侧边约束对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响

对侧边受到简支约束和固支约束的复合材料工型加筋板进行轴压试验和数值模拟,研究侧边约束对加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,并进一步探讨分析结构破坏机理。轴压试验中使用影像云纹实时监测加筋板失稳模态,数值模拟基于ABAQUS使用Hashin层内失效准则和界面单元模拟脱粘建立有限元模型。计算结果与试验结果相吻合。研究表明不同侧边约束下加筋板具有相似的失稳模态和破坏模式,尽管侧边固支加筋板失稳载荷高于侧边简支加筋板,但其承载能力并无明显提高;加筋板结构承载主要由筋条决定,而筋条蒙皮大面积脱粘发生在结构失效之后。     

复合材料加筋板极限承载能力分析

加筋板在出现屈曲之后并未完全失效,仍然具有较高的承载能力。本研究利用ABAQUS软件建立由shell-solid单元组合的复合材料加筋板极限承载能力分析模型。复合材料层合板和界面材料的破坏通过子程序判断,子程序中编写了Hashin和Quads失效判据,并引入材料刚度退化准则。通过有限元模拟方法分析复合材料加筋板在轴向压缩载荷下的极限承载能力,并详细给出3种失效模式的破坏过程,仿真结果与试验结果相比误差较小,说明所建立模型及USDFLD程序是正确的。     

热力耦合下不同加筋壁板稳定性分析

针对飞行器不同加筋壁板在不同载荷工况下的结构稳定性问题,采用Abaqus有限元分析软件,建立了长度和宽度相同的4种加筋壁板有限元数值分析模型。通过对加筋壁板的屈曲和后屈曲响应分析,给出不同筋条截面形式和布局方向的加筋板在机械载荷、温度载荷以及热力耦合下的屈曲模态和挠度曲线。结果表明:T型加筋板在机械载荷作用下表现出良好的稳定性,最大承受载荷为281 kN,远大于其他截面形式的加筋板;筋条布局方向对加筋板的承载能力影响很小,但是合理的布局能够大幅减小加筋壁板的面外位移;热力耦合下加筋板没有明显的前屈曲过程,其后屈曲响应与机械载荷作用下时大致相同,但是加筋板的最大承载能力会由于温度载荷的存在而减小8%～15%。     

基于模态缺陷的变刚度复合材料圆柱壳屈曲特性

研究了基于自动铺丝技术的变刚度复合材料圆柱壳的屈曲性能和缺陷敏感性。基于丝束剪切/重送技术,提出了可以精确模拟圆柱壳面内重叠/间隙区域的简便算法,使有限元模型更加贴近实际制造过程。开展了复合载荷作用下曲线纤维铺层方式对圆柱壳屈曲性能影响的研究,结合Kriging模型和遗传算法,对纤维角度沿环向和轴向线性变化的铺层设计方式进行了优化。最后,利用改进弧长法对不同模态缺陷条件下变刚度复合材料圆柱壳的缺陷敏感性进行了分析。结果表明:在轴压和均匀外压复合作用下,纤维角度沿轴向变化的铺层方式可以有效提高结构的屈曲性能。当带宽为25.4 mm、T₀=80、T₁=45时变刚度圆柱壳的屈曲性能最优,较基准构型和常刚度最优构型临界屈曲载荷分别提高了70.9%和34.5%。变刚度圆柱壳的抗缺陷敏感性较基准铺层方式和最优常刚度铺层方式得到了提升。因此,变刚度设计可以使复合载荷作用下的圆柱壳结构在提升结构抗屈曲性能的同时降低对几何缺陷的敏感性。     

