复合材料风扇叶片成型关键技术探索研究

复合材料风扇叶片是商用大涵道比涡扇发动机的重要转动部件，其重量和性能将直接影响发动机的推重比和性能。复合材料风扇叶片具有结构复杂、受载工况恶劣、制造质量要求高等特点，为了提升国产商用航空发动机复合材料风扇叶片成型质量，针对复合材料风扇叶片成型工艺关键技术难点问题，从叶片模具设计与材料选用、大厚度榫头铺层设计与铺叠方法、固化工艺精细化控制及全型面拟合自适应加工等方面研究了制造工艺对叶片质量的影响，对比分析了不同工艺方法下叶片叶型尺寸、内部纤维取向、制造缺陷、随炉件力学性能水平的差异。结果表明，选用Invar钢作为模具材料，改善榫头铺层插入层的设置位置、数量和铺层顺序，精细化控制固化温度、压力等关键工艺参数，全型面拟合自适应加工等方法有效提高了叶片成型质量和尺寸符合性。     

铺层参数对复合材料叶片的振动特性影响研究

考虑复合材料的各向异性特征与铺层角度、厚度、顺序等因素,建立多层复合材料风扇叶片动力学模型。基于模态分析方法计算复合材料叶片自由振动的固有频率、振型,采用谐响应分析方法研究叶片的振动响应特性,利用Campbell图进行不同转速下的叶片固有特性分析。研究了复合材料大风扇叶片铺层参数对振动特性的影响,结果表明通过调整复合材料叶片的铺层厚度、角度、顺序,可以减少共振点并减小振幅,以达到减振的效果。     

大型风机复合材料叶片铺层优化设计

本文的主要研究内容是基于遗传算法对大型风机复合材料叶片进行铺层优化设计,对其进行优化设计必须建立在深入理解力学原理,熟悉掌握数值计算方法的基础上。因此,在深入研究单层复合材料以及叠层复合材料的弹性特征理论基础和改进的遗传算法优化理论之后,参考了一定的铺层规则,在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下,应用遗传算法对大型风机复合材料叶片进行了铺层优化设计。设计结果表明,由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势,在叶片铺层的优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

雷达罩复合材料铺层计算的数学方法

雷达罩复合材料的铺层设计直接关系到雷达罩复合材料的强度,现行的商用软件需要依赖结构铺层设计才能实现仿真分析,要针对结构铺层分别划网格、建模型,铺层设计的灵活性、通用性差。采用几何学原理和数据编程处理方法,将雷达罩纤维织物复合材料的平面经纬向依据不同的起始铺层角度并结合三维空间几何转换确定其在三维雷达罩模型上的实际方向,进行雷达罩复合材料铺层设计,将复合材料铺层方向投影到空间雷达罩复合材料的有限元模型中,确定复合材料的铺层角,将铺层设计显性化、通用化,并且增加复合材料铺层计算的灵活性,突破各种软件的约束。     

一种研究风轮叶片固有频率的方法

提高风轮叶片挥舞频率以避免风机运行时发生共振问题,是叶片铺层设计的一个重要环节。本文在风轮叶片铺层设计实践的基础上提出了一种研究复合材料风轮叶片频率的方法,给出了该方法的理论基础,并通过一个风轮叶片铺层实例说明了该方法的具体实施过程,验证了其可行性和可靠性。该方法能够定量地表征叶片每个截面的铺层方案对叶片频率的影响,可指导叶片铺层设计者如何更快找到调整叶片铺层的最优方案,从而更有效地提高叶片挥舞频率。     

基于遗传算法的层压板强度优化设计

本文的主要目的是研究遗传算法的优化机理并将遗传算法应用到复合材料层压板铺层的优化设计中。在深入理解力学原理,熟悉掌握数值计算方法的基础上对层压板进行强度优化设计。因此,在深入研究单层复合材料以及叠层复合材料的弹性特征理论基础和改进的遗传算法优化理论之后,针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中层压结构参数具有离散型的特点,提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略,以整数来表征层压结构参数,这种编码方式简单直观、使用方便、易于进行遗传算法的交叉及变异操作。在分析层压结构强度的基础上,针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则,在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下,应用遗传算法对层压板进行了铺层优化设计。设计结果表明,由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势,在层压板铺层的优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

复合材料层合板孔边应力场的有限元计算

纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度和比模量,在航空航天领域得到越来越广泛的应用.层合板是当前复合材料在工程结构中应用的主要形式.对于含孔的层合板结构,由于材料的各向异性以及孔的影响,其应力分布比较复杂,采用数值解是较好的选择.本文基于层合板的可设计性特点,综合考虑铺层角度、铺层顺序等对层合结构的影响,设计出了一种二十四层对称层合板.以有限元方法为基础,借助ANSYS分析工具,对该层合板含孔结构的孔边应力重点分析,得出了不同铺层角度铺层中应力分布的云图和孔边应力分布曲线.本文结论对复合材料层合板优化设计和带孔层合结构的应力计算具有较好的参考价值.     

