空间充气可展薄膜天线热-结构耦合分析

介绍了热-结构耦合分析原理,并建立了空间充气可展薄膜天线的分析模型。给出热荷载和基本假定,计算了出其在低地轨道（LEO）下运行2个周期的温度场及时间温度曲线。并以此为基础进行了空间充气可展薄膜天线的热应力和热变形分析。空间充气可展薄膜天线的最高温度56.5℃,最低温度-92.8℃,同一时刻最大温差达93.10℃,最大Von Mises应力为931 511 Pa,最大Y向变形为9.666 mm,最大Y向变形RMS值为1.792 mm。对空间充气可展薄膜天线研制具有参考价值。     

基于Isight的星载天线支撑桁架结构热变形优化设计

复合材料及其结构以其优异的性能在各种航天器上广泛使用,如卫星天线支撑桁架。文章研究了以Isight为集成平台对天线支撑桁架结构进行多参数多目标优化设计,获得满足结构刚度和热变形性能要求的复合材料杆件铺层,并分析了最优铺层杆件下天线热变形。该种优化方法可以快速地找到最优方案,对于型面精度要求较高的星载天线,可以大大提高优化效率及产品性能,可应用到整个星载天线的设计中。     

高速铣削CFRP单向层合板的刀具磨损研究

碳纤维复合材料(CFRP)的可编性使其存在显著的各向异性,纤维的铺层方向对其整体性能有很重要的影响。通过选用4种不同纤维方向角的T700碳纤维复合材料单向层合板,采用斜角自由切削的方法进行铣槽试验。通过Kistler测力仪、Leica体式显微镜以及扫描电子显微镜对切削力和刀具磨损表面进行分析,得出刀具磨损机理和不同纤维方向下的刀具磨损规律。     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤特性研究

以碳纤维复合材料层合板为研究对象,针对低速冲击损伤进行落球低速冲击数值模拟与试验研究,用三维Hash-in失效准则与内聚力单元相结合分析3种不同冲击能量下层合板的损伤演化规律,在试验过程中引入数字图像技术(digital image correlation,DIC)对冲击过程进行实时监测.结果表明:碳纤维复合材料层合板的损伤面积随低速冲击能量增加而增大,低能量以基体开裂为主,高能量以基体开裂和分层为主.用DIC技术得到层合板损伤表面应变规律和集中分布区,与数值模拟结果相验证,误差小于5％.     

载荷加载速率对碳纤维镁合金层合板层间断裂韧性的影响

分别采用镁合金和碳纤维代替工程中常用的玻璃纤维增强铝合金层合板中的铝合金和玻璃纤维,通过将单向碳纤维/环氧树脂预浸料交替层压,得到复合材料板,并用环氧树脂将复合材料板与镁合金薄板加压黏结在一起,得到碳纤维增强镁合金层合板。采用单悬臂梁测量载荷速率对碳纤维增强镁合金层合板层间断裂韧性的影响。结果表明:层间裂纹在低载荷速率时以稳定的方式扩展,而在高速率时裂纹的扩展变得不再稳定;在低速率(1~1 000 mm/min)载荷下,载荷速率对层间断裂韧性有轻微的影响;层合板在高速率载荷下的层间断裂韧性大于低速率下的层间断裂韧性。     

高速弹丸冲击下复合材料层合板损伤特性仿真研究

为研究复合材料层合板在高速冲击下的损伤特性,通过有限元仿真方法,分析3种不同厚度的Kevlar纤维层合板及UHMWPE层合板在圆柱体、球体、立方体3种弹丸冲击作用下的变形破坏情况,得到3种层合板主要的总体变形破坏模式,并将结果与试验现象进行对比,明确弹丸初始动能与层合板总体变形破坏模式之间的关系。结果表明:高速弹丸冲击作用下,复合材料层合板的宏观破坏模式有整体弯曲变形、拉伸分层破坏和局部穿透破坏;对于UHMWPE材料,弹丸速度处于总体弯曲变形区与拉伸分层破坏区分界线时的吸能约为弹道极限时吸能的一半,而Kevlar纤维的吸能将超过弹道极限吸能的一半;当层合板受到圆柱体或立方体的冲击时,最大吸能将发生在弹道极限时,而球体的最大吸能发生在弹丸速度大于弹道极限时。     

基于ANSYS的多元多层碳纤维设计研究

试验以自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为研究对象,采用ANSYS有限元软件进行建模和仿真,研究多元多层碳纤维的抗变形性和层数对多元多层碳纤维承载时应力分布的影响,以及2D正交铺设中两种铺向的多元多层碳纤维中应力分布的特点,并研究其热-应力耦合问题,得到了多元多层碳纤维的初等设计准则。     

复合材料层合板的抗弹性能模拟分析

采用有限元软件ABAQUS模拟圆锥头弹体正冲击纤维增强复合材料层合板,分析了不同层数层合板在不同冲击速度下,子弹初始速度和剩余速度的关系以及层合板的等效应力云图和破坏特征云图.结果表明:在保持单层板厚度不变时,增大层合板层数可显著增强层合板的抗弹性能;子弹的剩余速度与初始速度关系曲线变化特征为先突变后平缓变化再呈线性关系;层合板的等效应力的最大值由接触点扩展到四周固定边界,最后到击穿区域周围局部单元;复合材料层合板在高速冲击下直接发生剪切破坏,而在低速冲击下先达到一定挠度然后发生破坏,为纤维拉伸破坏.     

