三维编织复合材料弹性性能的表面胞体效应

在作者已有的内胞模型基础上, 结合陈利等的面胞纱线走向及Chou 等对表面纤维束截面形状的描述,建立了由面胞和内胞组合的有限元分析模型, 比较真实地模拟了三维四向编织复合材料的真实结构。通过有限元计算预测了其弹性性能, 并同实验结果进行了比较, 分析讨论了三维四向编织复合材料的面胞对整体弹性性能的影响。研究结果证明了面胞在三维四向编织复合材料弹性性能有限元预测中的重要性。      

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。      

三维四向编织复合材料宏观有限元模型冲击损伤仿真及试验验证

三维编织复合材料作为整体编织材料,能够克服层合复合材料层间强度低、易分层的缺陷,相对于金属材料,还具有质量轻、高比刚、高比强度以及良好的抗冲击性能、较高的损伤容限,在汽车、高铁、航海、航空及航天领域中具有广泛应用前景。使用空气炮发射系统开展了钢珠以约210 m/s速度冲击三维四向编织复合材料平板的不同位置试验,基于宏观观察和细观观测,分析了三维编织复合材料在受到钢珠高速冲击下的破坏模式和破坏机制。此外,本文建立了三维四向编织复合材料宏观连续介质损伤（CDM）有限元模型,其中模型计算剩余速度和试验测得剩余速度误差在5%以内,试验和数值模拟的破坏形貌也高度一致,验证了所建立的宏观CDM有限元模型的有效性。     

三维四向编织复合材料体胞模型的修正

基于弹性理论建立了三维四向编织复合材料的交叉模型。这种模型简单,易于计算,易于程序化,但弹性常数计算结果有一定误差。本文作者总结了影响三维编织复合材料弹性常数的因素,并首次对三维编织复合材料的交叉模型进行了两次修正。每次修正的原因与结果不同。首先对传统的单向复合材料的体胞模型进行修正;基于此,又考虑了编织体结构的纤维束的曲线弧度的影响,并应用正弦曲线模拟了纤维束的曲线弧度,对模型进行第二次修正。由修正后的交叉模型应用MATLAB计算了三维编织复合材料的弹性模量和拉伸载荷下纤维束截面的应力情况。由两次修正的交叉模型计算的弹性常数与试验结果符合较好。由应力大小分析了三维编织复合材料破坏的应力解释。      

三维四向编织复合材料改进模型的细观分析

三维编织复合材料现有的成型方法将导致编织物单胞模型发生变化,据此提出了一种改进的具有矩形截面的单元内胞模型,假设编织纱线具有平行六边形横截面,分析了不同区域胞体内部纤维束的空间构型,建立了三维四向编织复合材料内部单胞三维实体模型。通过分析编织物内纱线间的空间接触关系,采取合理的假设,推导了编织工艺参数和模型结构参数的关系,并计算了三维四向编织复合材料的纤维体积含量,为该种材料后续力学性能分析奠定了基础。该模型适用于部分不规则成型工艺,并有可能应用于其他形式的编织工艺研究。     

三维编织复合材料健康监测数据异常诊断研究

分析了三维编织复合材料试件结构健康监测技术现状,提出了碳纳米管在三维编织复合材料试件健康监测的应用方法.基于滑动窗口,提出了一种数据流异常检测的算法,对数据进行分析和损伤状态判定.结果说明碳纳米管应用于三维编织复合材料整体结构监控是可行的.该算法计算结果与实际损伤具有很好的吻合性.为内置碳纳米管传感器应用于复合材料制件的实时健康监测提供一种新的综合和分布式技术.     

基于碳纳米管的三维编织复合材料健康监测技术

分析了三维编织复合材料试件结构健康监测技术现状,结合三维编织复合材料编织工艺,提出了碳纳米管在三维编织复合材料试件健康监测方面的应用方法。结果说明碳纳米管应用于三维编织复合材料整体结构监测是可行的。碳纳米管传感器在三维编织复合材料试件结构健康监测中具有优异的应变传感特性,且嵌入的碳纳米管传感器对复合材料的力学性能影响不大。这为内置碳纳米管传感器应用于复合材料制件的健康检测提供了一种新的综合和分布式技术,为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。     

三维全五向编织复合材料弹性性能及热物理性能的有限元分析

在三维全五向(Q5D)编织复合材料细观结构模型的基础上, 建立了其单胞参数化有限元模型。通过施加合理的边界条件, 计算得到了Q5D编织复合材料的弹性常数、 热传导系数和热膨胀系数, 所得结果与现有的实验数据吻合较好。在此基础上, 深入研究了纤维体积分数、 编织角等工艺参数对材料弹性性能和热物理性能的影响规律, 并将计算结果与三维四向(4D)和三维五向(5D)编织复合材料的相应结果进行了对比。结果表明, Q5D编织复合材料具有较好的力学性能和纵向导热性能, 其零膨胀结构的可设计性更强, 为进一步研究此种结构材料的强度问题和热力耦合问题奠定了基础。     

