基于挤压法的复合材料预紧力齿连接预紧力计算方法研究

通过挤压法对复合材料预紧力齿连接接头施加预紧力时,外部挤压量的大小决定了施加在接头上的预紧力大小。本文通过理论、有限元和实验研究了外部挤压量和接头预紧力之间的对应关系。在理论推导时,首先将钢和铝合金简化为理想弹塑性材料,将拉挤复合材料简化为横观各向同性材料,然后通过厚壁圆筒理论得出了在不同挤压量下界面径向压应力的理论计算公式,并通过有限元和实验进行了验证,最后在此基础上进行了参数研究。研究表明:①理论解与有限元解以及实验值吻合较好,这证明了理论公式推导的正确性;②在仅改变壁厚的情况下,界面径向压应力随铝合金内套筒壁厚的增加呈线性增长趋势,而外部钢套筒壁厚对其的影响不大;③将内套筒材料由铝合金换成钢,在其他条件不变的情况下,界面径向压应力会得到显著提高。     

多环混合复合材料飞轮应力分析与结构设计

基于线弹性理论,考虑纤维缠绕复合材料各向异性,建立了多环混合复合材料飞轮过盈配合的平面应力分析理论模型,并通过有限元验证了模型的正确性。利用建立的复合材料飞轮转子力学分析模型,研究了各复合材料环模量比值、环数、环厚度以及环间过盈量分布对静止和高速旋转飞轮转子应力分布的影响。结果表明,多环混合复合材料转子中,各因素相互影响,共同作用,当各环复合材料模量比、厚度从内到外依次增加,同时优先保证轮毂与内环环间的大过盈量时,可以有效改善在高速旋转载荷下转子应力的分布,提高复合材料层间强度,避免层间脱开。在此基础上,设计了一种玻璃纤维、T700、T800组成的三环过盈装配的高储能密度超导磁悬浮储能复合材料飞轮,并用三维有限元模型进行了验证。     

接缝宽度对铝合金玻纤复合层板拉伸性能的影响

以铝合金玻纤复合层板为研究对象.从金属层接缝界面端应力场分析出发,建立有限元模型,确定位移边界条件和载荷边界条件.利用有限元方法模拟出不同接缝宽度在常温下的热残余应力.通过实验得出常温和高温条件下的各个接缝宽度试样的破坏拉伸载荷.考察接缝大小对残余应力的影响和分布,从而研究其对铝合金玻纤复合层板拉伸性能的影响.     

玻璃纤维-铝合金层合板湿热老化性能研究

通过研究玻璃纤维-铝合金层板在70℃、RH85%湿热环境下不同老化周期后的力学性能、基体红外光谱、铝合金表面形貌及元素变化,分析了层板的湿热老化机理。结果表明:在加速湿热老化条件下,复合材料层内部基体会发生吸湿塑化,并破坏树脂与纤维以及铝合金层的界面,影响了材料内部应力的传递,使与界面及桥接应力相关的性能发生明显退化;表层铝合金层随湿热老化时间的延长,表面氧化加剧,使铝合金塑性降低,主要影响依靠铝合金承载的力学性能。     

聚四氟乙烯复合材料力学性能研究与有限元分析

在万能材料试验机上对聚四氟乙烯(PTFE)复合材料进行不同温度及不同拉伸速率下的单轴拉伸性能测试,获得温度范围为253~333 K、拉伸速率范围为10~200 mm/min条件下的一系列拉伸应力–应变曲线,发现PTFE复合材料的拉伸性能对温度变化敏感,对拉伸速率变化不敏感。为了能定量描述PTFE复合材料的力学特性,同时也为有限元数值模拟提供材料模型,根据拉伸试验结果,建立了PTFE复合材料单轴拉伸本构模型,该本构模型以数学公式的形式较好地表达了PTFE复合材料应力–应变曲线随拉伸速率及温度的变化关系。最后,对PTFE复合材料板材进行了单向压缩实验,并利用ABAQUS软件,使用所建立的本构模型,对PTFE复合材料板材进行单向压缩的有限元分析,通过仿真结果与实际试验结果对比,验证了建立的本构模型的正确性,表明该本构模型具有一定的通用性。     

基于非线性本构关系的有限元计算复合材料层合板的强度

复合材料的桥联模型本构理论考虑了基体材料的非线性特性.本文根据联模型理论编制出用户自定义材料库程序,与有限元软件ABAQUS实现接口,以方便地分析计算复合材料层合板结构的非线性响应与极限强度问题.在限元计算中荷载采用逐步加载的方式施加,最终得到复合材料层合板极限坏时的内力包罗图和应力应变曲线.有限元模拟的结果与桥联模型解析解结果吻合得很好,并且与实验结果相一致.     