碳纤维复合材料力学性能及其复合弹体侵彻试验研究

设计了一种碳纤维复合材料弹体,基于Forrestal阻力公式对复合弹体在侵彻混凝土靶过程中壳体所承受的最大轴向应力进行了预估。制备了碳纤维复合材料层合板、空心圆筒和复合弹体试样,对碳纤维复合材料层合板和圆筒试样进行了不同应变率下的压缩试验,对复合弹体以298m/s和432m/s的速度,分别对表面强度为48MPa、厚度为200mm和350mm的素混凝土靶进行了正侵彻试验。结果表明:选用的碳纤维复合材料抗压强度随着应变率的增大而增大;所设计的复合弹体对混凝土靶具有一定的侵彻能力;制备的复合弹体壳体能够满足着速在400m/s范围内对混凝土靶侵彻的强度需求。     

双层环形桁架可展天线机构运动特性与动力学分析

为改善单层环形桁架式可展天线在大口径时刚度较低的问题,设计一种双层环形桁架可展机构,作为大口径星载天线的支撑与展开机构。对双层环形桁架可展天线进行结构分解,绘制闭环可展机构单元的旋量约束拓扑图,分析机构自由度,得出双层环形桁架可展机构只有一个自由度;基于螺旋理论分析各个构件的旋量速度,通过矢量运算得到各个构件的角速度和质心线速度,并得到速度雅可比矩阵;利用旋量导数分析机构中各个构件的旋量加速度,计算得到各个构件的角加速度和质心线加速度;基于牛顿-欧拉方程和虚功原理,建立整体双层环形桁架可展机构的动力学方程,进行数值计算与仿真验证。研究结果表明：计算和仿真结果验证了理论分析的正确性;所提双层环形桁架可展天线机构整体结构简单,仅需一个驱动便可顺利展开;基于螺旋理论的运动学和动力学分析方法具有明确的物理意义,且分析过程较为程式化,易于编程。     

复合材料面层-泡沫金属夹芯板的振动及吸能特性分析

在冲击载荷作用下,泡沫金属夹芯板沿厚度方向存在不可忽略的压缩和剪切变形,故经典层合板理论不适用于这类夹芯结构的分析,必须考虑芯层的横向压缩和剪切变形。利用高阶理论考虑芯层的横向剪切和正应变,应用Kirchhoff理论分析上下面层。采用哈密尔顿方程和加权伽辽金法获得夹芯结构振动方程;根据振动方程,边界条件和初始条件,利用4阶Runge-Kutta法,在冲击载荷作用下,求出复合材料面层-泡沫金属夹芯板在弹性变形阶段的横向动态位移,同时求出夹芯板的固有频率并与有限元计算结果进行比较,二者吻合很好。讨论不同复合材料面层铺设角、阻尼比及芯层厚度参数对夹芯结构振动特性的影响,结果表明：改变复合材料面层铺设角及芯层厚度,可改变夹芯结构的整体刚度,进而影响结构的振动特性;阻尼耗散结构能量,可加速结构振动的衰减。通过分析复合材料面层-泡沫金属夹芯板的能量吸收特性,得出了由于泡沫芯层承受横向压缩和剪切变形而具有良好吸能特性的结论。     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测

为了预测含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度,建立了复合材料层合板结构从冲击到冲击后压缩的全过程分析模型.基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,结合Hashin失效准则和Cohesive界面单元,建立了复合材料层合板结构有限元分析模型,完成了低速冲击载荷下的有限元仿真模拟和冲击后剩余强度的有限元预测.通过与试验值对比,仿真结果与试验结果有良好的一致性,所建立模型能够有效进行含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度预测.     

