基于Franc3D的典型整体结构三维裂纹扩展分析

整体结构取消连接件与紧固件,将分段机械连接结构变为一体化结构,是飞机结构实现轻量化和长寿命的重要技术途径。由于缺乏整体结构裂纹扩展规律研究和损伤容限设计方法,整体结构应用受到较大限制。针对该问题,基于Franc3D软件对典型整体结构件开展裂纹扩展规律研究,分别研究不同应力水平下裂纹扩展特征与低应力水平下典型整体结构裂纹扩展规律。研究结果表明,应力大小对裂纹扩展寿命影响显著,控制应力水平是确保结构寿命安全的重要手段;在低应力水平下,整体结构裂纹扩展可以分为3个阶段,第1阶段为缓慢扩展阶段,占全寿命周期的94.85%,裂纹穿过十字交叉区出现2次分叉现象。

基于Cosserat理论的广义协调元法

首次将广义协调元理论与Cosserat理论相结合,构造了一个基于Cosserat理论的平面四节点广义协调等参元。依据常应力与线性应力下的广义协调条件,推导了广义协调位移,进而得到有限元列式。利用广义协调元,一方面克服了协调元过于刚硬的缺点,另一方面消除了非协调元不一定收敛的弱点。分析了带有圆孔的应力集中问题,可以看出,该单元的数值精度准确和计算效率高。

轴压载荷下蒙皮参数对复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行为的影响

飞机中有大量加筋壁板结构,利用复合材料取代传统金属材料制造加筋壁板结构可减轻重量,提升性能。为研究轴压载荷下不同蒙皮参数对复合材料加筋壁板结构的屈曲与后屈曲行为的影响,通过ABAQUS建立了有限元模型。首先采用特征值法进行屈曲分析,然后采用ABAQUS中动力显式(dynamic explicit)建立模型模拟,最后进行轴压试验验证。结果表明:有限元仿真值与试验值相差不大,即该模型求解方法可以准确预测其后屈曲载荷;蒙皮参数的不同使得加筋壁板结构的屈曲模态发生改变,并且对后屈曲行为有明显影响,显著改变了加强筋结构的承载能力。研究结果对优化复合材料加筋壁板的承载能力与提高飞机结构设计效率具有重大意义。

Mindlin理论的八节点等参元

按照传统有限元方法,以位移为基本未知量,将经典弹性力学理论中的八节点等参元推广到考虑偶应力的情况,分析了考虑偶应力的小孔应力集中问题,算例表明该单元计算精度好,能够得到比较理想的数值结果。

4D打印技术在航空飞行器研制中的应用潜力

4D打印技术是最近一段时间快速发展的新兴增材制造技术,对飞机等航空航天装备的结构智能化发展具有重大前瞻性意义。本文论述了战斗机的发展及对多功能结构的需求,阐述了4D打印在实现飞机功能融合方面的重要作用;探讨了4D打印的定义、专用材料、工艺装备及结构构型特征;讨论了4D打印在航空飞行器智能变体结构、新一代热防护及新型隐身技术方面的应用潜力;给出了4D打印的技术成熟度提升、关键技术突破及学科融合方面的发展建议。

微桁架点阵结构在飞机结构/功能一体化中的应用

近几年,点阵结构技术随着3D打印等新兴制造技术的发展而快速发展,在结构功能一体化技术应用中表现出巨大潜力。它可作为多功能化的优良设计载体,实现承载、防热、隐身、变体等各项功能的有机融合。但一些关键技术尚待突破,到目前为止尚未见增材制造点阵结构在飞机上大规模应用。结合飞机结构/功能一体化需求,对点阵结构的制造工艺、性能特点和典型应用进行了综述,并从结构设计、制造工艺、性能评价等方面对制约点阵结构工程应用的原因进行了分析讨论。

拓扑优化在飞机舱门摇臂结构设计中的应用

针对采用经典的"缘条-腹板-筋条"板杆结构形式的某型飞机舱门摇臂结构在耳片连接区应力水平较低、存在较大减重设计空间的问题,对舱门摇臂结构进行拓扑优化设计,在满足等刚度设计约束条件下,以质量最小为优化目标,实现摇臂结构构型创新设计。优化结果表明:与原舱门摇臂结构相比,拓扑优化后的新型摇臂结构质量减小19. 5%,减重效果显著。

