含开孔复合材料构件的安全系数分析

通过对T300/5405含孔复合材料层压板拉伸强度试验数据的统计分析,指出开孔后拉伸强度符合两参数Weibull分布。在此基础上,讨论了开孔强度服从Weibull分布,应力服从正态分布时,复合材料基于基准许用值安全系数与可靠度之间的关系。给出了一些常用复合材料在不同应力变异系数和不同可靠度要求下的A基准值和B基准值安全系数的统计取值范围。试验数据对比分析结果表明:含孔层压板与光滑层压板在获得同样可靠度的要求下,安全系数取值范围相近。并且在相同可靠度要求下,A基准值安全系数小于B基准值安全系数。     

基于平均安全系数的可靠性设计方法研究

在机械零件设计中,安全系数法因为概念清晰、直观、易懂、使用方便,被广泛采用,然而安全系数的取值因人而异,有一定盲目性。机械可靠性设计是将可靠性理论引入到机械设计当中,可以根据零件的重要程度选取合适的可靠度设计零件。将传统机械设计中的安全系数引入到可靠性设计中,可以避免传统机械设计法的盲目性和保守性。以应力-强度干涉模型为基础,分析了当应力和强度服从不同分布时,机械零件的可靠度与平均安全系数的关系,提出了一种基于平均安全系数的可靠性设计方法。设计实例验证了该方法的优越性,为提高零件设计水平和节省制造成本提供了理论基础。     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击损伤容限研究

为研究纤维缠绕复合材料层CNG气瓶冲击后损伤容限问题,采用疲劳应变比率作为损伤变量,建立疲劳累积损伤模型;对气瓶缠绕层的冲击损伤剩余强度采用开孔等效计算方法,应用Nuismer—Whitney平均应力准则,关联疲劳累积损伤函数中的最大应力与拉伸载荷下的含孔层合板剩余强度的关系,建立适用于在疲劳载荷下的含孔层合板结构剩余强度的估算方法,用于复合材料CNG气瓶冲击剩余强度的预测。结果表明,文中提出的分析模型预测结果与专家提出的复合材料气瓶冲击损伤评定标准基本吻合。     

夹持力对填充孔复合材料层合板层间应力的影响分析

提出了采用螺栓填充孔形式研究复合材料层合板连接接头孔边层间应力分布规律,并建立了含零厚度界面胶层的三维有限元模型对受面内拉伸载荷的层合板孔边层间应力进行求解。结果表明:层间正应力沿孔分布主要受螺栓夹持力影响,相同夹持力下,不同界面层的层间正应力集中在同一范围内波动;层间剪切应力既受到螺栓夹持力影响又与界面层的类型有关系,如[-45/90]和[0/-45]界面层层间剪切应力整体取值大于其他界面层;螺栓夹持力引起的层间正应力主要为压应力,对层间强度有益,但同时产生的层间剪切应力不利于层间强度的提高,因此存在合适的螺栓夹持力使复合材料接头具有良好的孔边层间强度。     

2D-C/SiC复合材料面内剪切强度分布研究

基于2D-C/SiC复合材料面内剪切强度实验数据,以双参数Weibull分布为假设分布模型,采用线性回归法进行参数估计,结合Kolmogorov非参数检验,针对2D-C/SiC复合材料面内剪切强度分布规律进行研究。结果表明:2D-C/SiC复合材料面内剪切强度服从双参数Weibull分布,利用双参数Weibull分布预测2D-C/SiC复合材料面内剪切强度与实验值吻合较好。     

含离散源损伤复合材料加筋板剩余强度及其修理技术研究

飞机复合材料结构在使用过程中难免遭受离散源损伤,这种损伤会严重降低结构的承载能力。针对含穿透性切口的复合材料加筋板,采用试验和数值分析方法研究其拉伸载荷作用下的剩余强度,并根据设计应变设计了金属补片机械连接修理方案,提出了一种评估复合材料机械连接修理结构剩余强度的数值分析方法。分析方法以有限元模拟为主,用壳元模拟层压板,用梁元模拟紧固件,用多点约束模拟紧固件与孔的接触,用0°层点应力准则预估复合材料破坏载荷。通过试验验证了评估方法,得到了修理结构强度恢复率。本文的研究对于飞机复合材料结构修理技术研究有一定的借鉴意义。     