三维全五向编织复合材料弹性性能及热物理性能的有限元分析

在三维全五向(Q5D)编织复合材料细观结构模型的基础上,建立了其单胞参数化有限元模型.通过施加合理的边界条件,计算得到了Q5D编织复合材料的弹性常数、热传导系数和热膨胀系数,所得结果与现有的实验数据吻合较好.在此基础上,深入研究了纤维体积分数、编织角等工艺参数对材料弹性性能和热物理性能的影响规律,并将计算结果与三维四向(4D)和三维五向(5D)编织复合材料的相应结果进行了对比.结果表明,Q5D编织复合材料具有较好的力学性能和纵向导热性能,其零膨胀结构的可设计性更强,为进一步研究此种结构材料的强度问题和热力耦合问题奠定了基础.     

温度-机械混合载荷作用下先进复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的屈曲分析

基于均匀化原理,推导了考虑沿格栅加筋圆锥壳体随母线变化的等效刚度阵和等效热膨胀系数,并采用前屈曲薄膜理论给出了在温度和均布外压载荷作用下格栅加筋圆锥截顶壳体稳定性分析的总势能表达式。基于最小势能原理得到了该壳体总体失稳的临界载荷值解析表达式,对典型复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的稳定性计算结果与有限元法所得结果相比较,验证了本文中方法的适用性。基于文中提出的方法,通过对不同温度条件下具有不同顶锥角复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体热-力屈曲分析结果的讨论,指出温度对复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性的影响程度将随其顶锥角增加而增大。     

Buckling of a composite cantilever circular cylindrical shell subjected to uniform external lateral pressure

In this paper a solution is presented for a buckling problem formulated for the cantilever circular cylindrical composite shell subjected to uniform external lateral pressure. The edge of the shell is fully clamped at one end of the cylinder and is free at the open section of the other end. An analytical formula for critical pressure has been derived using the generalised Galerkin method. The approach is illustrated by the buckling analyses of composite, orthotropic and isotropic shells. The results are verified using the finite-element method. It has been shown that the analytical solution provides an accurate estimate of the critical load and does not involve any computationally expensive procedures. This is particularly useful in the design optimisation of composite structures.     

Benchmark three-dimensional elasticity solutions for the buckling of thick orthotropic cylindrical shells

Benchmark solutions to the problem of buckling of orthotropic cylindrical shells, which are based on the three-dimensional theory of elasticity, are presented in this review article. It is assumed that the shell is under external pressure or axial compression or a combination of these loadings. These solutions provide a means of accurately assessing the limitations of the various shell theories in predicting critical loads. A comparison with some classical shell theories shows that the classical shell theories may produce, in general, highly non-conservative results on the critical load of composite shells with thick construction. One noteworthy exception: the Timoshenko shell buckling equations produce conservative results under pure axial compression.     

The buckling of an orthotropic composite truncated conical shell with continuously varying thickness subject to a time dependent external pressure

In this study, the buckling of an orthotropic composite truncated conical shell with continuously varying thickness, subject to a uniform external pressure which is a power function of time, has been considered. At first, the fundamental relations and the Donnell type stability equations of an orthotropic composite truncated conical shell, subject to an external pressure, have been obtained. Then, employing Galerkin method, those equations have been reduced of time dependent differential equation with variable coefficients. Finally, applying the variational method of Ritz method type, the critical static and dynamic loads, the corresponding wave numbers and the dynamic factor have been found analytically. Using those results, the effects of the variations of the power in the thickness expression, the semi-vertex angle, the power of time in the external pressure expression and the ratio of the Young's moduli on the critical parameters are studied numerically, for the case when the thickness of the conical shell varies as a power and exponential function. It is observed, from the computations carried out, that these factors have appreciable effects on the critical parameters of the problem in the heading.     

