复合材料壁板热颤振的有限元分析

壁板颤振是发生在高速飞行器上的一种典型的超音速气动弹性现象。在超音速飞行器的设计中，由于气动加热效应相当剧烈，考虑热效应的壁板颤振问题成为一个不可忽视的气动弹性问题。文中采用von Karman大变形应变一位移关系、气动叻活塞理论以及准定常热应力理论建立了考虑热效应的复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型。使用计及壁板横向剪切效应的三结点三角形Mindlin板单元(MIN3单元)推导出考虑热效应的颤振有限元方程，并给出了在频域和时域求解其颤振方程的方法。分别对一个矩形复合材料壁板和梯形复合材料壁板，计算出壁板的颤振边界并分析了温度对壁板颤振边界的影响规律。     

形状记忆合金混杂复合材料层合结构的静态有限元分析

将伪弹性形状记忆合金(SMA)纤维镶嵌在复合材料层合结构的顶层和底层,联合采用经典层合梁理论和有限元法,在考虑SMA的相变特性和材料非线性与层合结构变形相互耦合的基础上,建立了SMA混杂复合材料层合结构的静力学模型,利用MATLAB软件模拟了该复合材料层合结构在横向和纵向加卸载过程中的静力学响应,研究了其耗能能力和耗能机理。研究发现,SMA混杂复合材料层合结构加卸载过程中的载荷-变形量曲线形成了封闭的滞后环,这表明内嵌SMA纤维的复合材料层合结构具有伪弹耗能能力。     

面内二维零膨胀混杂复合材料层合板设计

为使FRP结构在太空交变温度场下的热稳定性能要求,研究了面内二维零热膨胀混杂复合材料层合板设计理论.采用细观力学方法和经典层合板理论,分析层合板的纤维含量、混杂比及其铺层角等对层合板热膨胀系数的影响规律.建立了层内混杂复合材料层合板面内二维热膨胀系数设计理论.理论分析和实验结果表明,合理设计复合材料层合板的纤维含量、混杂比及其铺层,可以实现面内二维零膨胀.     

高速飞行器壁板热颤振的非线性动力学分析

研究了高超声速飞行器壁板热颤振的非线性动力学问题。应变-位移关系基于Von-Karman薄板大变形理论,采用三阶活塞理论计算气动力,利用Hamilton原理建立了高超音速气流中热环境下二维壁板颤振模型。用Galerkin方法在模态空间对非线性壁板颤振方程进行离散化。运用李普诺夫理论判断受热壁板颤振的临界流速。采用数值方法在时域内求解受热壁板在高超声速气流中气动力作用下的颤振响应,分析来流速度和热效应对壁板颤振稳定性和壁板颤振边界的影响。     

碳—尼龙纤维混杂改性水泥基复合材料的力学性能研究

对碳纤维－尼龙纤维混杂改性水泥基复合材料研究表明，该方法是提高水泥基复合材料强度和韧性的最有效方法。进一步研究表明：在纤维总掺量较大情况下，水泥基复合材料中碳纤维－尼龙纤维混杂使抗弯强度，冲击性韧性呈负混杂效应，结合抗弯，抗拉条件下荷载－变形曲试验研究，作者对两种纤维混杂增强，增韧作用机理进行分析，认为：高弹纤维、低弹纤维各项参数相匹配及水泥基体改性可以获得更好的混杂改性效果。     

复合材料转子-形状记忆合金支承系统的振动特性

研究具有形状记忆合金(SMA)弹簧支承的复合材料轴转子系统的振动特性。基于Brinson热力学本构方程,研究SMA螺旋弹簧的受限回复特性;采用Timoshenko梁理论对复合材料旋转轴进行结构建模,给出特征值问题的求解公式。通过数值计算揭示SMA的激励温度、SMA的初始应变、纤维铺层角、铺层方式以及长径比对转子系统的涡动频率、对数衰减率的以及临界转速的影响规律。     

超音速气流中受热壁板的非线性颤振特性

随着高速飞行器技术的快速发展,壁板热颤振成为国内外研究人员的关注热点。壁板热颤振对飞行器性能有重大影响,甚至影响飞行安全。以超音速气流下的无限展长二维壁板结构作为研究对象,计入热效应的影响,根据Kirchhoff平板理论和Von Karman大变形几何非线性壁板理论建立系统的运动微分方程。并以壁板在x=0.25处为算例绘制了其前三阶弯曲构型的静态分岔图,对不同轴向载荷条件下壁板的屈曲构型进行了分析。考虑到温差ΔT是影响热应力的重要因素,对比了不同温差条件下,壁板的静气动弹性变形图,结果表明,温差越大,壁板偏离静平衡位置的位移越大。     

