某型无人机复合材料机翼大梁准等强度设计与有限元分析

以某型无人机复合材料机翼工字型大梁准等强度设计与优化为目标,研究了复合材料工字梁基于载荷分段的设计方法与铺层优化方法。计算了机翼大梁弯矩方程,采用等步长载荷包络方法给出了准等强度大梁的载荷分布,计算了缘条和腹板的内力方程。基于复合材料层合结构设计的基本原则,采用经典层合板理论对大梁进行了初步铺层设计。以结构强度、刚度、稳定性作为约束条件,综合考虑最小重量要求,在分段包络安全载荷作用下对工字梁铺层进行了分段优化设计。建立了工字梁的有限元模型,基于有限元分析结果校核了工字梁的强度、刚度和稳定性。研究结果表明:采用等步长载荷包络方法能够方便地计算非均布弯矩作用下机翼大梁的准等强度设计载荷;基于经典层合板理论进行工字梁铺层初步设计,建立工字梁有限元模型能够有效、快速地对工字型机翼大梁在分段包络安全载荷作用下的铺层进行分段优化设计,同时完成大梁的强度、刚度与稳定性校核;大梁结构减重可达29%;铺层设计时必须考虑受压缘条和受剪切腹板的稳定性问题,否则大梁根部高应力区会出现局部屈曲。     

复合材料蜂窝夹层结构翼梁优化设计

利用三明治夹芯板理论,对蜂窝夹层结构翼梁进行预先等效处理,把夹层板用当量层合板模拟,将蜂窝芯子看作一特殊单层,则复合材料蜂窝夹层梁模拟成了复合材料层合结构梁.以质量最轻为目标函数,以材料的设计许用应力和单元满足应变要求作为约束函数,利用MSC.NASTRAN对当量复合材料层合结构梁进行尺寸优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、各铺层角度的铺层厚度.按照层合板铺层设计一般原则得到合理的单层铺层角度以及铺层顺序.     

钉/孔摩擦对复合材料机械连接强度的影响研究

建立了复合材料层合板单钉连接强度分析的三维模型,模型考虑了螺栓-孔接触面的摩擦效应。研究结果表明,在各个铺层中,随着摩擦系数的增大,周向应力和径向应力减小。螺栓-孔接触面摩擦系数对复合材料的拉压强度和剪切强度有较大影响,在一定范围内增加摩擦系数将会提高接头的极限破坏载荷。     

CFRP汽车防撞梁结构/材料一体化优化设计

针对复合材料汽车防撞梁结构布局和层合板铺层优化问题,提出以防撞梁强度最大为目标,宏观结构与层合板铺层角为变量的结构/材料双尺度优化设计方法。结构层面采用B样条对防撞梁轮廓曲线进行参数化表达,并改变防撞梁截面关键尺寸,构建几何模型;材料层面考虑铺层角对层合板性能带来的影响,采用0°、±45°、90°四种标准铺层角进行铺设。通过自适应遗传算法对结构与材料两个层面的设计变量进行初始化,实现了适用于复合材料汽车防撞梁的结构/材料一体化优化设计。结果表明:防撞梁结构的强度较优化之前升幅为81.41%,且最大等效应力下降至64.885MPa,小于CFRP材料的极限强度,优化结果达到预期效果。     

层压金属复合材料/纤维层合板静载作用下的强度优化设计

分别以静载作用下纤维层合板（FRP）和层压金属复合材料（FML）的强度为目标,对层合板中纤维层的铺层角度进行了优化设计,依据得到的优化结果对两种层合板在不同载荷下的强度性能进行了比较。采用有限元对层合板进行结构分析,结合Tsai-Wu准则和VonMises准则得到层合板的强度失效因子,然后将粒子群优化算法和有限元结合起来实现优化过程。优化结果表明,FML由于Al层的加入使其横方向承载能力加强,相比FRP,FML具备更好的抵抗面内双向拉伸载荷的能力;在受面外集中载荷作用时,FML在4种不同边界条件下的强度性能都优于FRP,并且FML的强度性能更为稳定。     

含孔复合材料层合板在压缩载荷下的三维逐渐损伤

通过逐渐损伤分析可以清楚地了解承载复合材料层合板内部损伤的产生及扩展过程,应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术,对不同材料不同宽孔比的含孔复合材料层合板在压缩载荷作用下的逐渐破坏过程进行分析,综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式。在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度和铺层厚度层合板在压缩载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷,通过与已有参考文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。该程序可以较大程度地提高最终失效载荷的预测精度,为复合材料层合板结构的设计和使用提供了有力的技术支持。     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

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。     

含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷下的破坏机理

综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式,同时在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,应用此三维逐渐累积损伤理论和有限元模拟方法,对两种不同铺层参数的含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷作用下的逐渐破坏过程进行了分析。结果表明:该程序可以预测任意材料体系和任意铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷;与参考文献中的试验结果比较发现,该方法的预测精度较高,验证了其正确性。     

基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。