双面静水压下含点阵增强柱和空腔的夹芯板水下声振计算方法研究

随着潜艇工作深度不断增加,含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板因其高强度和声振性能可设计性强的优良特性逐渐被应用于外部壳体结构。为建立一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板水下声振计算方法,研究高潜深环境下双面高静水压对围壳等内部充水结构声振性能的影响,本研究利用多层次均质化等效方法将含增强柱和空腔的水下复合材料夹芯板芯层等效为正交各向异性材料,得到均质夹芯板模型,然后基于应变能密度相等将横向双面静水压等效为面内均布载荷,对基于LW理论模型的均质夹芯板的水下振动方程进行修正,进而提出了一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料板水下声振计算方法。最后,利用数值计算方法对本研究方法的准确性进行了验证,结果表明理论解与数值解吻合较好。该方法可以较准确的预报双面静水压对含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板声振性能的影响。     

零泊松比蜂窝芯等效弹性模量研究EI北大核心CSCD

采用柔性悬臂梁模型和欧拉梁模型分别对零泊松比蜂窝芯斜壁板大变形条件下的弯曲变形和蜂窝芯横壁板小变形条件下的变形进行分析,推导出了零泊松比蜂窝芯面内等效弹性模量理论计算公式,并将理论计算结果和有限元仿真及力学模型实验进行对比分析。结果表明:理论计算公式正确、有效;零泊松比蜂窝芯大变形方向等效弹性模量具有明显的非线性特征;等效弹性模量的计算应根据受力方向及应变大小选择相应的计算公式进行计算;壁板之间的夹角θ对等效弹性模量的影响很大,零泊松比蜂窝结构参数可设计性较强。     

考虑夹杂间相互影响的弱界面颗粒复合材料等效模量预测的一般细观力学方法

基于Ju和Chen提出的颗粒增强复合材料的一般细观力学方法,采用Qu给出的一阶近似修正的Eshelby张量,本文建立了考虑夹杂之间相互影响的含任意分布弱界面颗粒增强多相复合材料等效模量预测的一般细观力学方法,通过体积均匀化方法得到了一组细观力学本构方程。分别推导了忽略夹杂之间相互影响的弱界面多相复合材料宏观模量表达式以及考虑夹杂之间相互影响的弱界面两相复合材料的宏观模量表达式。此外,还给出了几种特殊复合材料体系在考虑界面弱化下的宏观等效性能参数的解析表达式,在界面粘结完好的假设下,给出的表达式均可以退化成经典的细观力学预测结果。在考虑夹杂之间相互影响的情况下,本文预测结果与实验数据吻合很好,验证了模型的有效性。     

缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

复合材料弹性模量的等效微分计算

为计算三维随机短纤维增强复合材料的弹性模量，探讨了如何采用微分等效介质概念。结合应用无限大弹性体中的等效夹杂理论和复合材料弹性模量求解中的自恰方案，建立起计算短纤维增强复合材料弹性模量的微分计算格式。然后通过数值求解非线性耦合微分方程组计算了短纤维增强复合材料的总体弹性模量。     

蜂窝夹层板的一种等效单层模型

本文根据正六角形蜂窝芯层的变形特点,建立了一种考虑芯层弯曲刚度的蜂窝夹层板模型,并在此基础上,将蜂窝夹层板等效为一横观各向同性材料单层板,极大地简化了此类问题分析的难度。在实例中研究了该模型的精度及适用范围。     

基于均匀化的缝合夹芯复合材料建模方法研究

针对缝合式夹芯复合材料结构动力学建模问题开展研究,通过对复合材料代表性单元中上下面板、芯层分别施加周期性位移边界条件,根据应力平均获得相应的等效弹性参数,将夹芯结构等效为3层均质的正交各向异性层合板模型。将根据所提方法建立的层合板模型频率计算结果与精细化模型、单层板模型计算结果进行对比,验证了基于均匀化方法的缝合式夹芯复合材料动态建模精度。基于该建模方法,进一步研究缝合密度对宏观弹性参数的影响。结果表明,缝合密度对夹芯复合材料面内等效性能影响较小;随着缝合密度的增大,厚度方向等效弹性模量显著提高。     

残余应力对复合材料弹2塑性变形的影响

从细观力学的角度给出了分析残余应力对一般复合材料塑性性能影响的一种解析方法, 该方法基于应力二阶矩的割线模量法及Ponte Castaneda 和W illis 给出的弹性细观模型。有残余应力时, 所提的细观解析模型能够同时考虑纤维形状, 体积百分比, 纤维取向及纤维的分布对复合材料变形的影响。计算结果表明, 残余应力的存在会引起复合材料拉压变形的不对称, 材料宏观的拉压硬化曲线又与复合材料的细观结构参数密切相关。对单向复合材料, 本文作者对其等效割线热膨胀系数, 拉压应力-应变曲线的有限元分析结果与给出的细观解析模型定量吻合。      