基于遗传算法的飞机机翼结构拓扑优化设计方法

为了降低飞机机翼结构的位移变化幅度,合理优化飞机机翼结构,开展基于遗传算法的飞机机翼结构拓扑优化设计方法研究,通过飞机机翼编码矩阵、检查拓扑结构外形、设计飞机机翼拓扑结构标准化约束条件、转换飞机机翼结构适应值,完成优化设计。通过对比实验证明,设计方法在应用到实际飞机机翼结构优化中时,能够实现对其结构的合理设计,提高机翼的承载能力,进一步实现对结构总重的降低,为飞机飞行安全提供保障。

分区扫描对激光沉积成形钛合金T型接头温度场与应力场的影响

从分区扫描可以有效降低激光沉积成形大尺寸结构残余应力的工程经验出发,采用热弹塑性有限元理论,建立可以模拟成形过程温度场与应力场的有限元模型,研究不同分区扫描方式对激光沉积成形钛合金T型接头温度/应力演变过程、监测点热循环曲线以及残余应力的影响。结果表明:热应力与残余应力最大值均出现在T型接头上缘条与基板接触的4个外角点上,与分区扫描方式无关;分区扫描对T型接头外角点与短边外面中点影响较小,对于内部节点、内角点与长边外面中点的热循环曲线及热应力曲线有一定的影响;分区扫描对残余应力分布影响较大,尤其是对沿指定截面残余应力分布规律与最大残余应力幅值有显著的影响。

基于正交试验的TC4钛合金激光成形连接工艺参数优化

为减少TC4钛合金激光成形连接件连接区缺陷,提高连接件连接质量,采用正交试验法对TC4钛合金激光成形连接工艺参数进行优化,以抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和内部缺陷等为综合评定指标,根据数理统计原理分析各工艺参数对连接质量的影响程度,为后续成形连接试验件力学性能研究提供近优工艺参数。优化结果表明,线能量密度0.5W·min/mm^2、坡口角度70°、扫描路径+60°～–30°为近优工艺参数,且各参数中线能量密度对连接试验件的拉伸性能影响显著。利用优化后的工艺参数进行试验,可获得满足国家标准的连接件,研究表明该方法可为合理选择成形连接工艺参数和保证连接质量提供参考依据。

TC4激光选区熔化/同轴送粉成形连接的力学性能研究

对TC4选区熔化/同轴送粉成形连接件的拉伸性能和疲劳性能进行研究。通过对比不同线能量密度参数下拉伸试验数据,得到线能量密度对TC4成形连接件拉伸性能的影响规律。通过对比相同应力水平下成形连接件与母材的中值疲劳寿命和疲劳极限,获得成形连接件相对母材疲劳特性的衰减程度。采用当量Kt法对成形连接件的疲劳性能进行表征,得到成形连接件的当量应力集中系数Kte。通过对比TC4成形连接件与TA154种焊接工艺的(Kte)50,发现较焊接工艺成形连接工艺,具有更优的疲劳特性。

基于TA15电弧熔丝制件的激光沉积连接力学性能研究

对TA15电弧熔丝制件的激光沉积连接件的拉伸性能和疲劳性能进行研究。通过对比不同线能量密度参数下拉伸试验数据,获得该工艺组合下成形连接的近优工艺参数激光功率1200 W、扫描速度800 mm/s、光斑直径3 mm。优参下进行增材激光沉积连接,获得连接接头的拉伸性能抗拉强度933 MPa、屈服强度861.7 MPa、断后伸长率5.5%,疲劳极限482 MPa。同时,根据连接件性能数据、断口位置,分析连接工艺、热处理制度等对连接接头性能的影响规律,获得异质材料连接接头的断后伸长率无法真实反应其塑性等结论。以上研究成果为未来依靠集成增材制造技术,实现飞机大型整体结构制备奠定了研究基础。

面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展

结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的,在符合结构材料力学特性的前提下,实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂,传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造,极大地拓宽了设计空间。综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展,从优化拓扑算法的角度,归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施;从金属增材制造约束的角度,总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法,并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。