形状记忆合金丝复合材料单层板的拉伸

本文根据形状记忆合金的一维热机本构关系推导了形状记忆合金丝混杂的纤维增强复合材料单尾板的一维拉伸本构关系，并对常温下的应力应交关系，温度改变时的自由复原和约束复原问题作了分析。     

多环过盈结构中过盈量的影响规律分析

多环过盈结构能够改善复合材料飞轮内部的径向应力水平,解决复合材料径向抗拉强度不足的问题。多环过盈结构中各环之间的过盈量大小对结构径、环向应力的影响复杂,需要对其进行合理设计。对不同环数以及过盈量分配下的高速旋转飞轮转子轮毂、复合材料层的应力分布进行有限元计算,分析了过盈量对多环过盈结构应力水平的影响规律。结果表明:在各环之间施加的过盈量对相邻各环的应力水平影响明显,但对与其不相邻环的影响较小;分环数越多,各环之间为保证不脱开所需的最小过盈量越小,但轮毂与复合材料护套之间的压应力会显著增加,有可能超过复合材料的抗压极限;为了改善复合材料层内部的应力水平,改变与应力不理想处相邻环的过盈量效果最直接也最明显。     

铝内衬碳纤维复合材料压力容器非测地线缠绕与强度分析

本文对碳纤维缠绕复合材料压力容器进行了非测地线缠绕线型设计、有限元仿真和纤维缠绕与水压爆破实验。根据非测地轨迹确定了复合材料压力容器的最佳缠绕参数;采用有限元软件ABAQUS对其受压状态下的应力应变值进行分析,研究内压为35 MPa时压力容器的应力状态,并预测其爆破强度为92.2 MPa;缠绕实验在五轴数控缠绕机上进行,使用T800碳纤维制备了铝合金内衬复合材料压力容器,其纤维缠绕层共26层,缠绕完成后纤维排列整齐均匀,无滑纱现象。固化后其爆破压强为87.5 MPa,与仿真结果相对误差为5.1%,验证了仿真分析的可行性。     

铝合金筋体外预应力加固混凝土梁受力性能研究

铝合金具有轻质高强、延性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀等优点,可用于侵蚀环境及寒冷环境下结构体外预应力加固工程.本文对铝合金筋的材料性能进行试验研究,建立了铝合金筋本构关系模型,应用有限元程序ANSYS对既有体外预应力加固混凝土梁的受力过程进行模拟分析,通过计算结果和试验结果的对比分析验证了有限元分析模型的合理性.根据等截面原则和等强度原则,应用铝合金筋分别替换既有混凝土梁的体外预应力筋,对其进行有限元分析.结果表明,与传统体外预应力加固混凝土梁相比,采用等截面原则加固后的铝合金筋体外预应力混凝土梁,可以在适当提高延性的基础上,部分提高混凝土梁的承载能力;采用等强度原则加固后的铝合金筋体外预应力混凝土梁,可同时显著提高混凝土梁的承载能力和延性.     

碳纤维轴管与金属轴头过盈连接研究

建立碳纤维轴管与金属轴头过盈连接有限元模型,分别对过盈连接装配及扭转过程进行模拟仿真。研究了碳纤维轴管与金属轴头过盈连接装配及扭转过程中的接头应力、接触面应力的变化规律,并对金属轴头与碳纤维轴管进行失效判断。通过输出轴管与轴头过盈接触面应力值CPRESS,计算得出最大装配力和仿真失效扭矩。最后进行过盈装配和扭转实验,证明有限元分析方法的有效性。结果表明:装配完成后,过盈连接接头的结构应力最大值出现在轴管最内层纤维;扭转时过盈连接接头的结构应力最大值出现于金属轴头阶梯面倒角区域。     

材料铺排顺序对储能飞轮应力影响规律研究

以复合材料储能飞轮为研究对象,分析材料铺排顺序对飞轮应力的影响规律。针对飞轮的结构特点,建立多层过盈配合复合材料轮缘应力分析模型,通过ANSYS Workbench软件分析不同材料铺排顺序下复合材料飞轮的径向、环向应力分布情况。结果表明:在转速一定的条件下,当各层轮缘材料相同时,使用玻璃纤维时受到的应力最大,使用碳纤维T800时受到的应力最小;当各层轮缘材料不同时,内层采用成本较低的玻璃纤维,中层采用碳纤维T300,外层采用成本较高的碳纤维T800受力最均匀,变化梯度最小。研究结果将对复合材料储能飞轮的设计和优化工作有一定的参考价值。     

