薄层UHPC中MCL形组合榫连接件力学性能研究

抗剪连接件正常使用阶段的力学性能是影响钢-混组合梁桥结构变形的关键因素。针对薄层超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)及改进螺旋线(Modified Clothoide,MCL)形组合榫连接件组合形式中组合榫连接件力学性能研究不足的问题,研究UHPC对MCL形组合榫连接件抗剪刚度的影响,探索适用于薄层UHPC中MCL形组合榫连接件的抗剪刚度计算方法。设计并开展薄层普通混凝土(Normal Concrete,NC)以及薄层UHPC中的MCL形组合榫连接件推出试验;建立精细化的ABAQUS有限元数值模型,并通过试件试验结果验证所建立的有限元数值模型的适用性和有效性;基于推出试验数据及有限元数值模拟结果,采用组合榫三弹簧刚度模型,推导出薄层UHPC中MCL形组合榫连接件的抗剪刚度计算公式。研究结果表明:1)UHPC试件中的组合榫连接件抗剪刚度较NC试件有大幅提高;2)MCL形钢榫厚度的增加将使组合榫连接件抗剪刚度显著增大;3)提出的抗剪刚度计算公式能够准确计算薄层UHPC中MCL形组合榫连接件的抗剪刚度。研究成果可为带有MCL形组合榫连接件的UHPC组合结构的推广和应用提供理论支持。

榫连接结构微动疲劳寿命不确定性分析

针对榫连接结构微动疲劳寿命不确定性计算问题,发展了改进蒙特卡洛抽样方法,其采用贝塔分布抽样和双峰正态分布抽样方法对变量进行抽样,然后基于重要抽样方法的思想推导得到对应变量分布特征的失效概率,并建立了相应的失效概率评估流程。结合非线性功能函数研究了分布参数、缩放参数和平移参数对改进蒙特卡洛抽样方法失效概率评估性能的影响。结果表明:贝塔分布抽样能有效平衡中心区域和边缘区域样本的分布,但缩放参数过小会导致样本只能落入部分失效区域,影响失效概率评估;平移参数过小会使双峰正态分布抽样趋于简单随机抽样,过大则会导致落在概率密度较大的失效区域的样本量减少,存在最优值。相同收敛准则下双峰正态分布抽样次数比简单随机抽样小一个数量级,且优于贝塔分布抽样。基于双峰正态分布抽样,对风扇叶片榫头微动疲劳寿命进行105次蒙特卡洛模拟仿真,计算得到其失效概率为0.0464%,全局灵敏度指标分析表明拉伸压强对榫连接结构微动疲劳寿命失效概率影响最为显著。

高含水率木材指榫连接后主要力学性能初探

将新采伐(均在纤维饱和点以上)的马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、香樟(Cinnamomum camphora)指榫连接,气干后进行指榫连接处静曲强度、弹性模量、顺纹抗压强度试验,以对应的对照材为参照,探索指榫连接处的有效率。结果表明,3种高含水率木材指榫连接后,指榫连接处会较大幅度降低静曲强度,而同种木材,水平型静曲强度略大于垂直型;指榫连接处静曲强度有效率由高至低依次为:马尾松、杉木、香樟,弹性模量有效率均不<86%;在一定密度范围内,木材的密度越大,指榫连接处顺纹抗压强度有效率越高。

涡轮叶片榫连接结构接触变形测量方法研究

航空发动机涡轮叶片与涡轮盘的连接往往采用枞树形榫头、榫槽的连接形式,其接触面的失效以微动磨损疲劳破坏的形式出现,它与榫齿工作面的接触应力及工作面之间的滑动参数有关。本方法利用光弹性模型的形变记忆功能及云纹干涉法测量了接触面的位移场,为分析接触应力及滑动参数提供了更接近实际情况的数据;解决了带滑动的接触应力的测量方法,结合数值计算将大大推动众多工程接触问题的研究。

榫连接结构叶片盘振动特性研究及验证

针对航空发动机榫连接结构叶片盘振动特性分析时,采用一体化处理建模方法导致计算精度降低的问题,开展了榫连接结构叶片盘振动特性研究。提出了一种考虑榫连接刚度的叶片盘建模方法,以燃气涡轮叶片盘对象,采用上述方法完成了考虑榫连接刚度的燃气涡轮叶片盘建模,在此基础上进行了叶片盘振动分析并开展了动应力试验验证。结果表明:采用考虑榫连接刚度的叶片盘模型得到的叶片共振转速计算精度在6%以内,相比于榫连接结构一体化的叶片盘模型,得到的共振转速计算精度提高50%。研究工作可为航空发动机叶片盘振动设计提供指导。

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例,提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论,疲劳损伤参数由等效应力参数(ESP)表征,微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析(FEA)和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则,提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法,建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系,依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°,裂纹生长方向预测值与实验值相符;微动疲劳全寿命(成核寿命+扩展寿命)预测值在实验值的2倍分散带内;最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著,在相同应力比下,最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN,钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。

