平板型复合材料格栅结构载荷重构研究 Ⅰ : 前向响应模型

先进复合材料格栅结构(AGS)在航空、 航天结构工程中有着广泛的应用前景。本文作者针对低速冲击载荷作用下先进复合材料格栅结构的载荷重构进行了研究。本文中研究了平板型复合材料格栅结构在横向低速冲击载荷作用下的前向响应近似模型。考虑AGS板蒙皮/肋的弯剪耦合效应和截面偏心距e, 对平板型复合材料格栅结构的等效刚度模型进行了改进。基于改进的等效刚度模型和非对称Mindlin板理论, 建立了平板型格栅结构的前向响应近似模型及其状态空间表达式, 应用傅立叶展开求解了低速横向冲击载荷作用下的结构响应, 并通过数值试验验证了该方法的实用性与可靠性。该部分研究将为平板型复合材料格栅结构的载荷重构 Ⅱ : 逆向重构的研究提供前提条件和理论基础。     

基于精确板理论的复合材料格栅/波纹夹芯结构屈曲特性

提供了一种分析全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲特性的解析模型。将格栅、波纹芯子视为连续性单层,基于精确板理论推导了全复合材料波纹/格栅夹芯板的内力-应变关系;在考虑复合材料芯子壁板各向异性和横向剪切变形的基础上,基于均质化理论分别推导了复合材料正交格栅和梯形波纹芯子的等效弹性常数;利用最小势能原理得到了全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲平衡微分方程,求解了3种边界条件下的屈曲临界载荷,解析计算的结果与有限元仿真结果进行对比的误差在5%以内,验证了解析模型的正确性和有效性。基于验证过的模型对比分析了铺层角度、铺层数等铺层参数以及芯子高度、波纹倾角和格栅间距等结构参数对全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲临界载荷、比屈曲临界载荷的影响规律,为该类型结构的屈曲特性分析和优化设计提供理论指导。     

格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响

研究格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响。首先,基于格栅间距沿母线方向的变化特征和等效平铺模型推导了格栅加筋圆锥壳体的等效刚度阵。其次,采用Donnell型扁壳理论推导了在均布外压作用下格栅加筋圆锥壳体稳定性分析的总势能表达式,利用最小势能原理得到了该壳体总体稳定性的临界载荷值,所得计算结果与实验结果十分吻合。最后,通过典型数例参数讨论,说明格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响将随底锥角增大而显著。该文将为先进复合材料格栅加筋圆锥壳体的参数优化设计提供一种高效和可靠的分析方法。     

VIP工艺中L型构件渗透规律的实验研究

VIP(Vacuum Infusion Process)作为一种新型的低成本液体模塑成型技术由于具备一系列优点已广泛应用于大型复合材料零件的生产中。不同于平板构件,VIP工艺中L型构件的渗透特性在各个部分并不均匀。本文通过对L型构件预成型体渗透率进行实验研究,得到了三种几何结构的L型预成型体的渗透规律,由于拐角处纤维被压实使得L型构件的渗透率比相同铺层和相同工艺下平板构件的渗透率小;并采用几何平均方法分析了L型预成型体拐角处的渗透率,对异型结构件VIP工艺的实施具有一定的指导作用。     

基于遗传算法的复合材料结构-声辐射优化研究

研究了外载荷作用下的复合材料结构振动响应和声辐射问题。在此基础上, 分析了复合材料的结构-声辐射优化设计模型, 基于遗传算法进行了对称型复合材料板结构的结构-声辐射铺层几何优化分析。数值算例表明, 复合材料板结构的铺层数、 铺层厚度和铺层角度等参数优化, 可以有效降低结构的振动和声辐射。数值算例结果验证了优化方法的有效性。     

构型化金属基复合材料有限元建模技术

越来越多的研究发现增强体空间构型分布有望成为金属基复合材料强韧性倒置问题的有效解决办法。然而,构型设计要素种类繁多,除传统结构设计要素外,还包括增强体分布特征等结构参数。因此,仅靠传统的实验手段已无法满足复合材料构型设计的研究需求,借助有限元模拟探索各构型要素对复合材料性能的影响规律可作为试验研究的前提和有效补充。基于三维几何模型的有限元模拟技术,将增强体分布特征引入复合材料三维几何模型中,再引入各组分的物理及力学性能,则能够对构型化复合材料的变形与断裂行为进行模拟,并预测其力学性能。首先回顾了数值模拟颗粒增强金属基复合材料的几何和数值模型构建方法,然后对网状结构构型化复合材料有限元模拟工作的研究现状进行了介绍,最后对构型化复合材料有限元模拟工作的未来发展进行了展望。     

