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。     

基于可靠性的复合材料结构稳定性约束优化设计

基于结构的可靠性, 研究了复合材料结构的稳定性约束优化设计方法。考虑材料及载荷的不确定性, 通过结构可靠性分析的响应面法和有限元法的结合, 对复合材料结构稳定性进行可靠性分析; 利用优化软件iSIGHT集成可靠性分析程序, 实现了以铺层层数及铺层角度为设计变量的复合材料结构稳定性约束问题的可靠性优化方法。对层合板及层合圆柱进行算例分析, 验证了本文中可靠性优化方法的有效性, 为工程实际中的复合材料结构稳定性约束优化设计问题提供借鉴。      

基于响应面法的地坑式架车机轻量化研究

传统架车机设计方法往往趋于保守,为了充分发挥地坑式架车机材料的承载性能,将响应面近似模型法与优化技术相结合,提出一种以地坑式架车机结构自重为优化目标的优化方法.该方法基于多学科优化软件ISIGHT和ANSYS,通过最优拉丁超立方试验设计方法分析设计变量对响应的灵敏度,获得最终设计变量,并建立响应面近似模型,利用多岛遗传算法对近似模型进行优化.结果表明,该方法能极大提高优化效率,同时使地坑式架车机结构自重降低20.64%,轻量化效果显著.研究结果可为地坑式架车机的设计提供理论指导.     

考虑面内载荷的复合材料层合板冲击性能

考虑面内初始载荷作用,开展复合材料层合板高速冲击响应与损伤特性研究。设计一种面内拉伸/压缩/剪切初始载荷施加装置,结合气炮试验装置,提出一种初始载荷复合材料高速冲击试验方法,针对X850/IM+和M21C/IMA两种牌号复合材料层合板开展高速冲击试验。结果表明:面内初始载荷对复合材料层合板高速冲击响应和损伤特性有显著影响;相比无初始载荷冲击情况,面内拉伸载荷作用提高了结构抗弯刚度,使冲击剩余速度提高,穿透速度降低,分层损伤面积减小;而面内压缩载荷则反之。      

纤维缠绕复合材料压力容器在内压与非稳定温度场工况下的优化设计

讨论了面内力和法向一维非稳定温度场同时作用下复合材料层合板的优化设计。以层合板的各层铺设角为设计变量, 层合板的厚度为目标函数进行优化设计。作为算例, 对玻璃纤维缠绕增强塑料压力容器在内压及其内部介质温度突变到稳定温度场全过程逐时刻的不同工况, 进行优化设计。      

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

基于遗传算法的碳纤维增强树脂复合材料层合板单搭胶接结构的多目标优化

基于遗传算法对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层合板单搭胶接结构进行了多目标优化,以提高其结构性能。首先,通过三维Hashin准则和三角形内聚力模型建立三维有限元模型来预测CFRP层内损伤过程、层间失效和胶层损伤过程,并通过试验验证其有效性。其次,利用拉丁超立方抽样(LHS)方法和二次多项式响应面法(RSM),基于搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度等胶接参数建立以拉伸强度和剪切强度为目标函数的多目标优化代理模型。最后,基于遗传算法(GA)对拉伸强度和剪切强度代理模型进行优化,得出一组Pareto解集,并基于理想解排序方法(TOPSIS)对Pareto非劣解集进行折中处理,得到最好的胶接参数设计方案。结果表明:CFRP层合板单搭胶接结构的数值模拟结果与试验结果相比具有很高的吻合度,验证了有限元方法的可靠性;CFRP层合板单搭胶接结构的拉伸强度和剪切强度与搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度具有显著的关联性;二次响应面代理模型结果与数值模拟结果相比误差均小于2.3%;与常规的单搭胶接结构方案进行对比,搭接拉伸强度和剪切强度分别提高了2.65%和17.24%。      

基于几何因子的复合材料气动弹性剪裁设计

实现了基于几何因子的复合材料层合板建模,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并根据工艺约束中的最小铺层比例对几何因子可行空间进行了推导补充。在此基础上,提出了一种基于几何因子和Nastran的复合材料气动弹性剪裁优化设计方法。首先以总厚度和几何因子作为设计变量以及以Nastran作为求解器,以强度、刚度、颤振和发散速度以及几何因子相关性约束作为约束条件进行结构寻优,得到最优的铺层总厚度和几何因子。其次,以最优几何因子作为目标,进行铺层结构逆问题求解,约束条件为复合材料铺层工艺约束。因几何因子为铺层厚度和铺层顺序的表达式,与传统的多级优化相比,以几何因子作为设计变量可以避免铺层厚度和铺层顺序的解耦,进而获得更大的设计空间,且得到的铺层结构可以满足工艺约束。最后,对一矩形悬臂复合材料层合板进行剪裁设计,使得铺层结构满足气动弹性约束且质量最小。结果显示,运用该优化方法可以得到质量更小且满足工艺约束的铺层结构。     

温度变化下复合材料层合板的试验模态分析

通过动力测试试验研究了环境条件变化对复合材料层合板振动特性的影响 , 这对于复合材料结构基于动力响应健康监测和振动控制系统设计使用的安全性具有重要意义。在不同温度条件下利用锤击以及激振器实验方法测定复合材料层合板的动力响应 , 采用随机子空间法 (SSI) 识别了其固有频率、 阻尼以及模态振型。研究结果表明 , 复合材料层合板结构固有频率及阻尼比与温度变化存在逆相关关系 , 而所识别的模态振型变化并没有非常清晰的相关关系。分析结果进一步表明 , 复合材料结构振动控制和健康监测系统设计过程中需要考虑上述影响。      

铺层拼接层合板的抗拉强度

针对复合材料结构设计中遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题,本文设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度层合板的抗拉强度。试验结果表明,铺层拼接状态差异对复合材料层合板的承载能力有显著影响,文中根据试验结果建立了抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供了理论依据。