复合材料层合薄壁短圆柱壳动力学相似模型几何适用区间确定方法

针对旋转复合材料层合薄壁短圆柱壳结构的相似试验模型设计问题,提出一种不完全几何相似(畸变)模型的几何尺寸区间确定方法。用动力学平衡方程分析与敏感性分析相结合,建立层合薄壁短圆柱壳模型与原型间的相似关系,通过对导出的三种固有特性相似关系进行修正,得到层合圆柱壳动力学相似关系。以一种常用复合材料层合薄壁短圆柱壳为例,在深入研究使模型与原型在固有特性相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时,畸变模型的几何尺寸适用区间确定方法的基础上,利用数值分析方法,最终得到复合材料层合薄壁短圆柱壳模型和原型在不同阶次下,固有特性相似的畸变模型几何结构适用区间及其边界函数的确定方法。该研究结果为旋转层合薄壁短圆柱壳的动力学相似模型设计问题奠定了理论基础。     

圆环薄板类构件畸变相似关系的确定方法

针对圆环薄板类构件由不完全几何相似模型（即畸变模型）试验结果来预测原型固有特性的问题,基于圆环薄板的本构方程得到了圆环薄板模型和原型的完全几何相似关系。在建立圆环薄板结构参数对固有频率的敏感性与相似因子指数的比值关系基础上,提出圆环薄板不完全几何相似模型与原型的动力学相似关系（即畸变相似关系）的确定方法。研究发现,畸变相似关系随所研究固有特性阶次的不同而不同,其与圆环薄板参数对固有特性的敏感性相关。通过算例对所提出确定方法的正确性进行了验证。     

组合转子拉杆螺栓蠕变松弛畸变相似机理研究

重型燃气轮机组合转子拉杆螺栓蠕变松弛试验时间非常漫长,过程极其复杂,不可能以原型尺寸进行试验。提出一种基于相似理论的不同尺寸组合转子拉杆螺栓蠕变松弛建模方法。建立完全相似缩尺模型,缩短试验周期;考虑工程实际中模化缩小模型存在尺寸畸变,在完全相似模型的基础上建立畸变相似缩尺模型,得出畸变相似预测系数来对畸变模型进行修正。实现通过畸变相似模型反演原型组合转子拉杆螺栓蠕变松弛引起的组合转子动力学性能变化规律的目的。     

层合板和蜂窝夹心结构复合材料敲击特性研究

制备了层合板结构和蜂窝夹心结构两种不同结构的复合材料损伤试块,基于有限元理论对这两种典型复合材料损伤结构的振动特性进行了分析,发现损伤尺寸对碳纤维蜂窝材料固有频率的影响显著优于碳纤维层合板的固有频率。采用啄木鸟智能检测仪对两种不同结构的复合材料损伤试块进行了敲击试验,试验结果表明,蜂窝夹心结构损伤试块的敲击检测脉宽损伤差异率为50.5%,而层合板损伤试块的敲击检测脉宽损伤差异率为31.5%,敲击检测对碳纤维蜂窝复合材料的损伤检测灵敏度显著大于层合板结构复合材料。     

基于分层理论的层合板结构声辐射模态传感器设计

在低频时控制振动板结构的声辐射模态幅值是降低结构辐射声功率的一种有效策略。提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量复合材料层合板结构声辐射模态幅值。通过聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器阵列输出信号设计加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为所需结构声辐射模态幅值。加权系数取决于复合材料层合板结构振动模态表达式。由于复合材料层合板结构复杂动力学特性,通过分层理论结合有限元法得到离散结构模态值,并对有限元离散结构模态进行最小二乘法的曲线拟合,从而得到层合板结构振动模态表达式。数值结果表明该方法计算层合板结构模态以及PVDF声辐射模态传感器设计是可行的。对试验数据进行分析比较。     

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。     

平纹编织C/SiC复合材料层合板面内力学性能的可设计性研究

通过试验和理论分析,研究平纹编织C/SiC复合材料层合板的面内承载特性.制备(0°/90°)主方向和(±45°)偏轴向试件,并分别进行室温下面内单向拉伸和剪切试验.试验结果显示平纹编织C/SiC复合材料层合板的力学性能与纤维方向角相关,(±45°)偏轴向试件的抗剪切破坏性能明显较高.基于微观结构的解析模型分析表明,孔洞和微裂纹的存在大幅度降低了SiC基体的有效弹性模量.经典层合板理论仍然适用于该材料类型层合板的刚度分析,从而证实碳纤维对层合板力学性能的控制作用.平纹编织C/SiC复合材料层合板的面内力学性能具备良好的可设计性.     