基于最大李雅普诺夫指数的壁板热颤振特性分析

文章介绍了李雅普诺夫指数的定义,给出了壁板热颤振特性分析模型,计算得到超声速气流中受热壁板的非线性颤振运动形态以及相应的最大李雅普诺夫指数,画出了壁板稳定性区域图,结果显示不同参数下,超声速气流中受热壁板具有包括颤振在内的5种不同性质的振动形态:收敛于平壁板平衡点的衰减振动、收敛于屈曲平衡点的衰减振动、简谐型极限环颤振、非筒谐周期型极限环颤振和混沌型颤振,并给出了各种振动形态典型的时程响应图、相轨迹以及对应的最大李雅普诺夫指数.分析结果表明,来流速压和温升都严重影响着受扰壁板的非线性振动响应特性,壁板颤振容易发生在来流速压较大或者温度较高的参数区域,系统的最大李雅普诺夫指数能够定量表征壁板稳态响应时的运动形态,可以用该指数来判断超音速气流中受热壁板的稳定性并确定所研究参数范围内壁板的稳定性边界.     

智能复合材料机翼的气动弹性剪裁

通过含有位移和电自由度的四节点板元,利用哈密尔顿原理,推导了含有压电传感器和作动器的智能复合材料机翼的机电耦合动力学方程.采用西奥道生非定常气动理论结合片条理论构建气动力模型,获得机翼的颤振方程,并利用v-g法分析了复合材料的铺层方式和反馈增益对颤振速度的影响.结果表明:复合材料的铺设方式和反馈增益系数是在相互影响下改变机翼颤振速度的.     

CFRP/GFRP混杂纤维拉伸性能试验研究

通过设计10组HFRP试件的拉伸性能对比试验,分析研究不同面密度,不同厚度,不同混杂比对复合材料拉伸性能影响,提出了层间混杂纤维在拉伸强度一致的前提下,延性最大的混合匹配的优化设计方案,对实际工程结构加固具有较强的适应性.     

Aero-Elastic Flutter Characteristics of Laminated Composite Panel Embedded with Shape Memory Alloy Wires

超声速流中铺设形状记忆合金丝的复合材料壁板的

颤振研究

曹登庆¹,邵崇晖¹,许玉乾¹,赵海²

（1.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

2.中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都 610000）

创新点说明：

建立了分析铺设形状记忆合金丝的壁板颤振的新方法,并将此方法应用于研究形状记忆合金参数和安装角度对颤振抑制效果的影响。

研究目的：

研究超声速流中铺设形状记忆合金丝的复合材料壁板的颤振特性。分析了形状记忆合金的份数、预应变和温度对壁板临界颤振动压以及降低极限环幅值的影响。

研究方法：

采用von Karman大变形位移应变关系和三阶气动活塞理论描述壁板颤振模型中的几何非线性因素和气动非线性因素,基于Brison本构模型描述形状记忆合金丝的非线性恢复力,利用Hamilton原理建立超声速流中壁板的非线性运动微分方程。采用伽辽金离散法对所得的壁板偏微分运动方程进行空间离散,得到壁板的常微分运动方程组,最后采用Runge-Kutta法对壁板的动力学响应进行数值模拟。采用非线性动力学理论求解了壁板的临界颤振动压。

结果：

在复合材料层合板中铺设形状记忆合金丝可以提高壁板的临界颤振动压,形状记忆合金的最佳铺设角度是沿着气流来流方向。

结论：

通过加热形状记忆合金、增加其份数和预应变可以提高壁板的临界颤振动压,并且可以降低极限环颤振幅值。

关键词：壁板颤振,形状记忆合金,复合材料,极限环振动

     

Fluid-structure interaction of panel in supersonic fluid passage

Fluid-structure interaction of panel in supersonic fluid passage is studied with subcycling and spline interpolation based predict-correct scheme. The passage is formed with two parallel panels, one is rigid and the other is flexible. The interaction between fluid flows and flexible panel is numerically studied, mainly focused on the effect of dynamic pressure and distance between two parallel panels. Subcycling and spline interpolation based predict-correct scheme is utilized to combine the vibration and fluid analysis and to stabilize long-term calculations to get accurate results. It ＇ s demonstrated that the flutter characteristic of flexible panel is more complex with the increase of dynamic pressure and the decrease of distance between two parallel panels. Via analyzing the propagation and reflection of disturbance in passage, it＇ s determined as a main cause of the variations.     

Pseudo-elastic hysteresis damping characteristics of SMA hybrid composite lamina

The longitudinal mechanical behavior of shape memory alloy （SMA） composite lamina subjected to longitudinally strain or stress controlled cyclic loading is investigated. The SMA is under pseudoelastic condition and the fibers are embedded （bonded） to the host material. The influences of temperature, volume fraction of SMA and longitudinal modulus of the host material on the stress-strain relation and energy dissipation of the SMA hybrid composite lamina are discussed. The results indicate that the stress-strain curve of the lamina per cycle shows a hysteresis loop. The hysteresis damping decreases with increasing temperature and with decreasing volume fractions of SMA. In addition, the hysteresis damping is nearly independent of the longitudinal modulus of the host material under strain controlled loading. However, it depends dramatically on the longitudinal modulus of the host material under stress controlled loading, which shows the SMA composite lamina has high pseudo-elastic hysteresis damping when the longitudinal modulus of the host material is low.     