玻璃纤维增强环氧树脂低温收缩应变的计算模型及应用

设计了玻璃纤维增强环氧树脂(GFEP)在低温条件下收缩应变的计算模型,通过对GFEP进行低温实验,得到了GFEP的力学响应。结果表明:温度低于50 K时,随着温度的升高,GFEP的横纵向收缩率均变化不大;温度高于50 K时,随着温度的升高,其横纵向收缩率均增加较快;GFEP在-30℃时的拉伸强度、弹性模量较常温时大。实验测试数据与采用有限元计算的90°方向的应力-应变曲线比较吻合,两者的拉伸应力几乎无差别,验证了材料本构方程的正确性。引入有限元分析可以对GFEP的本构方程进行检验。通过Umat软件,可实现预测0°方向及90°方向材料的拉伸应力-应变曲线的非线性行为。     

37.00R57巨型工程机械子午线轮胎胎圈与轮辋过盈配合优化设计

采用理论设计和有限元分析相结合的方法,对37.00R57巨型工程机械子午线轮胎胎圈与轮辋过盈配合进行优化设计。利用公式计算不同胎圈设计方案轮胎胎圈与轮辋配合的紧密程度、钢丝圈的安全倍数以及胎圈过盈力等,通过有限元模拟分析轮胎充气状态和负荷状态下胎圈与轮辋的接触情况和胎圈冯密斯应力分布情况,并对计算结果进行验证,选出优化方案。采用优化方案试制的轮胎在实际使用中胎圈与轮辋过盈配合恰当,轮胎气密性能良好,且装卸容易,轮胎在长时间使用中能保持正常充气压力。     

增强橡胶界面层对材料力学性能影响的RVE计算

炭黑粒子与橡胶间相互作用的界面层对弹性体复合材料力学性能有重要影响。通过建立包含炭黑、橡胶基体及其界面层在内的三维RVE模型,借助有限元计算,研究了不同界面层厚度、界面层与基质不同模量比情况下弹性体复合材料的力学性能。研究发现,在一定范围内,界面层厚度及界面层模量与基质模量比值的变化都对复合材料体系的应力和模量有影响,计算条件下各组分承受应力由大到小的顺序为:颗粒内部应力界面层应力基体应力。     

铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展

介绍了激光冲击强化的作用机理,综述了激光冲击强化对铝合金材料残余应力、疲劳寿命、表面形态和微观结构等机械性能的影响和有限元分析方法在研究中的应用,总结了国内外在谈领域的最新研究进展.     

含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接结构应力强度因子有限元分析

含裂纹铝合金板经复合材料补片胶接修复后,裂纹尖端的应力强度因子(Stress Intensity Factor,简称SIF)是关注的重点。基于有限元软件ABAQUS,建立了含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接修复件的分析模型。计算了裂纹尖端的SIF,与Rose解析模型进行了对比验证,得到裂纹尖端SIF在板厚方向上的变化,以及补片在厚度方向上修补效果的变化,对比了不同修复方式的修复效果。结果表明,裂纹尖端SIF的有限元解偏保守,被修补板厚较大时,裂纹尖端SIF值在板厚方向上的差异更加显著,双面修复方式的修复效果明显优于单面修复方式。     

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。     

铝合金内衬复合材料高压容器界面粘结的研究

复合材料高压容器由于其质量轻近年来被广泛应用在航天方面,但是复合材料气密性差,通常用金属内衬来提高其气密性.由于铝合金和复合材料变形不协调,致使铝合金内衬耐疲劳性能很差.界面良好的粘接使铝合金和复合材料形变相协调,能够很好的提高铝合金内衬复合材料高压容器的耐疲劳性能.因此,对复合材料和铝合金界面粘结的研究具有重要的意义.     

纤维增强型复合材料断裂仿真分析

主要采用细观力学和有限元方法对编织纤维增强型复合材料Ⅰ拉伸断裂情况进行仿真分析,从实验分析和仿真结果验证两个方面来分析界面断裂时纤维增强型复合材料的整体断裂情况的影响.