燕尾榫连接结构ANSYS工作平台开发

为简化榫连接结构接触分析操作过程,运用ANSYS2次开发语言UIDL、VC++的MFC框架结构,开发了燕尾形榫连接结构的工作平台。该平台实现了圆弧形和圆柱形榫结构的参数化、接触分析、校验分析等功能,缩短了工程人员在分析过程中的时间消耗,适用所有同类型不同尺寸的榫结构的分析。

涡轮榫连接结构抗微动疲劳损伤优化设计

为了提高涡轮榫连接结构的微动疲劳寿命,以涡轮榫连接结构上齿模拟件为研究对象,建立了其参数化有限元模型,并对结构的特征参数开展了灵敏度分析,确定了对微动疲劳寿命影响最大的5个参数为设计参数。基于多学科优化平台ISIGHT集成ANSYS和MATLAB,实现了优化过程的自动化。分别采用序列二次规划算法和多岛遗传算法,在满足几何约束和强度约束的条件下,完成了榫连接结构抗微动疲劳损伤优化设计,并进行了试验验证。优化结果表明,两种优化算法均能有效地延长榫连接结构微动疲劳寿命,且序列二次规划算法可以较少的迭代次数得到较好的优化结果。

涡轮枞树型榫连接先进设计方法概述

枞树型榫连接是一种涡轮常用的盘-叶连接方法,其设计水平的高低一定程度上决定了涡轮部件的寿命多寡。随着航空发动机的发展,推重比提高的要求,涡轮前温度、涡轮转速不断上升,转子重量不断下降,榫连接工作环境愈发恶劣。因此设计出轻而可靠的榫连接就成了达成以上目标的关键。文章将列举数种先进涡轮榫连接设计方法,以期为后来设计者做参考。

榫连接结构微动疲劳模拟件设计及试验

提出了基于损伤控制参量一致的榫连接结构微动疲劳模拟件设计方法。在几何相似的基础上,保证最大相对滑移距离与临界距离内等效应力分布的一致性,确定模拟件的二维结构尺寸;在此基础上,以临界裂纹长度内应力强度因子一致为目标,优化分析确定模拟件的三维结构尺寸;开展了某型发动机涡轮榫连接结构模拟件的微动疲劳试验,试验观测到裂纹萌生于接触面边缘,裂纹初期扩展方向垂直于接触面,断裂时的裂纹长度与仿真结果相比误差小于5%,由此验证模拟件设计方法的合理性。

几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响:仿真

基于涡轮榫连接结构高低周疲劳试验结果,确定微动疲劳损伤控制参量并建立寿命预测模型。建立涡轮榫连接结构的参数化模型,开展有限元计算,结合试验数据分析了等效应力、接触压力、摩擦力、滑移量等多种损伤参量与微动疲劳寿命的相关性,发现综合考虑疲劳和磨损的FFD(fretting fatigue damage)参量与寿命的相关性最高,相关系数达97%。基于幂函数形式拟合了FFD参量与微动疲劳寿命的关系式,榫连接结构的微动疲劳寿命预测误差在1.5倍分散带内。开展了FFD参数对几何参数的敏感性分析,从数值仿真角度获取不同几何参数对微动疲劳寿命的影响规律:微动疲劳寿命对压力角最敏感,且呈现负相关性。

几何参数对涡轮榫连接微动疲劳寿命的影响:试验

针对涡轮榫连接结构微动疲劳行为及损伤表征开展了试验研究。设计了具有不同压力角、齿形角和齿距的7种榫连接结构,在高低周载荷下开展了疲劳试验,所有构型的榫头第2齿发生微动疲劳失效,并根据试验结果总结了榫连接结构几何参数对微动疲劳的影响规律:随着压力角、齿距的增大,微动疲劳寿命逐步降低;而随着齿形角增大,微动疲劳寿命先基本不变,后大幅增加。试验结果为揭示高低周复合疲劳载荷下的榫连接结构失效机理提供了重要依据,为榫连接结构微动疲劳损伤控制参量选取和模型验证提供了数据支撑。

基于临界面法的燕尾榫连接结构微动疲劳寿命预测

以航空发动机叶片/轮盘之间的燕尾榫连接结构为研究对象,分析了燕尾榫连接结构接触应力与应变的变化.根据多轴疲劳临界损伤平面原理,在燕尾榫连接结构的微动疲劳寿命预测研究中引入多轴临界平面法的疲劳损伤参数CCB(Chu-Conle-Bonnen),FS(Fatemi-Socie),MSSR(modified shear stress rang)和SWT(Smith-Watson-Topper).将预测寿命与试验寿命进行对比,结果表明:在预测微动疲劳寿命时,4个参数中寿命预测的最大误差为23%,可较好地预测低周微动疲劳寿命.其中基于临界平面法的SWT参数预测误差最小,为1.23%;4个参数均预测裂纹萌生位置在接触区末端,与试验结果一致.在预测裂纹萌生角度上,FS,MSSR,SWT参数预测结果与试验较一致,CCB参数预测结果与试验结果相差较大.说明基于临界平面法的寿命预测模型具有较好的预测能力.

