基于ARX模型的复合材料加筋板结构冲击载荷时程重建

发展一种基于ARX模型的冲击载荷时程重建方法,用于识别作用在复合材料结构上的冲击载荷时间历程,为复杂结构冲击载荷识别问题的解决提供有效途径。建立复合材料加筋板结构冲击载荷实验,首先对完成网格划分的复合材料加筋板结构进行冲击载荷训练,实现系统辨识,得到结构的ARX模型;然后推导逆向ARX模型的输入输出关系,通过逆向传递函数矩阵集合描述复合材料加筋板结构,结合等参单元理论,基于传感器信号重建复合材料加筋板结构的冲击载荷时间历程。研究结果表明,所提方法能够在线有效地重建作用在复合材料加筋板结构上的冲击载荷时间历程。     

复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击位置识别研究

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯结构的低速冲击实验,采用一种基于应力波和免疫遗传算法的冲击载荷定位方法对蜂窝夹芯结构上的低速冲击载荷进行分析和定位。首先,通过一组事先确定冲击位置的低速冲击载荷产生的冲击应力波实验数据,使用小波变换方法对其在时频域进行分析,获得多个频率上冲击应力波在蜂窝夹芯结构中的传播速度;然后在此基础上,考虑蜂窝夹芯结构中应力波的各向异性特性,采用免疫遗传算法对未知的低速冲击载荷进行位置识别。实验研究结果表明了该方法的可行性和有效性     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

基于多重信号分类算法的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性, 将阵列信号处理技术引入到结构健康监测领域, 提出了利用小波变换和多重信号分类算法实现复合材料结构冲击定位的新方法: 通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分, 运用多重信号分类(MUSIC) 算法实现冲击源到达方向的估计; 根据Lamb 波传播特性, 用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb 波到达同一传感器的时间差, 结合对称模式和反对称模式Lamb 的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离, 实现冲击定位。对玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和碳纤维/双马树脂基复合材料层合板2 种试件的实验均表明该方法能快速、精确地识别出冲击源位置。      

基于光纤光栅传感器的复合材料层合板冲击能量研究

复合材料结构较容易产生结构表面无法探测到的低速冲击损伤。试验利用光纤复合材料结构中布拉格光纤光栅传感器受到低速冲击后光栅中心波长随应力变化这一特性,在恒温下用布拉格光纤光栅传感器对复合材料智能结构受到的低速冲击能量给出判别,并对通过光纤光栅解调仪采集下来的低速冲击信号进行频谱分析。在计算冲击信号所有能量等级的频谱峰值后,给出可以界定能量等级的频谱峰值临界值,利用其来判别低速冲击能量等级。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以监测复合材料受到冲击的信号,能够对复合材料结构低速冲击进行能量等级判断研究     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

风载和冲击载荷激励下的框架结构的模态参数辨识

通过测量框架结构在风载和冲击载荷作用下的加速度响应,使用子空间辨识方法从响应信号中提取结构的模态参数.冲击载荷能改善响应信号的信噪比,减小风载的不平稳随机干扰对参数估计的影响.在参数提取算法中,通过构造特殊形式的辨识矩阵,将特征频率、阻尼比和特征振型估计分两步完成,即先估计特征频率、阻尼比,后估计特征振型.该方法提高了密集模态在强噪声干扰下的可辨识性,同时增强了虚假特征的识别能力.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型.该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式,在层内采用应变描述的失效判据,结合相应的材料性能退化方案,通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化.在层间以及筋条与层板间加入界面元,模拟层间区域的情况,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.通过对数值模拟结果与实验数据的比较,验证了模型的合理性和有效性.同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响.     

带口盖加筋复合材料壁板剪切性能

采用试验和有限元方法研究了带口盖加筋复合材料壁板的剪切性能。在带口盖加筋复合材料壁板有限元模型的基础上, 去掉口盖, 对不带口盖的大开口加筋复合材料壁板进行了有限元模拟分析, 以此研究口盖对带口盖加筋复合材料壁板的影响。试验和数值计算结果表明: 当达到屈曲载荷时, 带口盖加筋复合材料壁板各个区域同步发生屈曲, 最终破坏位置位于加强筋条以外的复合材料壁板区域; 去掉口盖后, 结构的刚度以及承载能力降低, 结构的应力集中点以及损伤起始位置均发生变化, 破坏时失稳形式无明显变化, 均为局部失稳。      

变厚度复合材料板低速冲击能量监测

为了监测变厚度复合材料层合板在使用过程中受到的低速冲击载荷,将光纤传感及信号处理技术相结合,建立了光纤布拉格光栅冲击能量监测系统。将光纤传感网络采集到的所有冲击样本信号进行WEMD分解;根据样本信号冲击能量特征值建立冲击样本信号能量特征集合;根据信号分解的第一阶分量确定厚度系数并修正能量特征集合,评估实际冲击能量。结果表明,基于WEMD分解的厚度系数修正方法能够更准确评估低速冲击能量,其中低灵敏度的大厚度区域平均误差从15.19%明显减少为6.96%。提出的能量识别方法成功识别了1~3 J冲击能量,其中最大误差为15.67%,平均误差为5.5%。     