功能梯度圆柱曲板在超音速流中的非线性动力学分析

研究了在外部激励作用下,功能梯度圆柱面曲板在超音速流中的非线性动力学行为。假设材料属性与温度有关,功能梯度曲板的组分材料沿厚度方向呈梯度变化,并按照体积分数的幂律分布,运用一阶活塞理论得到了超音速空气动力载荷;以von-Karman型的非线性应变位移几何关系为基础,通过Hamilton原理推出了曲板的非线性运动控制方程;运用伽辽金法离散化控制方程,得到一个包含二次非线性项和三次非线性项的二自由度非线性系统;利用数值计算,分析了面外内载荷对系统非线性动力学的影响。     

超音速、高超音速机翼的气动弹性计算方法

针对超音速和高超音速流动的特点，分析并检验了各种气动力工程算法(牛顿法，切楔／切锥法，活塞理论，激波膨胀波法等)，并将其推广运用于超音速和高超音速机翼的非定常气动力的计算中。通过与机翼结构运动方程的联立求解，在时间域内实现了超音速和高超音速机翼颤振的数值模拟。通过与实验结果的比较，证明该方法具有较高精度，误差能控制在10％左右。     

Micromechanical analysis of interaction energy for SMA reinforced composite

The energy of the interaction between the matrix and the inclusions in shape memory alloy (SMA) reinforced composite is one of the most important and complicated parts in thermodynamic constitutive theory. In this paper, the interaction energy is derived based on the classical theory of micromechanics and the thermodynamic theory. The SMA composite is treated as three phases, namely the austenitic phase, the martensite phase and the matrix phase. The interaction among the three phases is analyzed in a way close to the fact. The present expression is used to calculate the interaction energy of a typical SMA composite with attentions paid to understand of the effects of the matrix material, the fiber geometry, and the fiber/matrix volume ratio. It is shown that the method developed in this paper is credible compared with the references. Some useful conclusions are obtained. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10772021 and 90205007)     

T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响

为研究T形板肋对预制带肋底板混凝土叠合板弯曲疲劳性能的影响,对3块T形肋底板叠合板和1块整浇板进行弯曲疲劳性能对比试验,主要考察T形板肋与疲劳荷载幅值对试件疲劳破坏形态及疲劳损伤程度的影响,得到了在不同疲劳循环加载次数下的跨中动位移、混凝土应变、预应力筋应变、残余变形等,分析了在不同疲劳循环加载次数下的刚度退化情况、荷载-应变分布规律、裂缝分布规律及剩余承载力等。研究结果表明,经历200万次疲劳循环加载后,T形肋底板叠合板无明显的刚度和强度退化,增设T形板肋的叠合板能达到与整浇板相同的弯曲疲劳性能;T形肋底板叠合板正截面弯曲疲劳强度计算可采用普通预应力混凝土受弯构件正截面疲劳应力验算的4个假定,最终以此建立了其正截面弯曲疲劳强度验算方法。     

结合定常CFD技术的当地流活塞理论

结合定常CFD技术和超音速非定常气动力工程计算方法——活塞理论，发展了一种基于超音速、高超音速定常流场求解非定常气动力的当地流活塞理论。适用于超音速、高超音速飞机颤振中的小振幅非定常气动力计算。通过与非定常Euler方程求解结果的比较，发现在马赫数不太高或大迎角的超音速流动中，其精度比原始活塞理论高得多，也能够计算超音速、高超音速下大钝头和考虑机身干扰的复杂外形非定常气动力，扩大了活塞理论的应用范围。与非定常Euler方程或N-S方程的数值求解相比，计算效率很高。     

带肋预应力混凝土复合墙板的抗弯性能

将传统复合墙板平板层改为带肋层,优化截面的混凝土配置,从而降低复合墙板自重,在墙板两侧对称施加预应力筋,增强复合墙板的抗裂性能。为研究该混凝土复合墙板的抗弯性能,进行了3个试件在均布力作用下的抗弯试验,分析了该混凝土复合墙板的力学性能和变形模态。通过理论分析推导了该混凝土复合墙板的抗弯承载力计算公式,并采用ABAQUS软件进行了该混凝土复合墙板的对比模拟,并对肋板角度参数进行了模拟分析。结果表明：带肋预应力混凝土复合墙板与平板混凝土复合墙板存在近似的弯曲响应;带肋预应力混凝土复合墙板的抗弯承载力与平板混凝土复合墙板相比有所下降,但降幅小于自重降幅;预应力的施加显著提高了混凝土复合墙板的承载力和抗裂性能;提出的混凝土复合墙板的承载力计算公式、有限元模型均与试验结果吻合较好。