变刚度复合材料层合板的力学性能

基于Altair HyperWorks软件二次开发平台,开发了一种层合板变刚度铺放有限元建模工具,并利用该工具对纤维曲线铺放形式的变刚度层合板进行了有限元建模。在平面静力载荷作用工况下,对比直线纤维层合板与变刚度层合板的不同应力分布,得到了应力分布与纤维角度、纤维铺放密度之间的关系;另外,在压缩载荷作用工况下,对比研究了直线纤维层合板与变刚度层合板的临界失效载荷,研究发现变刚度层合板的失效载荷提高了12.68%。纤维的变角度铺放提高了构件的可设计性,增强了其抗失效性能。     

复合材料格栅加筋板的分层扩展特性

采用有限元方法对低速冲击后蒙皮内含有不同分层形式的复合材料格栅加筋(AGS)板的分层扩展行为进行了数值模拟。采用虚裂纹闭合技术计算分层前缘的总能量释放率,并以总能量释放率准则作为分层扩展判据,结合自适应网格移动技术,分别研究了在压缩载荷作用下,蒙皮内具有圆形和椭圆形分层的复合材料格栅加筋板的分层扩展过程。数值研究结果表明:分层深度的变化导致了AGS的分层扩展特性十分复杂,它与分层深度、初始分层尺寸、蒙皮和肋骨的刚度比、后屈曲变形模式等因素都密切相关。本文结论对AGS的承载能力预测及优化设计具有一定的参考价值。     

加筋板结构后极限强度行为影响参数研究

为使船体结构的安全性设计得到有效技术支撑,通过ABAQUS有限元软件,对面内压力作用下的加筋板结构进行响应分析,得出加筋板结构在达到极限强度之后的载荷-位移关系曲线,即后极限强度行为.探讨了板厚、材料硬化率、边界条件以及初始缺陷等影响船体加筋板结构受损之后承载能力的重要参数.结果表明:加强筋数量的增加对于提高加筋板结构在给定变形下的承载能力有利,板厚的增加并不能有效改善结构受损后的承载能力.     

飞机结构中纵横加筋对蒙皮屈曲的影响

飞机结构中蒙皮及其加筋结构是构成机身和机翼的重要组成部分,其结构强度对于保证飞机安全性有重要的作用。对蒙皮而言,屈曲是其主要的设计失效模式,因而临界屈曲载荷则是蒙皮结构强度的重要表征。工程中计算蒙皮的临界屈曲载荷时,为了安全,通常把蒙皮作为四边简支(铰支)板来进行计算,而实际结构中纵横加筋给蒙皮提供的边界支持是介于四边简支和四边固支之间的,数值计算(有限元线性分析和非线性分析)的结果与理论计算结果的对比体现出这一点。     

加筋板的累积损伤力学模型研究

为了研究船体梁在循环荷载作用下的极限承载能力,修改了钢材的累积损伤模型,并将其引入到加筋板的极限承载力计算模型之中,提出了一种循环载荷载荷作用下考虑材料损伤累积的加筋板极限承载力的计算方法.采用Visual Basic 6.0编制了循环荷载作用下加筋板的滞回曲线计算程序,进行了加筋板的计算,并采用有限元软件进行对比验证...     

复合材料天线罩螺栓连接结构损伤失效分析

针对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效问题,采用试验和渐近损伤分析方法对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效进行了研究,分析了螺栓连接结构在等效风载压力和拉力作用下的失效过程和失效强度,并对天线罩连接结构折角位置玻璃钢蒙皮的过渡方式对其力学性能的影响进行了分析。试验和数值研究结果表明,连接结构试件的初始破坏均表现为玻璃钢蒙皮与泡沫芯材间的层间开裂,初始开裂载荷为0.7倍左右的结构失效载荷,玻璃钢蒙皮采用隔层断开过渡的加工工艺可显著提高天线罩连接结构的强度,数值预测的结构失效强度与试验结果吻合较好。     

