复合材料离心叶轮应力和振动有限元计算与分析

采用有限元方法,首先对钢制离心叶轮工作时在离心力作用下的应力进行了计算和分析。在此基础上,对复合材料离心叶轮在离心力载荷条件下的最大应力和固有频率进行了计算评估。预测纤维复合材料层压结构极限强度对叶轮安全设计和轻量化设计是至关重要的,失效判定采用Tsai-Wu失效准则,为避免因共振使叶轮设计寿命明显降低,计算了叶轮的固有频率和模态振型以分析其动态特性。结果表明,复合材料碳纤维/环氧树脂可承受叶轮线速度在605m/s运行时的应力,在风机启停工作转速范围内没有共振转速相匹配。本文研究结果为纤维增强复合材料风机叶轮的设计及应用奠定了基础。     

基于ANSYS的碳纤维复合材料传动轴失效分析

为了研究铺层角度、厚度以及顺序对碳纤维复合材料失效模式的影响规律,本论文运用有限元软件ANSYS模拟复合材料在不同铺层方案下的失效模式。研究发现铺层角度和铺层顺序均对复合材料的失效具有较大的影响。在铺层角度为60°—70°之间出现应力最小值,其失效可能性比较低;在铺层顺序上,采用45°在复合材料底层比其他方案更减少其失效性。将运用此有限元方法能更有效,更直观的分析碳纤维复合材料的失效模式,并能给某型号风机传动轴铺层方案提供参考价值,从而提高传动轴的使用寿命。     

不同铺层方式的复合材料层合板弯曲性能的研究

以碳纤维缠绕电动节能车车架为研究对象,采用有限元分析和力学试验对比的方式研究碳纤维铺层角及铺层层数对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。以层合板铺层角度、铺层层数为变量设置试验对比组,在ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块中创建层合板的有限元模型研究层合板在承受弯曲载荷时的抗弯表现。结合弯曲试验结果,分析不同铺层方式对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明:在铺设一定数量的±45°铺层的基础上,增加0°/90°正交铺层可提高层合板的静承载强度;增加铺层层数,可提高层合板的弯曲强度。     

碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计

树脂基碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等优良性能.将其应用于汽车引擎盖,在保证刚度等力学性能要求的前提下,能够有效地减轻重量,实现汽车轻量化的目的.文中选择了合适的铺层顺序和铺层角度[90°/45°/0°/-45°/90°],优化了铺层方案,满足了汽车引擎盖的性能要求.从结构方面对碳纤维复合材料汽车引擎盖进行分析,指出其优势和不足,对包括引擎盖在内的汽车覆盖件的设计具有积极的参考意义.     

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。     

碳纤维增强复合材料叶轮风机的振动试验研究

减振降噪一直是风机设计与应用单位研究的一项重点内容。碳纤维增强复合材料因优异的阻尼性能而使其在结构减振设计上具有重要的作用。采用层合结构碳纤维增强复合材料设计叶轮,并针对同一型号风机仅仅更换不同材料叶轮后进行了风机振动试验。结果表明,与铝合金材料叶轮风机相比,碳纤维材料叶轮风机全频段的结构振动加速度级降低幅度明显,减振效果显著。     

气垫船用垫升风机叶片轻量化研究

垫升风机作为海陆两栖作战艇只——气垫船的核心动力装备,其轻量化和可靠性是两个重要设计指标。轴流式垫升风机叶片质量仅为常规设计的1/4,且可靠性要求高,因此,叶片轻量化是轴流式垫升风机设计难点之一。目前,有关轴流式垫升风机叶片轻量化研究未见相关公开文献报道。本文根据某型号气垫船用垫升风机的设计要求,针对叶片轻量化,选材、强度计算、成型方法等方面进行了研究。研究表明:采用铝合金或碳纤维复合材料的叶片可以达到轻量化的要求,碳纤维复合材料叶片的安全性高于铝合金叶片且通过频率隔离裕度宽,采用一定方式铺层的碳纤维可达到固有频率高且强度好的效果。     