复合材料T型加筋板筋条冲击损伤及冲击后压缩行为试验

本文研究了复合材料加筋板的筋条冲击损伤及冲击损伤对加筋板轴向压缩（CAI）行为的影响。针对T型单筋加筋板,通过落锤法从面板一侧对筋条进行5种能量水平的低速冲击。试验结果表明：冲击筋条产生的面板凹坑不易观察;当冲击能量低于筋条损伤门槛能量时,加筋板筋条无损伤出现,筋条-面板也不会发生脱粘;一旦冲击能量超过筋条损伤门槛能量,筋条的腹板会在弯曲拉伸应力作用下损伤,同时筋条-面板之间会出现严重脱粘。分别对完好和损伤试验件进行压缩试验,试验结果显示：低于门槛能量的冲击对加筋板的压缩屈曲载荷影响不大,同时只会略微降低失效载荷;而冲击造成筋条损伤后,筋条在压缩过程中会由于损伤扩展出现卸载;卸载后的筋条会对面板失去支撑,使面板的屈曲载荷降低,从而大幅地削弱加筋板的承载能力。     

Impact Force Identification of CFRP Structures Using Experimental Transfer Matrices

This paper presents a method for identifying the location and force history of an impact force acting on CFRP structures such as laminated plates and stiffened panels. The identification method is an experimental one without using any analytical model of the structure. Here, experimental transfer matrices, which relate the impact force to the corresponding responses of PZT sensors, are used to identify the impact force. The transfer matrices are preliminarily constructed from the measured data obtained by impact tests with an impulse hammer. To identify the impact location, the arrival times of the flexural waves to the PZT sensors are used, and an analog band-pass filter is used to obtain waves with a specified frequency. The wave velocity is determined experimentally from impact test results. The present method is verified experimentally by performing impact force identification of CFRP laminated plates and CFRP stiffened panels. The results reveal that the location and force history of the impact force can be identified accurately and rapidly using the present method.     

复合材料加筋板低速冲击损伤及剩余压缩强度试验研究

采用落锤法对复合材料加筋板进行了低速冲击损伤（LVI）试验,根据复合材料加筋板构型,设计了冲击支持支架,研究了支持支架的间距对冲击结果的影响;用相同的冲击能量对复合材料加筋板结构中3处典型位置进行冲击,得到不同位置的损伤形貌;分别对完好件和损伤试验件进行压缩试验,将试验结果进行对比,分析不同位置的冲击损伤对结构压缩性能的影响。试验结果表明：在相同的冲击能量下,支持支架间距越小,所造成的冲击损伤越严重;在50 J冲击能量下,筋条区蒙皮处的冲击所造成的损伤不易观察,筋条间蒙皮处的冲击所造成的损伤最为明显,而筋条边缘蒙皮处的冲击可以导致筋条边缘的脱粘;冲击损伤会使加筋板屈曲载荷轻微下降,筋条间蒙皮和筋条区蒙皮冲击损伤对压缩结果影响相对较小,筋条边缘处的冲击会引起损伤处蒙皮的子层屈曲,并影响结构破坏形式,使结构压缩承载能力有较为明显的下降。     

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

基于临界刚度的复合材料筋材多变量优化设计方法

以船舶结构优化设计为背景,针对目前结构安全余量过高导致加筋板板筋刚度过匹配现状,提出板筋刚度匹配临界刚度的概念,推导了板筋刚度比关系式。以T型复合材料筋材为对象,建立优化模型,基于Isight软件平台对设计变量进行灵敏度分析,简化设计变量。采用多岛遗传算法对筋材开展多变量优化设计,结合工程实际在筋材优化结果基础上确定设计方案,并开展复合材料加筋板力学性能试验研究,验证了多变量优化设计方法的可行性。研究表明:利用提出的加筋板板筋刚度比关系式,可以指导板筋刚度匹配设计;对T型复合材料筋材进行优化设计时,提升腹板高度对优化目标影响最明显;在等刚度约束前提下,提出的T型筋材优化设计方案能够较好地实现优化目标,同时保证了较优的经济性。      

Impact Force Magnitude and Location Recognition of Composite Materials

In order to identify the location and magnitude of the impact force accurately, determine the damage range of the structure and accelerate the health monitoring of key components of the composite, this paper studies the location and magnitude of the impact force of composite plates by an inverse method. Firstly, a PZT sensor mounted on the material plate is used to collect the response signal generated by the impact force, which is from several impact locations, and establish transfer functions between the impact location and the PZT sensor. Secondly, this paper applies several forces to any location on the material plate, and collects the corresponding response signals, and reconstructs the impact force of several locations in turn. Finally, according to the reconstruction result of each location, the correct impact location is identified. Then, an improved regularization method is used to optimize the reconstructed impact force and accurate the magnitude of the impact force. The comparison experiments prove that the recognition error of this method is smaller.     

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

复合材料蒙皮-加筋大开口结构优化设计

采用有限元法对复合材料蒙皮-加筋大开口结构进行了优化设计,研究孔边补强和加筋补强对大开口结构屈曲特 性的影响.结果表明:孔边翻边补强可使应力集中远离孔的自由边,增加翻边深度和宽度皆能提高屈曲载荷;采用共固化加筋要比整体加筋效果明显,同等条件下,优先考虑低而密的筋条布置,同时增加横向筋的数量.