論文摘要

論文名稱：2219鋁合金復雜薄壁構件應力松弛時效成形機理與應用研究

論文作者：中南大學/楊有良

指導教師：湛利華《研究領域：輕質高強材料/構件形性一體化制造理論與關鍵技術》

2219鋁合金箱底瓜瓣是火箭推進劑貯箱結構中的關鍵承力構件，具有壁厚薄、剛度弱和變曲率等特征，屬于典型的復雜薄壁構件。我國計劃研制的重型火箭貯箱瓜瓣直徑達10m級，是現役長征五號的兩倍，其制造面臨的主要困難是尺度超大型化帶來的成形精度低和力學性能不均勻。應力松弛時效成形是利用高強鋁合金的應力松弛和時效強化特性，為制備高精度高性能大型薄壁構件而發展起來的一種先進成形工藝。本文針對重型火箭2219鋁合金超大直徑貯箱瓜瓣面臨的制造難題，提出了基于局部滾彎預成形的應力松弛時效成形新工藝，重點圍繞薄壁構件應力松弛時效成形過程中“復雜時變應力條件下的形性精確預測”這一關鍵問題，開展了系統的理論與應用研究：

（1）研究了復雜應力條件下2219鋁合金應力松弛時效行為，揭示了應力水平和應力狀態對合金應力松弛和組織性能的影響規律及機理。隨著應力水平增加，剩余應力反而更小，應力松弛曲線之間出現獨特的交叉特征；相對拉應力，壓應力松弛量更小，其差異主要來源于前期變速松弛階段；拉應力松弛時效后屈服強度隨應力水平而增加，但壓應力下屈服強度基本保持不變。

（2）建立了考慮復雜應力的2219鋁合金應力松弛時效宏微觀本構模型，實現了應力松弛、屈服強度和微觀組織的精確預測，開發了本構模型用戶子程序CRPLAW，并嵌入到試樣單軸拉伸和壓縮有限元模型中，準確模擬了試樣的變形和強化行為，為后續貯箱瓜瓣構件應力松弛時效成形有限元仿真奠定了良好而可靠的基礎。

（3）開展了直徑10m級貯箱瓜瓣滾彎-應力松弛時效復合成形有限元仿真，分析了瓜瓣成形過程中的應力應變、屈服強度和厚度演變規律，設計并制造了考慮回彈補償的大型成形模具，進行了超大直徑瓜瓣復合成形工程化試制，成功研制出目前世界上最大的單體貯箱箱底瓜瓣。

研究成果為我國重型運載火箭10米級貯箱原理樣件的研制奠定了堅實基礎，形成的復雜薄壁構件形性協同制造關鍵技術在航空航天、武器裝備及軌道交通中具有廣泛應用前景。

論文名稱：高精度硅微陀螺確定性誤差抑制與消除關鍵技術

論文作者：中國航空研究院/王玉朝

指導教師：滕霖《研究領域：主要從事航空宇航制造工程、超精密加工方面的研究》

硅微陀螺的精度受限于其本身存在的各種誤差，本文重點圍繞起決定作用的確定性誤差，通過圓片級真空封裝、剛度非線性抑制和消除、閉環控制、誤差補償等關鍵技術研究，從原理上彌補了確定性誤差導致的硅微陀螺精度損失，實現了零偏穩定性達5.12°/h的高精度硅微陀螺。論文的主要研究工作和創新點如下：

1）提出了針對高品質因數測量的鎖相放大器1ω靜電激勵/微弱電流2ω諧波檢測同步消除電氣串擾的時延常數法，使品質因數測量重復性由10%提高到0.5%；基于品質因數精密測量，通過圓片級陽極鍵合微細加工工藝和差動結構優化設計，降低了陀螺芯片的氣體阻尼和錨點阻尼，使硅微陀螺品質因數持續提升到27萬以上。

2）通過桁架結構優化設計，實現了剛度非線性的抑制，將剛度非線性系數從6.3×1010Hz/m2降低為1.07×1010Hz/m2；建立了基于PLL和AGC的剛度非線性驅動模態控制架構和基于平均化方法、近似線性化方法和多參數根軌跡法的控制架構綜合設計方法，使陀螺的常溫頻率穩定性優于4ppm，幅值穩定性優于200ppm，首次從理論和試驗兩個角度證明了非線性微諧振器超臨界振幅振蕩的可行性。

