毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究

在服役环境中,航空发动机叶片易受到沙尘颗粒的连续冲击作用,产生凹陷、撕裂、微裂纹等损伤,从而影响其高周疲劳性能。为保证航空发动机的结构完整性和安全可靠性,有必要深入分析沙尘颗粒连续冲击对叶片造成的影响。本文基于损伤力学理论,开展了毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究。首先,推导了损伤耦合的J-C本构模型和连续冲击损伤模型,给出了材料参数的标定方法。其次,基于ABAQUS平台,编写Vufield子程序和Python脚本,实现了连续冲击损伤的数值计算。通过将计算结果与文献中的试验数据进行对比,验证了该方法的有效性。最后,分别进行单个和多个沙粒连续冲击的数值模拟,分析了冲击变形、残余应力和冲击损伤的变化规律。单个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明,冲击凹坑深度、冲击残余应力的影响跨度及最大冲击损伤随冲击速度、沙粒尺寸和冲击次数的增大而增大。针对两种不同的随机冲击方式,多个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明,沙粒个数越多,最大冲击凹坑深度越深,冲击损伤主要发生在沙粒与叶片接触部位,冲击损伤随冲击次数变化呈阶段性突增。

基于损伤力学的含预腐蚀损伤铝合金的疲劳寿命预测

在工程结构中,腐蚀疲劳破坏是一种常见的现象,腐蚀坑处往往形成疲劳源,严重影响材料的疲劳特性。基于连续损伤力学理论,提出了含预腐蚀损伤铝合金疲劳寿命预测方法。首先,将腐蚀的影响分为2个方面,即腐蚀造成局部初始损伤和腐蚀形成的蚀坑造成局部应力集中;其次,建立了考虑预腐蚀损伤的疲劳损伤演化方程,并实现了相应的数值解法;然后,根据预腐蚀疲劳试验结果与数值计算结果,得到预腐蚀引起的材料初始损伤;最后,采用数值解法,对含预腐蚀坑的铝合金进行了寿命预估,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的有效性。

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测

增材制造(AM)技术发展迅速,广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造,而很多增材制造合金构件承受循环载荷,疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型,计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型,进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法;对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测,预测值与试验值基本吻合,并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差;讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响,并对结果进行了分析,为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。

含刮痕缺陷的7050-T7451铝合金板疲劳寿命预估

针对含刮痕缺陷的7050-T7451铝合金板的疲劳损伤问题进行了研究,通过考虑刮擦后残余应力、塑性损伤以及疲劳载荷的共同作用,预估了含刮痕铝合金板的疲劳寿命.对刮痕的产生进行非线性动力学有限元(FE)分析,得到了刮痕处的残余应力场与塑性应变场;根据塑性损伤方程,计算了在刮擦过程中刮痕处由于塑性变形产生的初始损伤场;基于多轴疲劳的损伤力学模型,建立了疲劳损伤分析的有限元数值解法,并对损伤演化方程中的材质参数进行了标定;综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤,对含刮痕的铝合金板进行了疲劳寿命预估,并与试样的疲劳试验结果进行了比较,理论估计和试验得到了相一致的疲劳寿命结果,验证了方法的可行性.本文研究为工程中含刮痕结构的疲劳寿命预估提供了一种本文方法和实用手段.

从钓鱼竿的变形看逐段分析求和法

本文从钓鱼竿的变形分析引入逐段分析求和法,进而得出逐段分析求和法的具体应用方法,即逐段刚化法或逐段软化法。然后,讨论了应用逐段分析求和法的前提条件,以及它与叠加法的本质区别。最后基于从离散到连续的逐步逼近,解释了逐段分析求和法与积分法的内在联系。启发学生在进行该部分内容的学习时,除了能够熟练掌握逐段分析求和法的具体应用外,还能够深入理解该方法的思想内涵和力学本质。

金属材料与结构冲击疲劳问题研究综述

航空、航海、枪械及石油开采等领域的一些金属结构件,常常会承受多次冲击载荷,形成冲击疲劳失效。材料与结构在冲击疲劳载荷下的失效特性往往不同于常规疲劳失效,不能沿用常规疲劳试验测试与寿命分析方法进行冲击疲劳性能测试与寿命预估。为了充分认识和了解目前关于金属材料的冲击疲劳特性,以及冲击疲劳试验测试方法和理论分析方法,本文综述了国内外关于金属材料冲击疲劳的研究进展,概述了冲击疲劳试验测试设备及方法、影响材料冲击疲劳性能的主要因素,以及金属材料冲击疲劳寿命的预估方法。