燃气轮机拉杆转子畸变相似问题研究

针对燃气轮机拉杆转子结构复杂,其试验模型相对于原型存在较大程度的畸变,无法直接反映原型真实动力学特性的问题,采用量纲分析法研究了燃气轮机拉杆转子的相似问题,得出了拉杆转子模型发生畸变的判据,提出了一种转子畸变模型的补偿方法,并得到了相应的畸变补偿量,推导了畸变补偿模型与原型的动力学特性畸变相似准则,实现了通过畸变补偿模型直接获得原型动力学特性的目的。算例分析验证了理论分析的正确性。     

电动车轻量化复合材料车身骨架多尺度分析

复合材料由于其微观结构的非均匀性以及复杂的力学特性,使得其零部件设计难度大大增加。采用多尺度分析的方法,根据T300/Epoxy斜纹机织复合材料细观几何参数,建立其单胞几何模型,引入周期性边界条件对单胞结构进行有限元分析,进而预测复合材料层合板三维弹性性能参数,并通过力学试验证明试验结果和预测结果较为接近;利用LS-Dyna中的MAT_54建立复合材料渐进失效模型,通过三点弯曲试验结果调整模型参数,最终得到的复合材料渐进失效模型仿真结果与试验结果一致;将调整好的复合材料渐进失效模型应用到电动车复合材料车身骨架轻量化设计中,对复合材料骨架进行顶压仿真以及柱碰仿真分析。分析结果表明,复合材料车身骨架设计符合法规要求,与铝合金骨架相比,在重量减轻59%的同时表现出更好的耐撞性能。     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板,首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数,其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程,最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明,平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好,验证多尺度模型的有效性;搭接长度在5～15 mm时,随着搭接长度的增大,单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大,并趋于稳定,而搭接剪切强度逐渐减小;单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效;相同搭接长度下,与单搭胶接结构相比,双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型,提出一种平纹机织复合材料多尺度模型,对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

带齿薄壁短圆筒振动试验模型的相似设计方法

针对带齿薄壁短圆筒振动分析的试验模型简化问题,基于相似理论提出一种动力学相似模型的设计方法。以带3个锥形齿的薄壁短圆筒为典型研究对象,应用Donnell非线性应变-位移理论建立数学模型,得到带锥形齿薄壁短圆筒的频率方程,并使用量纲分析法建立带锥形齿薄壁短圆筒原型与完全几何相似模型的动力学相似关系,在此基础上,重点研究简化为不完全几何相似的相似模型设计方法,并推导了理论计算公式。为简化说明,以将薄壁短圆筒上3个锥形齿简化为T形齿为例,分别给出将其中1个锥形齿简化为T形齿、2个相邻较近的锥形齿简化为1个T形齿和3个锥形齿简化为2个T形齿等三种不同情况的设计方法,并采用有限元法对简化前后的原型和模型的固有特性进行对比,验证了所提出相似设计方法的有效性和正确性。     

复合材料斜接接头强度数值仿真研究

复合材料斜接接头是胶接结构主要形式之一,其失效模式复杂,包括复合材料层合板和胶层的多种失效模式。提出了一种包含两种不同失效模型的分析方法,采用基于三维Hashin失效准则和指数型刚度退化准则的渐进损伤模型仿真复合材料层合板层内失效,采用内聚力模型仿真胶层失效和层合板层间失效。基于该方法建立了复合材料斜接接头强度分析三维模型,使用试验数据验证了该仿真模型,并利用该模型分析了接头的失效机理。在此基础上,研究了接头斜削角和胶层断裂韧性等设计参数对连接强度的影响,得到了上述参数对斜接接头强度影响的规律。     

振动筛试验模型和原型相似试验研究

通过对27 m2大型直线振动筛及缩比为1:10的相似试验模型筛的试验模态分析,得到其幅频特性曲线并提取其中6阶固有频率,测试分析出其模态振型.根据相似理论,通过对原型筛与相似试验模型筛的固有频率对比,得出二者固有频率的相对误差小于8.62%.通过对原型筛及其相似试验模型筛的振型分析对比,发现二者各阶振型基本一致.结果表明,用模态分析法可以直观有效地得到直线振动筛的固有特性参数,为提高直线振动筛的使用寿命和可靠性以及结构优化设计提供了理论依据,证实了利用缩小比例的相似试验模型筛进行试验模态分析的有效性,验证了相似模型与原型的试验数据的一致性和可靠性.从而可知振动筛试验模型可以近似代替原型样机进行试验模态分析,对相似模型试验研究提供了参考.     