2MW风机叶片梁帽与腹板的强度优化设计

近年来,遗传算法发展成为一种比较普及的优化算法,遗传算法的主要特点是:稳定性好、通用性强、全局收敛性较优。在本篇论文中,比较详细地描述了遗传算法的优化机理,而且在大型风机复合材料叶片的梁帽与腹板的强度优化设计中应用了遗传算法的优化机理。考虑到层压板的结构参数具有离散型特征,所以在复合材料层压板结构优化设计中应用遗传算法时,适宜地提出了整数编码策略,使用整数编码策略来进行复合材料层压结构的遗传算法优化设计。所谓整数编码,即复合材料层压结构的参数用整数来表征。使用整数编码策略的主要优点有:直观、方便、遗传算法的交叉、变异操作比较容易地进行。在此之外,还构造了适应度函数以用于遗传算法,最终达到了叶片梁帽和腹板结构强度优化的目标。本论文展示了基于遗传算法的大型风机复合材料叶片梁帽与腹板的强度优化设计的诸多优势。想要进行强度优化设计,首先要深入理解力学原理,同时也要掌握数值计算方法。在深入了解单层复合材料与叠层复合材料的弹性理论基础,以及在仔细研究改进的遗传算法优化理论基础之上,设定了一定的铺层规则,仅将工程中常用的四种角度作为限定的铺层角度,应用遗传算法对2MW风机复合材料叶片的梁帽和腹板进行了强度优化设计。本文的最后计算结果表明,由于遗传算法在处理离散型问题方面的特有优势,故在2MW风机叶片的梁帽和腹板的强度优化设计中,使用遗传算法进行强度优化设计是可行和可信的。     

VARTM工艺铺层取向对复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料层合板,对其进行了拉伸、弯曲、冲击性能测试,并对铺层取向与玻璃纤维复合材料层合板力学性能的影响关系进行了实验研究。实验结果表明,0°取向玻纤增强复合材料在单一方向上的力学性能最佳,±θ取向比θ取向玻纤增强复合材料有更好的力学性能;θ单向铺层复合材料在外载荷作用下发生破坏,其断口破坏的角度与铺层角度一致,而在±θ多向铺层复合材料的断口形貌更复杂。通过合理的铺层设计可获得满足工程需要的复合材料制品。     

混杂纤维复合材料参数设计与力学性能的关系

本文研究了混杂纤维复合材料参数设计与材料力学性能的关系,通过正交设计,三因子四水的设计采用16种配方,研究了增韧剂丁腈的含量,混杂纤维混杂比以及纤维总含量与材料拉伸强度和弯曲强度的变化关系。同时,改变纤维铺层的铺放顺序和铺放角度,寻求材料的优化结构,对螺旋浆叶片所要求的复合材料有理论和实际指导意义。     

复合材料叶片结构设计中的几个关键问题探讨

风力发电技术作为新兴技术,欧美一些国家已发展到相当高的水平,我国风力发电近些年也发展迅猛。风力发电的关键技术之一是风力机复合材料叶片的设计与研制,涉及到空气动力学、结构力学、复合材料力学及成型工艺等。本文着重探讨复合材料叶片的结构设计中几个关键的问题,在广泛分析和研究国内外复合材料结构设计现有技术基础上,并结合实际的研究经验,对复合材料叶片结构设计中的材料选择、载荷工况、结构选型、铺层设计以及力学分析等关键环节进行探讨和分析,并给出可行的意见。     

兆瓦级风力发电机机舱罩强度分析与设计

复合材料以其比强度高、比模量高、材料可设计性强、成型工艺好及制造成本低等优点,已经成为了风力发电机机舱罩的首选材料。目前,国内在设计和生产机舱罩方面的技术已经基本成熟,但强度计算与产品认证方面的技术水平与国外相比还有一定距离。本文从经典层合板理论[1]出发,以有限元分析软件ANSYS为工具,对某兆瓦级风力发电机机舱罩的极限强度进行了计算分析,根据分析结果对复合材料的结构设计和铺层设计给出理论指导。经验证此法简单可行,可供风力机设计者参考。     