基于神经网络的撞球机器人控制器设计

对撞球机器人的母球控制问题展开研究,设计了一种基于神经网络(NN)的控制器,使机器人能够控制母球在击打目标球后按照预定的模式运动至目标点——即完成走位。针对该问题非线性且非光滑的特点,对坐标系进行阐述并给出机器人击球的模型;在光滑的假设下使用理论分析的方法建立母球的运动学模型与边库反弹的理想镜像模型;进而使用神经网络方法对理想模型进行修正,并对不同的轨迹模式进行分析与分类。测试结果表明:经过训练的机器人能够掌握各种模式的走位,统计结果与模型分析结果相吻合;相比于单一使用神经网络方法,本文使用理论分析与神经网络相结合的方法能够有效地提升网络的品质,降低训练的误差。

叠梁的变形与弯曲切应力影响的关系讨论

梁的弯曲切应力分析是材料力学中的一个重要内容,但是通过叠梁与整体梁不同弯曲变形形式的演示实验来说明梁层间存在切应力容易造成概念上的混淆。本文仍然采用材料力学方法分析了层间粘接后两层之间的相互作用,指出其本质是约束两层的拉伸与压缩变形而非约束层间剪切变形。正是这种约束作用使得横截面弯曲正应力重新分布,造成两种梁弯曲变形的明显差异。这一分析过程能够启发学生思考实验现象背后的力学本质,理解相关力学概念。

金属材料重复冲击拉伸试验方法研究

为研究航空典型金属材料的重复冲击拉伸力学性能,自主设计加工了一套重复冲击拉伸试验装置,在Instron 9350型落锤冲击试验机上实现了圆棒状TC18钛合金试件的重复冲击拉伸加载试验。试验测试得到TC18钛合金试件在不同冲击能量加载下的冲击载荷—时间历程和冲击次数。建立了冲击拉伸过程的有限元计算模型,分别采用按冲击速度加载和按冲击载荷—时间历程加载两种方式,计算了试件轴力—时间历程以及等效塑性应变—时间历程。冲击载荷—时间历程曲线的重复性,以及数值计算中锤头速度—时间历程结果表明了试验方法的可行性和适用性。两种加载方式下等效塑性应变-时间历程对比为后续进一步建立合适的重复冲击数值计算模型提供了重要参考依据。

考虑沙尘颗粒冲蚀损伤的航空叶片寿命预估

在沙漠环境下,当航空发动机叶片和直升机桨叶在高速运行时,会吸入沙尘微粒使其撞击在发动机叶片或其他部位,造成冲蚀损伤。在循环载荷的作用下,冲蚀坑处往往形成疲劳源,会对材料的疲劳特性造成很大影响。本文基于连续损伤力学理论,建立了考虑沙尘颗粒冲蚀损伤钛合金叶片的疲劳寿命预测方法。首先,基于有限元显式计算,模拟沙尘颗粒冲击钛合金叶片,分析了冲蚀坑、残余应力、残余应变以及初始塑性损伤;其次,推导了疲劳损伤模型,以及相应的损伤力学数值算法;再次,编写VUMAT子程序,采用数值解法,对含冲蚀损伤的钛合金叶片进行寿命预估,最后,深入分析了不同冲蚀情况下,钛合金叶片的疲劳损伤及疲劳寿命。计算结果表明,冲击速度越大,轴向残余应力越大,材料的损伤速率越快;冲击角度越大,冲击凹坑深度越浅,叶片的疲劳寿命越高。该研究为发动机叶片在沙尘颗粒冲蚀影响下的疲劳损伤评定提供一种可行方法。

基于CDM理论与SVM模型的2014-T6铝合金疲劳寿命预测

基于连续损伤力学(CDM)理论与支持向量机(SVM)模型,建立了一种疲劳寿命预测的新方法,旨在提高2014-T6铝合金材料疲劳寿命预测的准确性。首先,通过采用连续损伤力学模型及基于ABAQUS的UMAT子程序的二次开发,建立了一种用于预测2014-T6铝合金疲劳寿命的损伤力学有限元数值实现方法,并提出了基于粒子群算法的材料参数的标定方法。然后,为了进一步优化预测结果,利用支持向量机模型对基于损伤力学的疲劳寿命预测结果的误差进行训练,从而修正数值预测结果。通过将损伤力学有限元的预测结果、支持向量机模型修正后的预测结果与实验结果进行对比,发现采用支持向量机模型修正后的预测结果的精度较高,验证了所提方法的适用性,为2014-T6铝合金疲劳寿命预测提供了一个有效的解决方案,有望在实际工程应用中发挥重要作用。