补片形状和尺寸对复合材料胶接修补的影响

与传统的机械修补技术相比,复合材料胶接修补具有结构增重小、可设计性强、成形简单和成本低等明显的优点。因此,复合材料胶接修补技术已成功地应用于一些军用和民用飞机的受损结构。借助于ANSYS软件,以三维逐渐损伤理论为依据,分别建立含不同形状补片的复合材料胶接修补模型,其中母板和补片采用正交各向异性损伤模型,胶层采用各向同性损伤模型。在单向拉伸载荷作用下,同时考虑层合板和胶层的损伤形式和扩展趋势,确定层合板的最终失效载荷,并与已有文献进行对比,验证模型的正确性。损伤模型计算结果表明,补片的形状和尺寸均是胶接修补的重要设计参数,其对层合板的最终失效载荷影响显著。斜放的方形补片的修补效果较佳,当对方形补片进行圆角化处理时,受损层合板的拉伸承载能力得到提高。     

复合材料基础设计及优化

通过原材料的选材、铺层和层合板结构设计,阐述了复合材料的基础设计。结合复合材料的原材料和结构设计原则,说明了复合材料结构的可设计性。针对复合材料各组分材料的特性,详细介绍了原材料选择的重要性,从载荷性能要求方面并结合层合板结构设计原则,对复合材料层合板进行了设计,并应用有限元分析软件(ABAQUS)对层合板进行了仿真分析,阐述了复合材料层合板仿真分析的方法和步骤,同时根据仿真结果对复合材料铺层进行了合理的优化设计。     

含多处分层损伤平面编织层合板自由振动特性研究

基于层合板Mindlin一阶剪切变形理论,研究多处椭圆内埋型分层损伤对复合材料层合板固有特性的影响规律。根据一般分层模型,并采用线性接触模型模拟分层区域上、下子板的相互作用,建立含多个椭圆内埋型分层损伤平面编织层合板自由振动分析有限元模型。通过典型算例分析,分别讨论分层类型、位置和数目或深度诸参数对平面编织层合板固有频率的影响。结果表明,对于内埋型分层损伤,表面分层与中间分层对固有频率的影响区别很小;分层深度越深,越靠近固支端,损伤对层合板固有频率的影响越大;纵向椭圆内埋分层对平面编织层合板固有频率的影响比横向椭圆内埋分层要更严重。     

复合材料螺栓连接的强度预测与失效分析研究

采用APDL二次开发语言,建立了多层复合材料层合板螺栓连接的三维有限元模型,应用牛顿-拉普森非线性迭代算法,对多层复合材料层合板的螺栓连接模型的失效分析进行了研究,并对其最终失效进行了预测。分析计算得出层合板的铺层顺序不同,几何尺寸不同,螺栓连接结构的失效形式就不相同。在一定的程度上,采用合理的铺层顺序,可以优化载荷分配,提高连接效率。     

复合材料层合板修补结构高速冲击分析

复合材料以其优异的综合性能,在航空航天和防护装备等领域得到广泛应用,胶接修补是复合材料出现损伤、破坏时优先使用的修补方法。对复合材料层合板胶接修补结构在冲击过程中的不同形状和尺寸补片对修补效果的影响,以及1号补片修补结构在修补过程中层合板材料失效情况进行了研究。层合板采用最大应力失效模式,并与已有文献进行对比,验证模型正确性。计算结果表明,在高速冲击过程中,在子弹穿透层合板之前,层合板发生纤维断裂失效,分层失效伴随整个冲击过程。补片的形状和尺寸对修补效果产生重要影响,其中2号补片修补效果最好。     

正交双稳定复合材料层合板动力学特性研究

根据Hamilton原理结合Rayleigh-Ritz法建立了正交双稳定复合材料层合板的动力学模型,并利用理论模型以及有限元分析研究了正交双稳定复合材料层合板的动力学特性,发现当激励频率较低时正交双稳定复合材料层合板只有两种连续的振动模式,当激励频率增大到一定值时开始出现第三种振动模式。研究结果可以为利用正交双稳定复合材料层合板设计振动能量收集装置提供一定的参考。     

动力学相似理论及在结构振动分析中的应用研究评述与展望

相似试验模型在大型结构振动与冲击试验研究中起到重要作用。综述动力学相似理论在结构动力学相似试验模型设计中的应用研究进展与发展趋势,并引述大量文献。总结动力学相似理论在多个领域的结构振动与冲击问题分析中的主要成果,包括动力学相似理论在海洋结构、土建结构及大型动力装备动力学相似试验模型设计中的应用,复合材料结构的动力学相似设计方法,以及转子系统的动力学相似试验模型设计方法。介绍动力学相似理论的重要研究进展情况,如畸变试验模型的设计及修正方法、动力学相似模型的试验验证。讨论动力学相似理论在结构振动与冲击研究中存在的主要问题并做出展望。