十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能

针对传统复合材料格栅夹芯结构极限承载能力较低、单胞封闭易造成水汽凝结的问题,在分析管胞微观结构和功能性的基础上,提出一种新型十字嵌锁型格栅夹芯结构。首先选取最小体积(最小质量)和最小变形(最大刚度)为优化目标,利用第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成多目标优化,采用三维Hashin失效准则和改进的刚度退化方法建立格栅夹芯板的冲击渐进损伤有限元分析模型,研究多种低速冲击载荷对不同相对密度夹芯结构的不同位置的破坏机制及力学响应。结果表明：新型格栅夹芯结构表现出良好的低速冲击阻抗,其随芯子的空间分布存在差异,格栅间隙处的抗冲击性能较弱,芯子密度的提高不能有效增强该位置处的冲击强度,夹芯结构所受到的破坏远远大于冲击器撞击格栅交点处的情况;受不同冲击位置和冲击速度的影响,载荷-时间和位移-时间曲线呈现出不同的典型模式,芯子出现屈曲、分层、粘接剥离、折弯变形等失效形式,复合材料上面板发生混合损伤,随着冲击速度的增加,芯子和面板的损伤程度也愈严重。     

三维织造层间增强的纤维棒复合材料细观结构模型及力学性能有限元模拟

针对复合材料层间增强的需求,提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构,建立了0°/90°、45°/135°及0°/90°/45°/135°3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型,该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件,利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数,讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系,分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布,制作了实体模型,进行了相关实验。结果表明:单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好,织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同,不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征,其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布,为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。     

多级三角形格栅夹芯板力学分析

为了提高点阵复合材料结构的轻质高强力学特征,尤其提高其抗屈曲性能,设计了一种新型的多级三角形格栅夹芯板结构。根据等效连续介质力学方法提出了多级三角形格栅夹芯板的等效计算理论,预测了拉伸主导型多级三角形格栅夹芯板结构的等效弹性模量以及等效抗弯刚度。分析了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板的弹性屈曲载荷和强度破坏模式。在理论模型的基础上绘制了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板结构的失效模式图,指出了结构破坏模式与多级三角形格栅夹芯板尺寸之间的对应关系。研究表明:具有工字型截面的多级三角形格栅夹芯板结构相比于传统矩形截面格栅结构具有更高的抗弯刚度和弹性屈曲载荷,是一种性能更加优越的轻质高强点阵结构。     

基于高阶剪切理论的复合材料格栅夹层板弯曲特性

基于高阶剪切弯曲理论,对含有软质芯材的复合材料格栅夹层板的弯曲特性进行了理论研究。基于能量法,推导了含有软质芯材的复合材料格栅的等效弹性参数计算式;基于高阶剪切弯曲理论,推导了夹层板的弯曲平衡微分方程,并采用Navier方法,给出了分布载荷作用下四边简支、上下表层为对称正交铺层的夹层板弯曲问题的理论解;用算例对典型格栅夹层板的理论解和有限元仿真解进行了对比,两者误差为7.1%,验证了本文理论方法的正确性;并分析了夹层板跨厚比、格栅厚度、格栅复合材料铺层角度、格栅间距等参量对含有软质芯材的典型复合材料格栅夹层板弯曲挠度的影响规律。     

约束型复合阻尼隔声板的隔声性能及其应用研究

约束型复合高阻尼隔声板具有良好的隔振、隔声性能,特别适用于对隔声结构的厚度有苛刻要求的场合。对影响约束型复合高阻尼隔声板主要结构参数的研究,有利于指导其设计、制造和应用选择。根据对约束型复合高阻尼隔声板隔声计算模型的计算与实验表明,当隔声板的面积减小时,其低频隔声量会随之增加;当隔声板阻尼层的厚度等量递增时,其隔声量也近似等比例地提高;当面板材料的弹性模量较小时,隔声板的低频和高频的隔声量都会变差;当隔声板阻尼层剪切模量较高时会导致隔声量偏低。     

复合材料负泊松比格栅结构设计及力学性能评价

对复合材料负泊松比格栅新结构的设计、制备与评价进行了研究,采用有限元方法模拟了负泊松比结构单元在轴压载荷作用下的力学行为,通过热压罐成型制备复合材料负泊松比格栅结构,并评估其成型质量、蒙皮及筋条的力学性能、结构抗轴压性能。数值模拟结果表明,负泊松比格栅结构与正交格栅结构相比,变形形式从马鞍形变为波纹形,横向膨胀量降低,应力分布均匀性提升,筋条-轴线夹角θ=30°时,负泊松比格栅结构达到最优。采用热压罐成型的MT300/603碳纤维/环氧树脂负泊松比格栅试件成型质量良好,蒙皮及筋条的力学性能优异。力学测试结果表明,筋条-轴线夹角θ=30°时,MT300/603负泊松比格栅结构轴压模量为65.92 GPa,轴压失效载荷为64.65 kN。轴压失效模式为筋条节点处的蒙皮-筋条开裂。筋条-轴线夹角θ=30°的MT300/603负泊松比格栅结构抗压强度高于正交格栅结构,且力学行为呈现明显的负泊松比特征,是一种具备优异综合力学性能的新格栅结构,在航天飞行器蒙皮结构等领域具有潜在的应用价值。      

A geometry projection method for the topology optimization of curved plate structures with placement bounds