含温湿效应的复合材料风机叶片的破坏

针对复合材料风机叶片在温湿环境下的早期失效问题,采用有限元数值模拟方法研究了考虑了风载荷和温湿载荷共同作用下叶片的逐步破坏行为和破坏机理。将风机叶片简化为悬臂梁模型,进行了三维建模,对蒙皮、腹板和主梁均采用板壳单元进行离散,分别讨论了在不同温度及湿度条件下,环境因素对复合材料风机叶片材料性能的影响,并分析了叶片刚度、强度的变化及破坏情况。同时引入基于应变分布的三维Hashin失效准则,利用有限元分析软件ABAQUS对风机叶片进行刚度和破坏分析,讨论了风载下复合材料风机叶片的逐步破坏行为以及温湿载荷对风机叶片强度和刚度的影响。分析结果表明,高温湿润的环境对复合材料风机叶片材料性能影响很大,导致叶片的强度和刚度均有不同程度的降低。     

铝与铜异质板材自冲铆搭接接头的力学性能

通过试验方法研究了5052铝合金和H62铜合金异质材料搭接自冲铆接头的力学性能。获得了表征接头性能的力-位移曲线和载荷-寿命曲线,采用数理统计方法检验了数据的有效性。对接头强度、刚度、抗冲击性能、失效形式、失效机理进行了分析。结果表明:刚度随接头载荷而变化,疲劳强度随刚度的增大而增强,SCC接头静强度最高,SAA2次之,SAC高于SAA1接头,板材厚度、材质及铆钉长度影响接头静载强度,上板材质对接头强度影响更大,下板材质对接头抗冲击性能影响大于上板,板材厚度影响失效位移,静载失效形式皆为铆钉与下板分离;SCC接头疲劳性能最优,SAA2次之,SAC最小,微动滑移、板材厚度、材质影响接头疲劳强度,同种材料接头以下板断裂为主,异质材料接头较软板材断裂失效。     

蒙皮效应中连接件的影响分析

运用通用有限元程序ANSYS分析了连接件布置对蒙皮体的结构性能的影响．分析结果表明,板缝连接件数目的增加可以有效提高蒙皮结构的刚度,但对强度的影响较为有限;板梁间连接件对蒙皮结构的影响受到板缝间连接件的设置密度的影响;在同时布置了足够数量的板缝连接件和板梁间连接件时,蒙皮单元的强度和刚度都得到了大幅度的提高．在分析板与板、板与梁和板与檩条间连接件相关性分析的基础上,提出了这三类连接件合理设置间距．     

具有初始缺陷的裂纹加筋板剩余极限强度分析

船舶与海洋结构物因其工作环境而备受裂纹损伤的危害,为了将裂纹损伤船舶结构剩余极限承载的研究运用到船舶设计阶段的强度校核,从而保证船体结构在损伤之后仍具有一定的承载能力。本文采用试验及数值方法讨论了裂纹损伤对于船体结构剩余极限承载能力的影响。考虑初始变形缺陷下对受轴向压缩载荷的含穿透裂纹加筋板的极限强度进行分析,分别探讨了裂纹位置、长度不同时加筋板结构应力分布特性及屈曲变形模式,并将数值仿真与相同几何参数的裂纹加筋板受压破坏试验结果进行对比分析,并讨论了初始缺陷的影响。结果表明:裂纹的存在对加筋板结构压缩极限强度不利,且结构应力变化和变形呈现明显的非线性;结构初始变形不仅削弱了加筋板结构的极限承载能力,而且影响了加筋板结构的屈曲模式。     

复合材料后掠机翼的气动弹性剪裁方法研究

提出了一种混合多级结构优化算法,以大展弦比复合材料后掠机翼为研究对象进行了气动弹性剪裁设计。在满足强度、变形约束等前提下,以梁、肋、蒙皮厚度,对结构重量进行最小化设计;继续以减重为目标,满足颤振速度的约束,优化蒙皮各铺层的比例,并分析了优化中铺层比例对颤振速度的影响;采用遗传算法优化蒙皮的铺层顺序,以增大机翼的颤振速度。研究表明:混合多级结构优化不仅可以减轻机翼的结构重量,还能大大提高机翼的颤振速度;铺层比例优化结果表明较高的±45°铺层比例能使刚度分布更加合理高效。     