关于结构高频响应分析中有限元网格划分的细化标准

本文以周边简支方板在随机面分布力作用下振动加速度响应分析为例，用MSC/NASTRAN有限元软件研究了0-1000Hz和0-2000Hz频率范围内结构模态数和振动加速度响应均方根值随单元大小的变化规律，与解析法结合验证了由波动理论导出的单元细化标准。作为补充提出了结构模态数的单元细化标准。用相同方法对简支圆筒壳体在随机外压作用下1000-2000Hz频率范围内的加速度响应做了研究，本文提出的单元细化标准进一步得到验证。     

功能梯度材料薄球壳热屈曲问题

研究了由金属和陶瓷组成的功能梯度材料薄球壳热屈曲问题。用张量方法推导得到轴对称球壳稳定性方程。将热本构方程应用到球壳稳定性方程中,得到以位移表示的球壳热屈曲方程组。分别考虑均布外压和温度作用,采用伽辽金法计算分析简支球壳的热屈曲问题,给出薄球壳厚度、物性参数变化、内外表面温差变化引起的临界温度变化趋势和临界压力变化趋势。     

Postbuckling of functionally graded fiber reinforced composite laminated cylindrical shells, Part II: Numerical results

In this Part, the extensive parametric studies performed are reported and numerical results are presented for the buckling and postbuckling of fiber reinforced polymer matrix and metal matrix composite laminated shells subjected to axial compression or external pressure under different sets of environmental conditions. Two kinds of fiber reinforced composite laminated shells, namely, uniformly distributed (UD) and functionally graded (FG) reinforcements, are considered. The numerical results show that the buckling loads as well as postbuckling strength of the shell can be increased as a result of functionally graded fiber reinforcements. The results reveal that the effect of functionally graded fiber reinforcements on the buckling loads and postbuckling strength of shell with polymer matrix is more pronounced compared to the shell with metal matrix in the case of axial compression. In contrast, in the case of external pressure, the functionally graded fiber reinforcements may have a significant effect on the buckling pressure and postbuckling strength of the shell with metal matrix.     

基于弹性基础梁理论的复合材料薄壁圆柱壳屈曲承载力模型

提出一种复合材料薄壁圆柱壳轴压局部屈曲承载力计算模型。在梁弯曲变形平截面假定和小变形假定的基础上,提出复合材料层合梁抗弯刚度的计算方法;根据轴压下圆柱壳的几何对称性及受力对称性,将圆柱壳局部屈曲问题转化为轴向和环向壳带的弯曲变形问题。依据薄壳稳定理论,建立弹性基础上纵向壳带局部屈曲模型,得到了复合材料圆柱壳屈曲承载力解析公式。理论计算公式与经验工程计算公式相比,具有形式上的相似性,且得到的计算系数可直接求出,而非经验范围选取。对三种铺层的复合材料薄壁圆柱壳进行了轴压试验,结合文献试验数据对比,试验结果与理论预测值基本一致,满足工程精度要求,验证了模型的正确性。     

Buckling of Cracked Laminated Composite Cylindrical Shells Subjected to Combined Loading

A series of finite element analysis on the cracked composite cylindrical shells under combined loading is carried out to study the effect of loading condition, crack size and orientation on the buckling behavior of laminated composite cylindrical shells. The interaction buckling curves of cracked laminated composite cylinders subject to different combinations of axial compression, bending, internal pressure and external pressure are obtained, using the finite element method. Results show that the internal pressure increases the critical buckling load of the CFRP cylindrical shells and bending and external pressure decrease it. Numerical analysis show that axial crack has the most detrimental effect on the buckling load of a cylindrical shell and results show that for lower values of the axial compressive load and higher values of the external pressure, the buckling is usually in the global mode and for higher values of axial compressive load and lower levels of external pressure the buckling mode is mostly in the local mode.     

厚度变化对U型波纹管轴向刚度的影响

刚度和工作应力是波纹管的主要特性,它们取决于波纹的几何尺寸,特别是取决于其壁厚。工程上广泛应用的U型波纹管大多具有两个特点,液压成型且环板处变形远大于环壳处。针对这两个特点,考虑到波纹管在加工成型时产生厚度随半径增大而减薄的实际现象,取厚度按半径的幂函数变化规律,对工业上常用波纹管轴向刚度计算公式进行修正。使用MSC公司的有限元软件MSC.Nastran进行仿真计算,并实测一组波纹管刚度数据。通过有限元计算和实测数据的对比,验证考虑厚度变化的必要性和有效性,解释了此公式在计算时出现结果偏大的原因,同时直观的表示出厚度变化对计算结果的影响,对实际工程应用有一定意义。     

复合材料层合锥柱结合壳的有限元强度分析

本文应用各向异性层合壳体理论的有限元位移法对层合锥柱结合壳进行了强度分析。给出了各向同性锥柱结合壳和复合材料层合维柱结合壳的数值结果。各向同性锥柱结合壳的数值结果和三维弹性理论的有限元法计算结果作了比较,两者符合得很好。复合材料层合锥柱结合壳的数值结果也和用轴对称曲壳单元程序的计算结果作了比较,两者也很一致。