Temperature-dependence of acoustic fatigue life for thermal protection structures

Acoustic fatigue life evaluation is essential for thermal protection struc- tures due to the severe thermo-acoustic load in service. A study on temperature- dependence of acoustic fatigue life for a C/SiC panel is presented in this paper. Effects of temperature on both the structural responses and the S-N curves are investigated. The Dirlik method is adopted to predict the fatigue life of a C/SiC panel at three different temperatures respectively. Significant differences are ob- served from the results of numerical simulations between the fatigue lives of the panel in the three cases. The temperature-dependence of acoustic fatigue life of a C/SiC panel is verified, and fatigue test of the material needs to be more atten- tively performed.

热声载荷下C/SiC薄壁层合板结构动力学响应计算与寿命分析

高超音速飞行器薄壁结构在工作环境下承受着复杂的高温强噪声载荷,高温会使材料性能发生变化,导致局部区域出现热声疲劳破坏,影响结构的耐久性和完整性。针对此类问题,基于薄壁结构大挠度非线性振动理论,构建热声载荷下四边固支C/SiC薄壁层合板结构的数值仿真模型,并对其进行了动力学响应计算,研究了不同热声载荷组合下的振动响应规律,并采用线性累计损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明,热声载荷对碳/碳化硅薄壁层合板的非线性响应影响不同,热载荷通过改变结构基频来影响结构非线性响应。四边固支C/SiC薄壁层合板在热声载荷作用下表现出非线性随机振动特性,并且呈现在平衡位置随机振动、随机跳变等多种运动状态,跳变运动给结构造成更大的的损伤更大。

C/SiC材料疲劳试验加载频率的数值研究

材料S-N曲线和结构动应力响应是声疲劳寿命评估的两个要素,而热结构材料C/SiC的S-N曲线具有强的频率依赖性。为得到典型C/SiC材料热结构声疲劳寿命评估可用的S-N曲线,分析了随机信号的水平穿越问题,导出随机信号的正斜率穿越率计算公式。论证了随机信号的正斜率零穿越率表征了信号的统计平均频率,且可直接由功率谱密度函数计算得到。对一C/SiC加筋壁板在声压载荷下的随机动响应进行数值仿真,在声载荷下壁板3个典型部位动应力响应的平均频率的最大值为532Hz,数值算例验证了正斜率零穿越率与随机信号在单位时间内的循环次数近似相等。因此在对该结构寿命评估前,测定材料S-N曲线应使试验加载频率尽可能接近532Hz。

一种典型C/SiC构型件的热噪声适应性试验研究

航天器结构用新型C/SiC复合材料在飞行过程中会承受气动加热和噪声复合环境,容易出现疲劳破坏,需要进行地面热噪声试验考核。针对一种典型的C/SiC蒙皮骨架构型件,利用行波管开展热噪声试验研究,对试验件、试验装置和试验方法等进行介绍。利用试验获得的有效数据揭示热噪声复合环境下该C/SiC构型件的失效模式,验证其热噪声环境适应性。

热声载荷下C/SiC层合薄板动态响应分析及寿命预测

鉴于处在热声载荷下的薄壁结构工作条件恶劣,极易发生屈曲和声疲劳从而影响构件的稳定性和使用寿命。以四边固支C/Si C复合材料层合板结构为研究对象,运用有限元方法计算结构在不同温度和声压级组合下的振动响应,分析屈曲前后响应特性并总结了典型的非线性振动响应特性;基于复合材料层合板高比强和特殊的结构疲劳损伤机理特点,运用改进的雨流法统计了层合板在超高温度强噪声工况下的应力响应,结合材料对称循环疲劳性能试验所得数据拟合地考虑平均应力影响的等效寿命公式和Palmgren-Miner线性累积损伤准则估算层合板的疲劳寿命。

基于红外和声发射的复合材料疲劳损伤实时监测

采用红外热像和声发射技术,实时同步监测2D C/SiC复合材料带孔板的拉-拉疲劳损伤过程,并利用疲劳过程中模量的变化、声发射信号和试样表面温度变化,讨论了带孔板疲劳损伤演变情况。结果表明:当外加应力低于疲劳极限时,疲劳损伤在循环初始阶段产生,损伤随循环数增加逐渐增大,最后趋于稳定;当外加应力超过疲劳极限时,疲劳损伤在短时间内迅速产生,直至试样断裂。声发射信号和温度变化与模量变化吻合较好,表明可以采用这些无损检测手段实时同步监测这种结构材料的疲劳损伤过程。

变温条件下热结构的声疲劳寿命评估

为提高C/Si C热结构在热-声载荷下的疲劳寿命评估精度,分析了热结构声疲劳寿命的温度依赖性。基于频域疲劳评估方法,从温度变化改变结构动应力响应和温度与材料S-N曲线的对应关系两个方面,分析了变温条件下的结构声疲劳寿命评估。对C/Si C热防护壁板进行的数值仿真研究发现,随着温度的升高,加筋板结构的刚度降低,动应力响应峰值在整体上呈现左移且上移的趋势;在3个典型温度水平1100℃、1300℃和1500℃下,热防护材料C/Si C的疲劳性能随着温度的升高而降低。热-声两方面因素的共同作用,使得C/Si C加筋壁板在1300℃时危险点的寿命降为1100℃时的7.1%,而1500℃时声疲劳寿命降低到1300℃时的3.9%。计及和不计及温度变化的过程,在4000 s内的疲劳损伤的计算结果相差约102倍。