木结构组合板蒙皮效应研究

针对一种带蒙皮板的木结构组合板进行了试验研究,得出其承载力,并与未蒙皮的组合板对比试验。运用有限元程序对结构进行数值模拟,并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明:蒙皮板对结构刚度和承载力均有较大的增强作用,分别提高了167%和64%。有限元分析结果与试验结果较为吻合,说明建立的有限元模型可以较准确地反映组合板的受力性能。相较单一材料木板,带蒙皮组合板在同时满足刚度和强度要求的情况下,可以节约20%的材料。因此,蒙皮可应用于构件设计,其效应在承载力计算中亦应得到重视。     

结构刚度可靠性的一种分析方法

给出了一种计算结构系统刚度可靠度的方法，导出了结构在随机载荷作用下，刚度失效时失效模式的安全余量表达式。用二阶矩法给出了各失效模式的失效概率及各失效模式间的相关系数，用结构系统的可靠性理论给出结构系统刚度可靠度的区间估计和点估计。     

平行连杆式变形翼结构设计及分布式驱动配置

为提高飞机飞行效率和多任务适应能力,设计一种兼顾高低速工况的变形翼骨架,并研究变形翼内部分布式驱动器的位置优化和数量布置问题。基于翼肋摆动变形方式,设计变弦长、变后掠、变面积、变展弦比的平行连杆式变形翼机构,以单元尺寸为参数,对翼肋摆动程度与展弦比进行分析,得到机翼参数变化曲线;以包含机翼骨架、驱动器和柔性蒙皮的单元为研究对象,通过实验法测定柔性蒙皮的等效弹簧刚度,并基于虚功原理,采用准静态力学分析方法,得到单元的力学模型,以单元变形量为目标优化函数,通过matlab优化工具箱fmincon函数求解,得到最优驱动器位置和蒙皮初始状态,并进行实验验证;采用Ansys软件模拟多个单元机构运动与弹性变形的耦合作用,得到多种驱动器布局下机构的最终平衡状态;设计了变形翼详细结构,完成了样机加工装配。结果表明:机翼平衡时的变形量与驱动器布局和结构刚度有关,当机翼结构刚度增强时,分布式驱动与单个驱动所做的变形量均收敛在理想值。采用分布式驱动会最大化变形量,更适合低刚度结构机翼,设计的变形翼样机可以实现连续变形。     

外载荷作用下的船体梁极限弯矩

为了合理地预测船体梁极限弯矩,基于通用有限元系统,结合材料非线性和初始缺陷处理方法,考虑货物载荷、静水压力和水动压力等局部载荷和水平弯矩、扭转等外载荷作用,建立了一个计及外载荷效应的船体极限强度非线性有限元分析的框架.采用该文方法对Paik计算模型中受局部载荷作用的加筋板的极限强度进行了分析,计算结果表明,方法准确可靠.最后,计及外载荷作用对某型油船的极限弯矩进行了计算分析,研究表明:外载荷效应是不可忽略的,船体梁极限承载能力不仅与船体结构自身有关,还与外载荷密切相关.因此,建议根据船舶的具体装载工况分别进行船体梁极限承载能力计算.     

变刚度多稳态复合材料结构设计与性能分析

通过研究复合材料层合板结构局部纤维角变化的理论模型与刚度变化的关系,设计2种变刚度多稳态复合材料层合板结构. 对变刚度多稳态复合材料结构进行建模,运用Matlab求出不同的平衡方程解,得到变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型. 制备相应的实验试件,测量变刚度多稳态复合材料结构不同稳态转变时的力学性能,通过有限元软件Abaqus模拟变刚度多稳态复合材料结构的降温冷却过程,得到平衡稳定状态的数值解. 结合理论、数值与试验,分析变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型、稳态转变最大载荷及载荷-位移曲线的变化规律.