真空挖掘抽吸车CFRP叶轮的轻量化研究

碳纤维复合材料(CFRP)具有强度高、比重小等优点,在结构轻量化上有着广泛的应用。以某型离心风机叶轮轻量化为目标,设计了两种碳纤维复合材料叶轮的轻量化方案。通过使用CAE分析软件Abaqus,对比典型工况下金属叶轮和碳纤维轻量化叶轮的结构强度,并继续优化碳纤维叶轮结构,最终设计出合理的叶轮结构。使用Tsai-Wu强度理论对碳纤维复合材料叶轮进行了强度校核。分析结果表明:碳纤维轻量化叶轮能够满足设计要求,且较之金属叶轮,两种方案下的轻量化叶轮减重比分别为72.23%和44.60%。     

基于HyperWorks 的不同铺层方式复合材料剪切强度有限元分析

剪切强度和剪切韧性是反映复合材料构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标,不同铺层方式的单向玻璃纤维与短切玻璃纤维混杂增强复合材料层合板的层间剪切性能有明显差异。文中基于HyperWorks 商用有限元软件建立了精确的复合材料层合板模型,通过数值模拟分析不同铺层方式复合材料层合板的层间剪切性能。研究结果表明,铺层材料对复合材料层合板的层间剪切性能影响较大,而铺层顺序对复合材料层合板的层间剪切性能影响较小。     

纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。     

复合材料薄壁圆柱壳热振动特性分析

采用有限元软件ANSYS参数设计语言（APDL）实现复合材料薄壁圆柱壳结构在线性分布温度场作用下的非线性热振动特性分析。计算不同约束条件、不同铺层方式和铺层层数的复合材料薄壁圆柱壳在线性温度场作用下的各阶固有频率,分析边界约束、铺层角度及铺层层数对结构热振动频率的影响。结果表明,温度效应、边界约束、铺层层数显著影响结构的固有频率,适当的铺层角度会改变结构的固有频率,不同的铺层方式对结构固有频率影响程度不同。这些结论将对复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。     

铺层参数对复合材料电池箱盖模态和稳定性的影响

为满足汽车在运动过程中电池箱壳体振动小和噪声低的要求,现以某款新能源汽车电池箱盖的玻璃纤维复合材料铺层设计为研究对象,通过有限元分析软件对电池箱盖纤维铺层方案进行模态及强度分析,探究复合材料铺层结构对电池箱盖固有频率和稳定性的影响。分析结果表明:当铺层厚度和铺层顺序保持不变时,增加±45°纤维铺层比例,电池箱盖的固有频率和稳定性能显著提高;保持铺层厚度和铺层比例不变时,铺层顺序对电池箱盖模态的影响效果不明显,但对最大应力值有很大的影响,0°纤维铺层角度在最外侧电池箱盖受到的最大应力远低于±45°;随着纤维铺层厚度的增加,电池箱盖的固有频率和稳定性能不断提高。     

基于改进自适应遗传算法的层合板铺层设计

针对复合材料结构设计中层合板铺层角度多变、难以确定最优设计方案的问题,应用遗传算法对复合材料层合板进行以铺层角度为变量、以层合板强度最大为目标的优化设计。采用MALTAB语言编写改进的自适应遗传算法主程序,在寻优过程中,调用APDL编写应力计算程序,并将输出的计算结果返回MALTAB进行优化计算。以对称层合板为算例进行计算验证,其安全裕度提高了21.5%;通过对比传统遗传算法,证明改进的遗传算法具有快速收敛性。     

离心压缩机叶轮冲蚀磨损的动力特性研究

为研究固粒冲蚀磨损对离心压缩机叶轮动力学特性和结构强度的影响,建立磨损损伤的叶轮的三维模型,并采用有限元方法,对有无离心预应力状态下原始叶轮和损伤叶轮的固有频率和振型进行提取,对叶轮共振特性进行研究,对因材料流失而造成的叶片强度、刚度变化进行了分析。研究结果表明:因冲蚀磨损引起的叶片局部减薄对叶轮整体振动特性影响不明显;叶轮在工作转速下其第6,7阶共振裕度较小;冲蚀磨损损伤的叶片存在应力集中和刚度降低的现象。     