榫连接结构微动疲劳寿命研究

根据航空发动机叶片和轮盘的榫连接结构接触区域的几何特性,对其微动疲劳接触问题进行了简化.通过有限元方法对简化模型进行数值计算分析,获取相应的应力、应变和位移.将临界平面法和微动损伤机理相结合,提出了一个微动损伤参量,并建立相应的微动疲劳寿命预测模型.将TC11试验件和榫连接构件的微动疲劳试验寿命与预测寿命进行比较分析.结果表明:所建立的微动疲劳寿命模型其预测结果误差分散带均在2倍因子以内.

基于坐标关联法的榫连接结构优化设计

为解决结构优化设计过程中由于几何尺寸干涉而导致的优化过程中断问题,提出并建立一种适于优化设计的结构建模方法——坐标关联法.将该方法应用于航空发动机榫连接结构的优化设计,整个优化过程顺畅,连续完成几何建模790次,未出现由于几何尺寸改变而发生的结构模型无法生成的问题.优化设计结果表明:优化前后的榫连接结构形状虽然变化不大,但最大应力点——榫槽喉部最大应力降幅达19.1%,应力水平降低明显,且结构造型符合工程要求.

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。

钢法兰-榫式连接的装配式RC柱抗震性能试验研究

结合干式连接和湿式连接的优点提出了一种用于装配式钢筋混凝土柱(reinforced concrete,RC)的钢法兰-榫式连接,采用试验方法研究了该类连接的装配式RC柱的抗震性能。设计并制作了1个现浇柱试件和3个钢法兰-榫式连接的装配式柱试件,开展了试件的拟静力试验,研究了各试件的破坏过程及破坏形态,分析了钢法兰-榫式连接方式、钢法兰的钢腹板厚度及混凝土榫头箍筋配筋参数对试件破坏模式、滞回耗能性能、变形能力和关键点处应变的影响。试验结果表明,3个装配式试件的延性系数均大于4.0,变形能力和现浇试件相当,等效黏滞阻尼比均在0.2左右,表现出良好的延性及耗能性能;现浇试件XJ-1与装配式试件ZJ-1以柱底压弯破坏为主,装配式试件ZJ-2和ZJ-3分别发生腹板压弯破坏和榫头剪切破坏,试件ZJ-2的耗能能力较弱而试件ZJ-3的延性较差;腹板的厚度减小会降低钢节点的承载能力并导致腹板和上、下端板的应变增大,混凝土榫头箍筋配筋的减少导致榫头纵筋应变显著增加;装配式柱的柱纵筋的应变与现浇柱相当,表明钢节点能够有效传递纵筋应力。试验结果可为此类连接的装配式RC柱的设计提供参考。

榫式连接拼装RC柱轴压性能数值分析

利用ABAQUS有限元软件对轴压荷载作用下榫式连接拼装RC柱进行非线性有限元模拟,并进行试验验证。利用验证的有限元模型研究不同上柱段榫柱宽度及锥形界面倾角的拼装RC柱轴压性能,分析拼装RC柱的荷载-变形关系、荷载-应变关系、不同部件的内力分配、界面接触应力和轴压承载力,研究上柱段榫柱宽度及锥形界面倾角对其受力性能的影响。研究结果表明:上柱段锥形界面中越靠近根部,其接触应力越大,上柱段榫柱侧面的接触应力接近于0 MN,锥形界面的接触应力随倾角增大而减小;在峰值荷载时,各部件共同提供轴压承载力;超过拼装RC柱的轴压承载力主要由榫柱混凝土与纵筋承担,后浇段混凝土承担的轴压承载力迅速降低;在其他参数不变的情况下,拼装RC柱轴压承载力随上柱段榫柱宽度增大近似呈线性增大;当上柱段锥形界面倾角小于30°时,倾角对拼装RC柱后浇段纵筋的应变发展和轴压承载力的影响较小,同一横截面上纵筋的应变发展协调;当上柱段锥形界面倾角大于30°时,拼装RC柱轴压承载力随倾角增大近似呈线性减小,榫柱纵筋与后浇段纵筋的应变发展差异增大;根据有限元和理论分析结果得出拼装RC柱的轴压承载力公式,计算结果与有限元结果吻合较好。

航空榫连结构接触有限元分析及影响因素探究

本文采用有限元法对赫兹接触问题进行分析,有限元解与赫兹理论解基本吻合,进而探究网格尺寸对接触应力精度的影响。结果表明,要得到可靠的赫兹接触应力,网格尺寸与接触半宽之比(d/a)应在0.5以下,同时确定了有限元法求解接触问题的流程及重点。并以某航空发动机压气机燕尾榫连接结构为例,通过有限元方法对模型进行数值计算分析,结果表明接触区域边缘存在较高的应力梯度,网格的尺寸对接触应力的有限元解影响显著。通过建立不同疏密程度的网格模型,提高接触应力有限元解的精度,确定了接触面危险失效区域,并对接触应力的影响因素进一步分析。

基于VC++的燕尾形榫参数化程序设计

基于VC++框架结构,运用OpenGL编程工具,实现燕尾形榫头榫槽的基本轮廓图形的参数化设计,为燕尾形榫的各类分析提供平台。