考虑多尺度界面力学特性的损伤复合材料层合板分岔屈曲性能的等代化

提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点,引入损伤界面的接触效应,根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制,提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致,但刚度相应折减的完善子板,运用三分区模型,根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程,同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明,本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响,不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量,而且揭示了深层次的力学机制,更为主要的是,该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估,为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。      

基于复合材料层合箱梁改进解析模型计算等效刚度

提出了基于复合材料层合箱梁改进解析模型的等效刚度计算方法。在考虑三维应变效应的同时用复合材料单层的二维折算模量分量来表示三维折算模量分量,简化了复合材料层合箱梁等效刚度系数的计算,得到了由梁横截面几何尺寸和层合板刚度系数表达的等效抗弯刚度和等效抗扭刚度的解析式。该解析式适用于环向刚度一致的复合材料层合箱梁,并充分考虑了弯曲-剪切耦合和扭转-拉伸耦合效应对等效刚度的影响。通过三点弯试验和扭转试验,验证了解析式的正确性;通过与分层等效叠加法、有限元法进行对比,分析了解析式的计算精度。结合经典层合板理论,研究了铺层方式对等效刚度产生的影响及原因,预测了不同铺层复合材料层合箱梁等效刚度的变化规律。      

四边简支新型类方形蜂窝夹层结构振动特性研究

新型类方形蜂窝是六边形蜂窝的一种过渡形式,对其等效弹性参数和振动特性的研究具有重要意义。采用改进的Gibson公式对比分析了双壁厚与等壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效弹性参数的差异,并应用经典层合板理论分析了不同等效弹性参数下2种壁厚类型的四边简支类方形蜂窝夹层结构的振动特性,基于有限元仿真技术分析了不同壁厚类方形蜂窝夹层结构的振动特性,并与理论分析结果进行对比。结果表明等效弹性参数的数值模拟结果与理论值基本吻合。在蜂窝基本结构参数相同的条件下,双壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效剪切模量、面外刚度和等效密度均比等壁厚类方形蜂窝夹芯大;在低阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的低,在高阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的高;影响夹层结构固有频率的3个主要因素所占权重由大到小依次为蜂窝夹芯yoz面等效剪切模量、蜂窝夹芯等效密度,蜂窝夹芯壁厚。研究结果表明采用经典层结构理论计算得到类方形蜂窝夹层结构的固有频率与数值仿真结果的一致性较好,这进一步证明了采用改进Gibson公式得到的类方形蜂窝夹芯等效弹性参数的正确性,同时证明了将该振动理论运用到一般蜂窝夹层结构研究的可行性,为扩展研究其他类型蜂窝夹层结构振动特性奠定了基础。     

仿生皮肤等效材料超声波测试方法的研究

为评定汽车安全碰撞实验模拟人的皮肤肌肉等效复合材料的力学特性,提出仿生皮肤等效材料的超声检测方法。通过测试仿生皮肤等效材料对超声波声速、衰减、散射和吸收率的变化,建立仿生皮肤等效材料力学性质与超声回波信号频率之间的关系模型,对仿生皮肤等效材料的弹性模量、组织特性、粘弹性和松弛模量进行等效性的分析与评定。对3种不同密度的仿生皮肤等效材料的声速、弹性模量和声衰减等参数进行了测算,结果表明:该测试方法正确可行,测试数据为仿生皮肤等效材料的设计合成、制备提供力学参数依据,对仿生材料的力学等效性能评定有着重要的参考价值。     

Modeling and Re-Examination of Nonlinear Vibration and Nonlinear Bending of Sandwich Plates with Porous FG-GPLRC Core

In this article, an inhomogeneous model is proposed to predict the material properties of porous GPL-reinforced composite (GPLRC) and to predict the mechanical responses of a sandwich plate which consists of top and bottom metal face sheets and a porous GPLRC core. The GPLRC core is assumed to be multilayers, and each layer may have different values of porosity coefficient to achieve a piece-wise functionally graded pattern. Young's moduli along with shear modulus of porous GPLRC core are predicted by a generic Halpin-Tsai model in which the porosity is included. Thermo-mechanical properties of both metal face sheets and porous GPLRC core are assumed to be temperature-dependent. The governing equations of motion for porous sandwich plates are solved by applying a two-step perturbation approach to obtain the analytical solutions for the two cases of nonlinear vibration and nonlinear bending of porous sandwich plates. Numerical studies are performed to compare the results obtained from the present model and the equivalent isotropic model (EIM). The results reveal that, for most cases, the difference of natural frequencies between two models is over 30%, and the vibration frequency–amplitude curves and the bending load–deflection curves are underestimated by using the EIM.     