复合材料电梯层门强度特性研究

针对电梯层门应用复合材料的强度特性问题,对层门门扇及筋板进行了复合材料反对称正交铺层设计,利用复合材料有限元法与Tsai-Wu强度失效准则,对其结构强度特性进行了研究。在层门型式试验验证有限元模型有效的基础上,分别选取单轴玻璃纤维环氧树脂(E-G)和碳纤维环氧树脂(E-C)材料,详细对比了不同层门门扇厚度、筋板个数对层门强度特性的影响。研究表明:在反正对称正交铺层设计下,E-G与E-C复合材料层门均可满足电梯层门设计要求,E-G与E-C复合材料横向压缩强度幅值数倍于横向拉伸强度,门扇内侧区域面内受最大拉伸应力,而外侧区域受最大压缩应力,其层门强度特性主要由横向应力分布主导;提高复合材料性能、门扇厚度和筋板个数目均可有效改善层门整体强度特性。     

铺层参数对碳纤维复合材料板的隔振性能影响研究

碳纤维复合材料铺层参数对其振动特性影响很大。以碳纤维复合材料板为研究对象,从理论上分析了碳纤维复合材料板在自由振动下的模态特性,并运用有限元模型分析了铺层参数(铺层角度,铺层厚度,铺层顺序)对碳纤维复合材料板隔振性能影响特点。结果表明,在单一铺层中,±45°的铺层隔振性能更好;铺层厚度对碳纤维复合材料板隔振性能影响不大;与循环铺层方式相比,对称铺层方式更有利于提升碳纤维复合材料板的隔振性能。     

不同铺层角度GLARE层板复合材料的抗鸟撞性能

采用大型非线性动力学软件PAM-CRASH,分别建立了三种铺层角度GLARE层板复合材料简单平板和飞机尾翼典型前缘结构的有限元模型,对三种平板和结构进行抗鸟撞有限元模拟,研究了不同铺层角度GLARE层板复合材料的抗鸟撞性能,并进行了试验验证。结果表明:对于厚度相同的GLARE层板复合材料,铺层角度为±45°正交铺层方式的平板和结构的吸能量效果最佳,抗鸟撞性能最优;铺层角度为0°/90°正交铺层方式的次之,0°/45°/-45°/90°铺层方式的最差;试验得到的三种铺层结构的破坏形态、面积以及撞击点附近某点的应变时程曲线与模拟结果一致,说明建立的有限元模型正确。     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。     

某碳纤维机载电子机架设计及仿真分析

树脂基碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)作为一种高性能复合材料,与金属材料相比,具有比强度和比模量高、减振性能好等特点,在机载电子设备中的应用越来越广泛。文中针对机载环境条件特点,设计了一种碳纤维复合材料电子机架,提出了一种碳纤维铺层设计方法,采用ANSYS软件进行了力学仿真分析,并利用ANSYS Composite PrepPost(ACP)工具基于蔡-吴失效准则计算了铺层失效系数,较好地验证了该设计方法。该设计方法对同类电子机架结构设计具有一定的指导意义。     

铝/碳纤维复合材料保险杠轻量化设计

对保险杠进行轻量化设计,并保证碰撞安全性,用铝/碳纤维复合材料替换原保险杠防撞梁钢质材料。分别对保险杠各部分厚度及碳纤维铺层角度进行了设计,确定了铝合金和碳纤维的厚度,探讨了铝合金和碳纤维板的厚度对碰撞性能的影响,通过采用对碳纤维铺层角度优化的方法提高碰撞安全性。通过拉丁超立方采样得到的试验样本,用移动最小二乘法建立近似模型并验证其精度,利用多目标遗传算法对近似模型寻优,确定了碳纤维最佳铺层角度,得到优化后铝/碳纤维复合材料保险杠防撞梁。与原钢质材料的保险杠相比,优化后铝/碳纤维复合材料保险杠质量减轻了36.497%,且满足碰撞安全性要求。