3）采用正交誤差直流反饋控制技術，將機械正交誤差全溫穩定性從2500°/h降低到80°/h；提出了針對檢測模態非線性的Sigma Delta閉環和解調后閉環兩種檢測模態閉環控制技術，使硅微陀螺零偏穩定性由30°/h提升至優于10°/h；提出了基于檢測模態閉環硅微陀螺環外AM激勵/差頻檢測+PI控制的自動模態匹配控制方法，并通過數值算法驗證了該方法的有效性。

4）采用多種后端軟補償方法高性價比地提升了硅微陀螺的使用精度：通過刻度系數分段插值補償將常溫刻度系數非線性從大于4000ppm，提升到小于500ppm；通過一階線性補償，將全溫零位漂移降低為原來的24%；通過多項式混合補償，將零偏穩定性、零偏重復性、全溫刻度系數非線性和刻度系數溫度系數分別從未補償的48.7°/h、26.0°/h、7777ppm、232ppm/℃提升到補償后的5.12°/h、9.08°/h、896ppm、10ppm/℃。

5）分析確定了三軸陀螺軸間振動干擾的原因，提出了三軸陀螺差異化組合+低通濾波器優化設計的組合方法，將軸間振動干擾量級從1350%降低到了42%。同時利用本文研制的高精度硅微陀螺，設計完成了微慣性測量單元和微慣性/衛星組合導航系統，實現了硅微陀螺的系統應用。

論文名稱：基于應變能密度耗散準則的蠕變疲勞壽命預測模型及應用

論文作者：華東理工大學/王潤梓

指導教師：張顯程、涂善東《研究領域：高溫結構長壽命安全保障理論與技術、高溫強度學、先進能源材料與裝備》

以航空發動機渦輪盤為代表的關鍵熱端部件在服役過程中伴隨著嚴重的蠕變-疲勞載荷交互作用，這一直是高溫結構壽命設計中的難題。然而我國對航空發動機高溫熱端部件蠕變-疲勞性能預測的研究起步較晚，尚未構建相對完整的材料、理論和方法體系，對結構強度與可靠性的預先研究沒有更為清晰的認識。圍繞這一問題，本文通過大量試驗探究了國產鎳基高溫合金GH4169在650℃下的蠕變-疲勞宏觀力學行為、從微觀尺度揭示了載荷相關的蠕變-疲勞損傷機理；發展了基于應變能密度耗散準則的壽命預測方法；基于有限元分析方法開發了多軸應力狀態下蠕變-疲勞壽命預測的數值實現方法，并對結構進行了進一步的拓展應用：

（1） 對鎳基高溫合金GH4169在650℃下展開了一系列蠕變-疲勞的試驗，形成了較為完善的國產鎳基合金數據庫。試驗結果表明，宏觀壽命規律受應變范圍、保載時間和應變速率等因素的影響，并確定了免蠕變損傷的臨界保載時間。此外基于斷后失效分析，澄清了復雜載荷工況下的蠕變-疲勞-氧化三者交互的損傷致裂機理。

（2） 基于應變能密度耗散準則考慮了壓縮平均應力的彌復效應，發展了高精度的修正應變能密度耗散法，將壽命誤差分散帶降低到2倍范圍內。進一步，借助逐循環的計算方法，發展了時間相關的蠕變-疲勞損傷交互圖，壽命誤差分散帶進一步降低到1.5倍范圍內。構建了蠕變疲勞進程中的氧化損傷驅動力方程，提出了蠕變-疲勞-氧化損傷交互圖及三維包絡曲面。

（3） 開發了考慮多軸應力效應的和蠕變疲勞壽命設計數值計算方法，通過一系列模擬件驗證了該數值計算方法的適用性，壽命誤差分散帶保持在1.5倍范圍內。精準預測了蠕變疲勞過程中損傷位置由表面向次表面轉移的物理機制。此外，通過所提出的多軸蠕變-疲勞損傷模型，針對某型航空發動機渦輪盤發展了服役工況下的損傷弱點辨識技術。

該成果揭示了包含蠕變、疲勞和氧化的多機制損傷耦合競爭效應，實現關鍵參量的合理甄別與描述，所發展的時間相關蠕變-疲勞及蠕變-疲勞-氧化損傷評定圖有利于推動高溫強度學科的進步。所發展的方法與技術有望推動國產高溫熱端部件精準壽命設計方法的革新和進步。