两端截尾分布下可靠度计算方法

利用两端截尾分布时的应力—强度干涉模型，推导建立了应力、强度服从不同截尾分布时机械零构件的可靠度计算公式，为工程应用提供了方便实用的条件。实例计算表明两端截尾分布下求可靠度比理论分布下求得的可靠度更符合实际情况。     

滚动轴承的疲劳可靠性计算

提出了滚动轴承寿命试验的数据处理方法和应用回归法确定轴承S-N疲劳曲线的方法,在假定轴承的疲劳强度分布与其寿命呈Weibull分布的基础上,根据应力-强度干涉模型推导出计算轴承承受应力分布为正态,阶梯形,线性及余弦等不同形式的随机载荷下的可靠度公式,并举例进行了演算。     

3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明：主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比,拉伸强度高9.73%,弹性模量高25.58%;主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀,应变更小。     

基于Weibull分布的高速自润滑关节轴承可靠性分析

基于高速自润滑关节轴承寿命服从Weibull分布规律的特点,根据高速自润滑关节轴承磨损寿命试验的完全试验数据和不完全试验数据,采用联合平均秩次和最小二乘估计Weibull分布模型参数的方法,有效提高了参数的精度,得到了高速自润滑关节轴承磨损寿命的分布函数、分布密度函数、可靠度函数和失效率函数,实现了高速自润滑关节轴承的可靠性分析。     

高速列车铝合金车体强度可靠性安全系数分析方法

针对铁道车辆结构设计标准中给定的安全系数存在经验性,从可靠性理论出发,分析可靠性安全系数评估方法,使安全系数选取趋于合理。以某型高速列车车体为研究对象,建立其有限元模型,参照EN12663-1车体设计标准确定静强度载荷工况。并考虑高速会车情况下的气动载荷工况,施加边界条件对车体进行强度分析。同时结合车体铝合金材料性能绘制车体材料的不同可靠度的Goodman曲线,建立可靠度与安全系数的关系模型,对车体静强度和疲劳强度的可靠性安全系数进行了分析。结果表明:随着可靠度的提高,安全系数降低,车体满足不同可靠度下的静强度和疲劳强度要求。99.9%可靠度下静强度的最小安全系数为1.3,出现在整备状态下纵向受1 500 kN压缩载荷作用的工况下;考虑气动载荷影响,结构疲劳安全系数最小值为1.53,有一定的安全裕量,车体侧墙门角和窗角位置的安全系数较小。车体结构的应力和材料强度的分散性对安全系数有影响,为确保高速列车车体具有较高的可靠度,可以采取控制铝合金材料强度性能的分散程度、降低几何结构的应力集中和优化结构减小工作应力等措施来实现。     

压力容器接管部位的可靠性设计研究

使用ANSYS软件对某压力容器筒径,不同开孔直径壳体,共3个模型的开孔接管部位进行分析设计,同时提出最弱环模型对接管部位应力强度进行可靠性评定。研究结果表明,在接管需要补强时采用补强圈或厚壁接管补强,均可有效地改善孔边应力集中;随着开孔率的增大,厚壁补强接管部位的可靠性大于等面积补强法所得结果;最后提出厚壁补强时合适的可靠度取值。     

复合材料层压板低能量冲击后剩余抗压强度的工程估算

为了确定复合材料层压板在受冲击后是否需要修补，提出了一种适合工程应用的复合材料受低能量冲击后剩余抗压强度的估算方法，将Nuismer-Whitney针对带孔板剩余抗压强度的平均应力准则以及特征长度的概念应用到受冲击损伤结构，对已有多种材料体系的层压板受冲击后的抗压强度的试验与分析值进行比较，结果吻合得较好，并且可以作为剩余强度的下限。这里的特征长度比用开孔板压缩所得到的特征长度参数大，是一种推广的特征长度。     