初始裂纹对碳纤维层合板断裂韧性影响的研究

采用碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料层合板材料,制取了不同初始裂纹长度的试样,采用三点弯曲试验得到其弯曲断裂载荷-位移曲线,并采用柔度变化率的方法确定起裂点,用J积分的远场公式来计算JIC值。结果表明:碳纤维复合材料层合板具有"假塑性"的力学行为;随切口深度a/W增加,起裂点载荷值减小,并且当切口深度比较浅时,JIC值不稳定。     

UHMWPE层合板透波性能研究

对采用不同工艺制作的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料以及玻璃钢复合材料的介电参数进行测试。结果显示,UHMWPE模压层合板具有很低的介电常数和损耗角正切。利用介电参数测试得到的数据对UHMWPE层合板透波性能进行计算和分析,并制作一块33 mm厚的层合板试样进行透波性测试。结果表明,UHMWPE层合板具有优异的透波性能。鉴于UHMWPE复合材料在防弹和透波方面所具有的优异性能,对其在防弹天线罩上的应用进行探讨。     

钻削工艺对复合材料/金属叠层板孔质量的影响

采用整体硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削试验,研究不同加工工艺下碳纤维复合材料层的孔径误差、孔入口撕裂因子、孔壁表面粗糙度、孔出口烧伤以及碳纤维复合材料孔壁形貌。结果表明,啄式钻削工艺下的钛合金切屑排出更顺畅,避免钛合金切屑对孔的二次伤害。对比3种工艺,变加工参数啄式钻削工艺下的碳纤维复合材料层的孔径误差更小,孔入口处的撕裂因子趋于稳定值且小于1.05,孔壁表面粗糙度更小,孔出口没有明显烧伤。     

碳纤维复合材料各向异性特性对气泡形态影响试验研究

为探究碳纤维复合材料各向异性特性对气泡溃灭形态的影响,利用高速全流场显示系统记录和观测单向纤维铺层的碳纤维复合材料边界附近气泡形态,以及复合材料边界变形随时间变化的过程,对气泡在不同铺层角度复合材料边界附近的形态变化进行分析。在气泡距复合材料边界相同初始距离下,针对铺层角度为0°、90°以及0°+90°交替叠加铺层的3种碳纤维复合材料板,对比了复合材料边界附近气泡的形态变化过程以及复合板变形的差异。研究结果表明：气泡在边界附近溃灭时产生高速射流以及冲击波是破坏边界的主要原因;铺层角度的不同会导致单向纤维复合材料边界的变形方式不同,从而严重影响气泡的形态演化过程以及溃灭方式。     

环氧基CFRP冲击性能及损伤容限性能研究

为获得碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)受低速冲击时的损伤情况,对环氧基CFRP层合板进行抗冲击及损伤容限性能试验。为获取不同冲击能量下CFRP层合板的低速冲击响应信息,对CFRP层合板进行低速冲击试验,基于试验结果进行层合板低速冲击损伤形式、损伤机理及能量响应和冲击损伤形貌分析;为确保复合材料结构的耐久性和损伤容限,进行冲击后压缩试验,分析CFRP的损伤阻抗和损伤容限。结果表明:冲击能量在冲击过程中被吸收或转化,CFRP层合板的分层阈值和冲击能量无关,与材料的属性及成型工艺相关;CFRP层合板的冲击能量-凹坑深度曲线与凹坑深度-剩余压缩强度曲线拐点位置一致,且拐点对应的凹坑深度不超过BVID规定的凹坑深度。     

基于ANSYS的复合材料耐压壳体的有限元分析

用有限元软件ANSYS建立复合材料耐压壳体的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为层合板来处理。耐压壳体柱段采用螺旋方式缠绕,忽略封头处缠绕层厚度及缠绕角度不断变化。针对耐压壳体承受外压均布载荷的状况,分析其在该状况下的应力、模态等特性。     

冲击载荷下复合材料干涉连接的应力分析

针对复合材料在某地面机动武器系统中的应用,对冲击载荷下复合材料干涉连接的应力进行分析.在复合材料经典层合板理论假设的基础上,建立冲击载荷下复合材料层合板、金属板与螺栓3种不同干涉量的干涉连接有限元模型,并利用有限元分析软件对其进行应力分析.分析结果表明:3种不同干涉量下,模型受到冲击载荷时的应力集中情况,根据复合材料层合板Tsai-Wu破坏准则,确定在冲击载荷下复合材料与紧固件的最佳干涉量值为1.4％.     

基于三维等效弹性模量的轨道炮复合身管抗弯刚度分析

基于复合材料层合板理论,建立轨道炮身管纤维缠绕复合外壳的三维等效弹性模量的计算模型。采用组合梁的转动惯量法对纤维缠绕的轨道炮身管的轴向抗弯刚度进行分析,并与相应有限元法的计算结果做对比。对比显示,两种计算方法在缠绕角度较小时,计算结果一致性较好。还对缠绕角度的变化对身管抗弯刚度的影响进行分析,结果表明,随着缠绕角度的增大,身管抗弯刚度呈先小幅下降后逐渐增大的趋势,并且碳纤维层缠绕角度的变化对轨道炮身管抗弯刚度的影响比玻璃纤维层的要大。