直升机旋翼复合材料桨叶结构设计与选材分析

介绍了直升机旋翼复合材料桨叶的结构特点和设计要求,分析了国内外复合材料桨叶结构设计的选材情况,总结了我国直升机复合材料桨叶结构选材现状与现存问题,并对无轴承旋翼柔性梁和主动控制智能旋翼国际新型桨叶复合材料结构设计与选材进行了讨论。综述研究表明,直升机旋翼桨叶工作环境复杂,在动力学设计方面有较高要求,复合材料桨叶结构设计及其成本与选材存在相互依赖和相互制约的矛盾关系,指出桨叶用复合材料与其结构设计技术的发展,对提高我国直升机旋翼桨叶性能、可靠性、寿命和安全性具有重要意义。     

风力机叶片疲劳寿命研究概述

本文综述了水平轴风力机叶片在运转过程中承受的疲劳荷载和叶片制作材料破坏模式,总结了目前风力机叶片疲劳寿命预测方法,从叶片复合材料加工阶段优化铺层设计和给成型叶片安装疲劳荷载减缓装置两方面阐述了提升叶片疲劳寿命的措施。随着风力机叶片大型化发展,为叶片在使用寿命期内的安全、可靠运行提出了一些建议。     

机织/针织混合铺层对复合材料力学性能的影响

为使纺织复合材料同时具有机织结构复合材料和针织结构复合材料的综合力学性能,通过混合铺层方式制备机织/针织混合结构复合材料。以芳纶机织平纹织物和针织罗纹织物为增强体,以环氧树脂为基体,调整复合材料中增强体的铺层顺序,利用真空辅助成型技术制备四层层压机织/针织混合结构复合材料。通过对复合材料拉伸性能、弯曲性能和冲击性能的测试,分析混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明,混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料的弯曲强度和冲击强度有较大影响,特别是对罗纹结构复合材料纬向弯曲强度和冲击强度的改善。当采用相同铺层方式,罗纹织物为受力面时,机织/针织混合结构复合材料具有较大弯曲强度和冲击强度。     

Viscoelastic and Nonlinear Adherend Effects in Bonded Composite Joints

An experimental and theoretical investigation is described on the effects of viscoelasticity and geometric and material nonlinearity in rubber-toughened graphite/epoxy adherends. Single-lap joints, with adherends of a matrix-dominated layup and a brittle epoxy adhesive layer, were tested under two constant loading rates to failure; axial strains were measured at several locations on the surface of the adherends. Aluminum and fiber-dominated laminate adherends were also studied for comparison. Finite element analyses of the adhesive joint were made using linear and nonlinear viscoelastic characterizations of the composite. The experimental work is discussed first. Then we describe the constitutive theory and its implementation in the finite element analysis, after which the theoretical ane experimental results are presented and compared.     

先进复合材料球冠壳体结构参数对稳定性影响

先进复合材料层合壳体在航空、航天、国防领域中获得广泛应用。本文结合复合材料球冠光壳的结构特点,基于有限元分析软件ANSYS,采用层合壳单元建立有限元模型,研究了先进复合材料球冠壳体矢径比、厚度、铺层角度对其稳定性的影响。     

Viscoelastic and Nonlinear Adherend Effects in Bonded Composite Joints

An experimental and theoretical investigation is described on the effects of viscoelasticity and geometric and material nonlinearity in rubber-toughened graphite/epoxy adherends. Single-lap joints, with adherends of a matrix-dominated layup and a brittle epoxy adhesive layer, were tested under two constant loading rates to failure; axial strains were measured at several locations on the surface of the adherends. Aluminum and fiber-dominated laminate adherends were also studied for comparison. Finite element analyses of the adhesive joint were made using linear and nonlinear viscoelastic characterizations of the composite. The experimental work is discussed first. Then we describe the constitutive theory and its implementation in the finite element analysis, after which the theoretical ane experimental results are presented and compared.     

复合材料声呐导流罩铺层的遗传算法优化设计

以复合材料力学经典层合板理论为基础,利用MATLAB编程联合ANSYS有限元分析,建立了复合材料声呐导流罩铺层结构优化平台。首先对单向载荷下的层合板铺层结构进行优化,并和实验结果相比较,验证了该优化平台的有效性。结果表明,优化后的层合板强度有了较大提高。在此基础之上,根据水下实际载荷工况,对声呐导流罩的铺层进行了优化设计,并利用ANSYS有限元分析对优化后的铺层进行应力应变分析。结果表明,声呐导流罩强度性能显著提高,实现了声呐导流罩铺层的优化设计。