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象,采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测,考虑到其疲劳试验数据有限,采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据,以弥补试验数据的不足.首先,提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型,其次,建立了理论模型的数值实现方法,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了所提方法的可靠性.然后,开展数据驱动模型的训练与预测,采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命,最后,深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律,研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.

材料重复冲击损伤模型与数值计算方法研究

基于连续介质损伤力学,将有效应力概念和应变等效假设应用于Johnson-Cook本构模型中,建立了重复冲击载荷作用下材料力学性能退化的损伤模型,以及考虑材料性能退化对冲击应力应变响应影响的数值计算方法。首先,推导了基于损伤耦合J-C本构模型的应力应变数值计算关系式,并在ABAQUS中进行二次开发,采用两种方法实现了考虑损伤影响的应力应变数值计算。进一步,建立了试件在重复冲击下损伤累积的计算方法,并采用所建方法对含缺口三点弯试件的重复冲击损伤进行了数值计算,研究了缺口根部应力应变及损伤度,并对试件整体损伤规律进行了分析。进一步开展了缺口三点弯试件的重复冲击试验,通过计算结果与试验结果的对比验证了建立的数值计算方法的可行性和适用性。与无损伤耦合模型计算结果相比,损伤耦合模型更能合理反映出缺口根部材料的力学性能退化过程以及损伤累积与冲击响应之间的相互影响。

基于振动响应特性的结构随机振动损伤分析

针对某航天器结构的随机振动疲劳损伤问题进行了研究。采用ANSYS软件建立了某航天器结构的有限元模型,并模拟振动台试验条件对其进行了多点激励随机振动响应分析;然后,根据振动响应结果得到结构敏感频率;并在现有样本法的基础上进一步考虑了振动敏感频率和平均应力对疲劳损伤的影响。具体通过在敏感频率附近密集采样而在远离敏感频率范围内稀疏采样的方式得到时域载荷谱;进而采用雨流法得到有效载荷谱,并结合Miner线性累积损伤理论和Soderberg方程估算了结构的疲劳损伤。最后将该方法计算的结果与Steinberg三区间法和现有样本法所得结果进行了对比,结果表明采用本文改进的样本法在少量取样情况下的损伤计算结果就能与三区间法基本一致,从而验证了该方法的适用性。相比较现有样本法,该方法既大大减少了工作量又提高了计算精度。

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学—有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。

考虑孔洞影响的铸造镁合金ZM6疲劳寿命预估方法

铸造镁合金ZM6是一种应用于直升机减速器机匣制造的典型材料.然而,在铸造过程中产生的内部缺陷对材料的疲劳性能有显著影响.论文研究了含内部孔洞缺陷ZM6材料的疲劳损伤模型和寿命预估方法.首先,采用X射线断层扫描技术,对三个批次毛坯料制成的试验件进行扫描观察,获得了试验件内部孔洞的分布特征.进而,对48件试验件进行了两种应力比下多级应力水平的疲劳试验,获得了各批次试验件寿命结果,并通过观察与分析,得出了孔隙率和近表面较大孔洞为影响试验件疲劳寿命的两个关键因素.然后,基于损伤力学理论提出了通过材料初始弹性模量和等效孔洞局部应力应变场来分别反映孔隙率和近表面较大孔洞影响的疲劳损伤模型和寿命计算方法,并结合ABAQUS软件平台实现了含孔洞试验件的疲劳损伤计算和寿命计算.最后,采用所提理论模型和计算方法给出了试验件的疲劳寿命预测结果,并与试验结果进行了不同维度的对比,验证了所提模型与方法的有效性和适用性.

“一访二问三解”做好年终“大扫除”

2013年12月份以来，江西瑞金市以正在开展的“送政策、送温暖、送服务”党员干部直接联系服务群众上作为抓手，以各党组织为单位，组织全市5000余名党员干部深入群众，