法研究

国内所编制的所有型号飞机的载荷谱,均是代表机队平均使用情况的疲劳载荷谱,而未编制耐久性载荷谱,解决这些问题无论是对我国新一代飞机的研制,还是对旧型飞机使用延寿都迫在眉睫。本文在研究与总结现有载荷谱编制方法及载荷谱处理的关键技术基础上,提出了两种耐久性载荷谱的编制方法:1)对各级载荷发生频次进行概率统计,增大各级载荷发生频次,进而形成较为严重的耐久性载荷谱,即基于载荷发生频次的耐久性载荷谱编制方法; 2)将载荷谱中的高载降低为较低级载荷,削弱其对后续小载荷的迟滞效应,使得所编制的载荷谱偏严重,即基于超载迟滞效应的载荷谱编制方法。根据上述两种耐久性载荷谱的编制思想,编制了基准载荷谱和两种耐久性载荷谱,并对这两种载荷谱进行对比试验。通过试验结果证明,本文提出来的两种编制方法均可以达到预期的严重效果,满足耐久性载荷谱的编制要求。

多胞管增强泡沫铝复合结构的压缩和吸能性能研究

针对泡沫铝强度较低、吸能性能弱的问题,提出了一种有效的增强办法:将金属多胞管填充至泡沫铝中,并用环氧胶固定,制备出新型多胞管增强泡沫铝复合结构(MTRF)。通过实验和商业有限元软件ABAQUS/explicit研究了该类复合结构的压缩和吸能性能。实验结果表明:与常规泡沫铝相比,多胞管增强泡沫铝复合结构的抗压强度和单位质量吸能性能分别提升了500%和700%,显示了MTRF结构优越的承载能力和能量吸收性能。同时,实验结果验证了有限元模型的准确性。在此基础上数值研究了MTRF的增强机理,结果表明:泡沫铝为多胞管提供了强的侧向支撑,抑制了其在压缩载荷作用下横向变形,使得变形模式由低阶变形模式向高阶的变形模式转变,即表现为塑性铰数目增多,使得MTRF结构承载和吸能性能显著提高。

三维扫描测振技术在液体火箭发动机模态试验中的应用

针对传统的黏贴振动传感器的模态试验方法存在附加传感器质量影响及振型空间分辨率不高等问题,研究了利用激光测振系统和机器人平台对复杂结构进行三维扫描振动测试的方法。并以液体火箭发动机(LRE)推力室和氧化剂入口管为例,通过三维扫描测振技术对二者进行模态测试,获取了空间分辨率极高的模态振型,定量分析了传感器附加质量对管路模态测试的影响,研究结果表明三维扫描测量方法具有精度高、测试速度快、测点数量不受限制等优势。

典型无序结构芯体夹层梁的振动特性试验分析

通过悬臂梁模态试验研究了典型无序芯体(纤维毡、闭孔泡沫铝以及开孔泡沫铝)夹层结构的振动特性,并与夹层结构所对应等质量钢板进行振动特性对比分析。研究结果表明:无序芯体夹层结构相较于对应等质量钢板均有着更高的前三阶固有频率和阻尼比;等质量钢梁任一横截面上各点具有相同振动特性,而夹层结构任一横截面上各点振动特性受芯体结构影响较大。

复合材料桁架式机架设计方案

为进一步降低某上面级发动机机架结构质量,对其高强度钢的桁架式机架开展了以复合材料替代金属的设计方案研究。通过对原金属桁架式机架力学设计特性分析,在保持原结构对接参数及外形尺寸不变的情况下,提出了一种碳纤维/环氧树脂复合材料机架的设计方案,并重点对杆件结构进行详细设计及影响参数分析。首先,采用基于Matlab软件的遗传算法优化工具箱对杆件截面尺寸及纤维缠绕角度优化,然后对接头结构进行设计,并组装成复合材料整体机架,对强度、刚度及稳定性等参数分析及校核。研究结果表明:新设计复合材料机架在满足原机架基本设计要求基础上,相对于原机架实现了40%以上的减重。研究方法可为复合材料桁架结构设计研究提供借鉴。

液体火箭发动机复合材料机架初步设计研究

针对液体火箭发动机承力机架,开展复合材料机架的初步设计及探索应用研究。通过对原金属机架结构设计特点分析,提出了一种碳纤维增强复合材料机架的设计方案,并对其进行了力学性能预测及设计参数影响分析等方面研究工作;最后,采用有限元软件ANSYS的APDL语言开发了复合材料机架的计算程序,该程序基于损伤累积理论,包含结构应力分析、材料的失效判断及材料的性能退化3个主要循环过程,通过仿真手段模拟了在载荷增加过程中结构内部产生损伤,并逐渐累积直至破坏的整个过程。仿真分析结果表明:复合材料的应用可在满足原机架强度、刚度和稳定性等设计要求基础上,相对于原结构实现了50%的减重。

材料与载荷随机性影响下管路结构振动疲劳可靠性分析方法

为应对振动环境下管路结构高可靠性寿命评估问题,建立材料、载荷等底层因素随机性模型,并考虑随机性传递、综合作用,获得管路结构振动疲劳寿命可靠性分析模型。以典型材料试验结果及单自由度时域系统,证明了随机性模型的适用性及寿命模型的高效性。以液体火箭发动机典型管路结构为分析对象,评估其高可靠性寿命。分析结果表明:在试车振动载荷作用下,管路结构振动疲劳寿命符合对数正态分布,且寿命存在较大的分散性;所考虑的随机因素中,材料疲劳性能对寿命分散性的影响较大;对管路结构,在确定性寿命的基础上,应考虑至少不小于5倍的寿命缩减系数,以覆盖载荷及材料的随机性影响而获得其高可靠度振动疲劳寿命。该研究为液体火箭发动机可重复使用技术发展提供重要技术支撑。

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度.结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料:当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大(为平台应力的5-15倍),而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁.最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响.

泡沫铝填充金属波纹板耦合增强机理研究

将闭孔泡沫铝填充到空心金属波纹板孔隙当中即可获得泡沫铝填充波纹板结构,对其准静态压缩吸能特性进行实验表征。研究表明,泡沫铝填充波纹板其压缩应力远高于泡沫铝与空心波纹板二者单独压缩应力之和,表现出明显的耦合增强效应,其单位质量峰值抗压缩强度及单位质量能量吸收率(SEA)可分别高达对应空心结构的6.3及14.8倍,即使和泡沫铝相比,其SEA仍可提高50%以上。进一步通过对空心波纹芯体结构的屈曲变形模式研究表明,泡沫铝的填充给予了波纹芯体单元足够强的横向支撑,使其变形模式转变为空心结构难以产生的更加高阶的屈曲变形模式,屈曲波长变短,产生耦合增强效应。

液体火箭发动机工程研制中的结构强度研究进展

液体火箭发动机为中国天地运输系统的主动力,承担绝大部分航天器的发射任务。发动机在高压、高温、高转速、强振动等极端恶劣的条件下工作,所面临结构强度问题非常突出。发动机结构强度问题起始于方案论证阶段,贯穿于产品整个寿命周期直至发射任务完成,而发动机在结构设计、载荷与使用环境、材料、制造过程、试验及强度评估等诸多方面存在不确定性和尚未解决的深层次问题,使结构强度成为影响发动机安全性和可靠性的一项重要因素。以发动机工程研制中的结构强度为出发点,总结探讨了发动机在结构强度设计及验证过程中若干个重要方面,涵盖载荷与使用环境、安全系数、材料、试验测试、损伤检测、验证及评估等,为发动机结构强度设计体系探索及新型发动机预研提供研究思路。