基于等效刚度法的车体结构碰撞建模与参数优化

针对轨道车辆碰撞动态行为数值模拟效率低、耐撞性分析手段缺乏的问题,提出了基于等效刚度法的车体结构碰撞建模和参数优化方法.基于等效刚度法和简支梁弯曲应变能相等的原理,提出了中空型材截面梁等效为实芯截面梁后抗弯刚度相等的条件,推导了二者结构等效参数的求解公式,利用多岛遗传优化算法对等效参数进行了优化;详细对比了车体结构等效...     

水下含气泡橡胶材料的隔声性能的仿真

针对水下含气泡橡胶材料的隔声性能进行了研究。利用以往文献中Kelvin-Voigt粘弹性模型,得到材料动态等效体积模量、等效剪切模量及等效纵波声速随频率变化的关系,通过传递矩阵法数值计算、分析了不同孔隙率、孔径的情况下．材料的隔声性能、等效声速的变化。仿真结果表明,气泡的孔径、孔隙率的变化对复合材料的隔声性能都有显著的影响。该结果对水下隔声材料的设计有一定的参考意义。     

热冲击作用下轴向运动梁的振动特性研究

研究了两端简支不可移、轴向运动梁在热冲击作用下的横向振动特性,根据Timoshenko梁理论和Hamilton原理建立了梁的横向振动控制方程,采用微分求积法求解了梁的横向振动问题,分析了热冲击和轴向运动效应对梁固有特性的影响。研究发现:热冲击引起的梁的等效热轴力、热弯矩和弹性模量变化三因素中,热轴力对梁固有频率的影响起主导作用,材料的弹性模量变化和热弯矩起次要作用;当热冲击载荷大于或等于梁的临界压力时,达到梁的第一阶失稳模态;热冲击和轴向运动效应都会降低梁的固有频率,它们的联合作用会导致模态之间的耦合现象,使梁更易达到失稳状态。     

长厚比对正六边形铝蜂窝夹层板等效板模型动力学计算精度的影响

为提高正六边形铝蜂窝夹层板的数值计算精度,研究了长厚比对其等效板模型动力学计算精度的影响。针对芯层均匀壁厚的正六边形铝蜂窝夹层板,首先研究了它的等效板模型,包括Reissner理论模型、蜂窝板理论模型和层合板低阶剪切理论模型;然后,将等效板模型与精细化模型相同模态振型的模态频率进行比较,分析了长厚比对等效板模型动力学计算精度的影响。结果表明:芯层均质化后模型模态频率的计算误差很小;层合板低阶剪切理论模型是计算精度较高的等效板模型;Reissner理论模型在长厚比为7.37时计算精度最低,蜂窝板理论模型对厚板的计算精度比薄板低,层合板低阶剪切理论模型对厚板的计算精度比薄板高。      

V-型皱褶芯材承压的均质化等效模型

采用代理模型获得V-型皱褶芯材等效屈服应力、等效平台应力和几何参数之间的关系,并据此提出了一种承受静力/准静力面外压缩的V-型皱褶芯材均质化等效模型。计算结果与试验结果的对比表明:皱褶芯材的均质化等效模型可以很好地模拟原结构的弹塑性力学特性,并能大大减少计算耗时。对于皱褶夹芯板在结构中,特别是抗坠毁吸能结构中的应用,本文的等效模型提供了一种高效率的计算及优化手段。     

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板（等效板）上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。该方法的优点是避免了加强筋的有限元建模,从而使有限元模型的复杂程度大大降低,但同时等效刚度结构有限元模型仍能反映机翼加筋壁板的结构特性。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。由于该方法具有简单快速和准确的优点,可用于机翼初步设计阶段对颤振特性的评估。     

Curvature determination in the bending test of continuous fibre reinforcements

Bending deformation is one of the main deformation modes in the forming of continuous fibre reinforcements. It is very specific compared to the classical continuous materials. In most textile material forming simulation models, bending stiffness is neglected, but taking into account it would give a more accurate predication, particularly the shape of wrinkles. In the deformation, fibres constituting the reinforcement can slide to each other, resulting in the bending stiffness of reinforcement is not directly related to its in‐plane tensile modulus as the classical continuous materials. Consequently, it is necessary to determine the bending stiffness by the experimental method. A cantilever bending stiffness test approach was proposed to measure the bending stiffness of continuous fibre reinforcements. A CCD camera was used to take the bending deflection shape. To calculate the curvature of bending deflection curve, uniform quartic B‐spline curve was chosen. A detailed process of curvature calculating of deflection curve was given in this paper. A single bending test gives the bending moment as a function of curvature from zero to the maximum value. Bending tests were conducted to validate the capacity of the proposed approach. A smooth curvature plot along the bending deflection curve was obtained for different types of reinforcements, and the non‐linear bending deformation behaviour can be identified with the proposed bending test method.