Single‐curvature plates are commonly encountered in mechanical and civil structures. In this paper, we introduce a topology optimization method for the stiffness‐based design of structures made of curved plates with fixed thickness. The geometry of each curved plate is analytically and explicitly represented by its location, orientation, dimension, and curvature radius, and therefore, our method renders designs that are distinctly made of curved plates. To perform the primal and sensitivity analyses, we use the geometry projection method, which smoothly maps the analytical geometry of the curved plates onto a continuous density field defined over a fixed uniform finite element grid. A size variable is ascribed to each plate and penalized in the spirit of solid isotropic material with penalization, which allows the optimizer to remove a plate from the design. We also introduce in our method a constraint that ensures that no portion of a plate lies outside the design envelope. This prevents designs that would otherwise require cuts to the plates that may be very difficult to manufacture. We present numerical examples to demonstrate the validity and applicability of the proposed method.     

Topology optimization of composite material plate with respect to sound radiation

In this paper, topology optimization of composite material plate with respect to minimization of the sound power radiation has been studied. A new low noise design method based on topology optimization is proposed, which provides great guidance for acoustic designers. The structural vibrations are excited by external harmonic mechanical load with prescribed frequency and amplitude. The sound power is calculated using boundary element method. An extended solid isotropic material with penalization (SIMP) model is introduced for acoustic design sensitivity analysis in topology optimization, where the same penalization is applied for the stiffness and mass of the structural volume elements. Volumetric densities of stiffer material are chosen as design variables. Finally, taking a simple supported thin plate as a simulation example, the sound power radiation from structures subjected to forced vibration can be considerably reduced, leading to a reduction of 20 dB. It is shown that the optimal topology is easy to manufacture at low frequency, while as the loading frequency increases, the optimal topology shows a more and more complicated periodicity which makes it difficult to manufacture.     

高吨位镁合金压铸机定模板减重设计的有限元分析

 压铸机定模板是压铸机的重要零件,它在生产中变形程度的大小对生产过程尤其是所加工产品的精度具有重要影响。对某高吨位镁合金压铸机定模板减重前后的设计方案进行有限元分析,对比了两种设计方案的刚度值及应力场。依据有限元计算结果对设计方案进行了评估,并对加工过程提出了建议。从整个分析结果来看,减重孔对定模板的刚度有一定影响,但经减重处理后的定模板仍可以满足设计要求。     

复合材料结构在设计制造和应用中的力学问题

本文探讨复合材料结构在设计、制造和应用过程中有关的一系列力学问题。希望引起工程师和研究人员的重视,因而促使我国的复合材料结构的设计、制造和研究工作得到更好的发展。     

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构 (AGS) 后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和 Von2 Karman几何非线性关系 , 提出了 AGS结构后屈曲有限元分析模型 ;基于总能量释放率准则 , 并利用虚裂纹闭合法 (VCCT) 及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程 , 在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例 , 讨论了不同的初始分层尺寸、 肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响 , 通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较 ,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对 A GS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。     

部分组合框架-钢板剪力墙边框柱设计方法研究

该文通过对部分组合框架—薄钢板剪力墙结构的试验,发现其内嵌钢板破坏顺序为初始对角屈服、统一屈服和应变硬化三个阶段。引入部分组合柱后,有效改善了传统钢柱的弯扭失稳破坏模式,部分组合框架柱破坏模式为柱顶和柱底形成塑性铰的强度破坏。基于“强框架、弱墙板”的设计理念,该文根据叠加原理确定了统一屈服阶段和应变硬化阶段部分组合柱内力计算原则,提出了适用于部分组合框架-薄钢板剪力墙框架柱的设计方法。通过有限元验证表明:该设计方法能够有效地预测底层受压柱的破坏模式及其塑性铰出现的位置,能够为合理的钢板墙边框柱设计提供理论依据。     

变刚度复合材料结构的设计、制造与分析

综述了变刚度复合材料结构的设计、制造与分析的研究进展。与常规复合材料结构相比,变刚度复合材料结构有其特殊之处。首先介绍了变刚度复合材料结构的概念,解释了制造变刚度结构的自动铺丝技术的基本原理,接着描述了丝束路径的定义方式并归纳了设计和制造过程中需要重点考虑的问题,然后概述了变刚度结构的建模和分析方法,从优化方法、刚度和屈曲、失效、振动等方面报道了变刚度复合材料结构力学性能的研究现状,最后对该领域的研究进行了总结和展望。     

A study on structural design and analysis of small wind turbine blade with natural fibre(flax) composite

In recent years, there has been a growing interest in the use of naturally sourced fibres for use in composites design and manufacture. In this work, a structural design on 1-kW-class horizontal axis wind turbine blade using natural flax fibre composite is performed. The structural design results of flax/epoxy composite blade are compared with the design results of glass/epoxy composite blade. In order to evaluate the structural design of the composite blade, the structural analysis was performed by the finite element method. Through the structural analyses, it is confirmed that the designed blade using natural composite is acceptable for structural safety, blade tip deflection, structural stability, resonance possibility and weight.