含界面SiC/TC4复合材料拉伸强度预测及试验验证

为了预测纤维增强复合材料的拉伸强度,建立基于双线性内聚力模型的含界面代表体积元模型,结合最大应力准则和最大位移准则分析界面在拉伸载荷下的损伤演化过程,得到复合材料纵向和横向拉伸强度,并讨论了温度对SiC/TC4复合材料强度的影响。结果表明,随着温度的升高,复合材料拉伸强度增加,压缩强度减小。开展SiC/TC4层合板拉伸试验,SiC/TC4复合材料纵向和横向拉伸强度预测值与试验强度的误差分别为13.8%和6.9%,可见模型和计算方法有效。     

两端截尾分布理论及其在应力-强度干涉模型中的应用

在理论分布的基础上 ,提出两端截尾分布理论 ,并讨论了在不同条件下不同设计变量截尾点的确定方法。在进行机械零件、构件的可靠性计算时 ,目前都是利用应力-强度干涉模型 ,从符合工程实际出发 ,本文建立了两端截尾分布的应力 -强度干涉模型 ,并推导建立了应力、强度服从不同截尾分布时机械零件、构件的可靠度计算公式 ,为工程应用提供了方便实用的条件。     

复合材料层压板低速冲击后的拉伸疲劳性能试验研究

开展5224/CF3052平纹织物复合材料层压板低速冲击后的拉伸疲劳试验,冲击能量为1J/mm和3.4J/mm。绘制冲击能量为1J/mm时90%存活率的低周疲劳S-N曲线,分析冲击能量为3.4J/mm时最大应力变化对刚度降的影响。结果表明:层压板在低能量(3.4J/mm)冲击后具有优异的抗拉伸疲劳性能,冲击后层压板疲劳损伤不扩展(以10~6计)的应力水平超过有损静强度的90%;10~4循环—106循环刚度降随着拉伸疲劳最大应力的增大而增大。     

含棒状共晶团复合陶瓷细观强度模型研究

以剪滞法为基础推导了棒状共晶团外加远场拉伸应力与共晶团界面极限剪应力、共晶团体积含量、共晶团长径比之间关系的解析表达式,进而得到含棒状共晶团复合材料的拉伸强度与基体极限剪应力之间的理论表达式。计算过程中将共晶团长径比的概率统计分布规律引入到计算模型中,并考虑了棒状共晶团方位的随机分布。定义了共晶团达到最大剪应力的共晶团长度占共晶团整个长度的比值β,当加权平均的β值超过材料的许用值[β]时,材料发生剪切破坏。[β]的取值由材料自身的性质决定,可以通过试验确定。分析了复合材料的[β]的取值与其强度的关系,并在MATLAB中实现了编程计算。     

复合材料双孔板应变集中的实验研究

对含双孔的Ｔ３００／ＨＤ０３ 碳／环氧层压板在单拉伸下孔边的应变集中进行了云纹实验研究,得出了不同板宽、不同孔距、不同孔径、在不同载荷下应变集中系数,沿板宽的分布曲线,并对板宽、孔距、孔径以及载荷对孔边应变集中系数的影响进行了讨论。     

孔口缝合补强对层间应力影响的数值模拟

使用空间杆单元模拟缝合线,对含孔复合材料层合板开口缝合补强结构进行有限元模拟计算。研究含孔复合材料层合板在轴向拉伸载荷作用下,圆孔附近各个铺层交界面处层间正应力和剪应力的分布情况,将缝合后的层间应力值与缝合前的相关数值进行比较,并研究不同缝合参数(针距、行距、边距、单缝合和双缝合)对孔边层间应力的影响。结果表明,缝合补强后孔边的层间应力明显减小。孔边附近层间应力的分布与相邻铺层的铺层角有很大关系,不同铺层之间的层间应力有显著差别。不同铺层之间的层间应力沿孔边区域存在应力转换点(即层间应力由正值变为负值)。     

复合材料尾梁开口区有限元优化设计

利用有限元分析方法,计算直升机尾梁连接平尾开孔区域的应力分布,并以此为依据设计并优化复合材料结构替代原金属结构。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板可以替代金属,作为直升机尾梁及开口区结构材料,并且可以有效减轻结构重量。利用一种新的模块化铺层替代方法对复合材料铺层厚度进行优化设计,得到合理的铺层优化方案。