Buckling of moderately thick rectangular composite plates subjected to partial edge compression

The objective of the present paper is to investigate the influence of partial edge compression on the critical loads of moderately thick laminated plates. Towards this, an eight node isoparametric plate element is developed. The element has five degrees of freedom per node. The computer code developed accepts two sets of boundary conditions, one for pre-buckling stress analysis and the second for stability analysis. This flexibility is proposed to exploit the mid-line symmetry conditions. Two types of partial edge compression, viz., (I) uniform partial edge compression near the corners and (II) uniform partial edge compression at the middle of edges are considered. The effect of percentage of loaded edge length on the critical load of thin and thick composite plates with simply supported and clamped edge conditions is studied in detail.     

Buckling of symmetrically laminated rectangular plates under parabolic edge compressions

Buckling analysis of symmetrically laminated rectangular plates with parabolic distributed in-plane compressive loadings along two opposite edges is performed using the Rayleigh-Ritz method. Classical laminated plate theory is adopted. Stress functions satisfying all stress boundary conditions are constructed based on the Chebyshev polynomials. Displacement functions for buckling analysis are constructed by Chebyshev polynomials multiplying with functions that satisfy either simply supported or clamped boundary condition along four edges. Methodology and procedures are worked out in detail. Buckling loads for symmetrically laminated plates with four combinations of boundary conditions are obtained. The proposed method is verified by comparing results to data obtained by the differential quadrature method (DQM) and the finite element method (FEM). Numerical example also shows that the double sine series displacement for simply supported symmetrically laminated plates having bending-twisting coupling may overestimate the stiffness, thus providing higher buckling loads.     

无网格法在固有频率分析中的应用

针对复合材料层合板的固有频率问题,结合径向基插值函数和修正后的H-R变分原理,推导了Hamilton正则方程的无网格列式,使得无网格法的优越性与弹性力学Hamilton正则方程的半解析法得到了有机的结合,为Hamilton正则方程提出了一种无网格半解析方法。     

壁板结构热屈曲后模态特性试验

高速飞行器在服役期间面临着严酷的气动加热效应,热载荷会引起材料性能变化,会在结构内部产生热应力、热变形及热屈曲,从而改变结构的有效刚度,影响其动力学特性。针对铝合金壁板结构开展热屈曲后模态特性的试验,采用石英灯辐射加热方法模拟气动加热,利用热应变与温度的关系,获得了壁板结构热屈曲临近温度,进而选取屈曲前、屈曲后一系列温度状态开展热模态试验。试验结果表明,模态频率随加热温度的增加先降低,在临近屈曲温度附近达到最低值,热屈曲后随着温度增加又逐渐增加。由于不同阶模态对热载荷的敏感程度不一样,第3阶和第4阶模态在加热过程中发生交换,而模态阻尼随着加热温度的增加呈现增加的趋势。     

NC机床恒温立柱模型的建立及热模态实验研究

利用相变材料固—液相变、液—固相变吸收或释放相变潜热而自身温度保持恒定的特性,将其引入精密机床热位移控制领域,建立起精密机床恒温部件传热模型;研究了相变材料复合恒温构件在机床热变形控制技术中的应用,在分析相变传热的基础上,讨论了包含相变过程二维传热特性,并推导了其传热过程的泛函表达式;利用有限元法计算复合相变材料恒温构件机床立柱的温度场和热位移值,并将之与实测值比较,二者基本吻合。实验结果表明相变材料复合恒温构件在减小精密机床部件的热位移方面效果明显,为机床热位移控制开辟了新思路,具有一定的实用价值和应用前景。     

棒料热应力预制裂纹的数值模拟研究

利用ANSYS软件建立棒料的有限元分析模型，并对其温度场和应力场进行仿真计算。采用无交互作用方差法，得出绝热边界对喷水时间的影响比水流速度对喷水时间的影响大的分析结果。实验结果表明：当绝热边界的宽度为0时，V形槽尖端不产生裂纹；当绝热边界的宽度大于0．693mm（V形槽宽度的一半）时，在相同的绝热边界宽度下，水流速度越大，所需的喷水时间就越短，而在相同水流速度下，绝热边界的宽度越大，则所需的喷水时间就越长。为了更好地预制V形槽尖端理想裂纹，应使绝热边界的宽度取最小值，水流速度尽可能地取大值。研究结论对进一步开展热应力实验提供了理论依据。     

复合材料层合板阻尼特性有限元数值模拟

应用耗散能原理建立了复合材料层合板的阻尼预测分析模型,对复合材料层合板进行三维有限元模态分析,求出各个模态下的应力、应变分量。根据模态分析结果,从单向复合材料的阻尼性能参数出发,利用层合板应变能、耗散能和结构模态阻尼的关系求出各个模态对应的模态阻尼损耗因子。利用该方法,分别计算了单向层合板和对称层合板的结构模态阻尼损耗因子。数值计算结果与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性,该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。     

Non-linear thermal buckling for local delamination near the surface of laminated cylindrical shell

A solving method is applied to conduct research on the non-linear thermal buckling behavior of local delamination near the surface of fiber-reinforced laminated cylindrical shell. The shape of delaminated region considered is elliptic, triangular and lemniscates. Young's modulus and the thermal expansion coefficient of material are treated as a function of temperature, which leads to the force in the middle plane of the sub-laminated shells a non-linear function of temperature. The critical temperatures of laminated cylindrical shells with various shaped local delamination, different stacking patterns and different radius of the laminated cylindrical shells are obtained by making use of the energy principle. It has been found that linear solution of the critical buckling temperature gives a higher value than that of non-linear consideration.     

航空复合材料的组合凸轮式Z-pin预植入机的设计与实现

为解决当前Z-pin植入设备植入效率低、Z-pin易折断或打滑等问题,并推动Z-pin增强技术高效地应用于民用和国防事业,开发了基于组合凸轮的高效高精度Z-pin预植入机。首先,根据航空矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术要求,分析了预植入机的功能需求。其次,提出了先“剪切”后“植入”组合凸轮式预植入机的机构运动方案。采用解析法设计了预植入机的凸轮机构,计算了凸轮机构的理论轮廓曲线。然后,构建了含有间隙凸轮机构的弹性动力学模型,优化了组合凸轮的转速,进行了组合凸轮的虚拟样机运动仿真。最后,设计制造了实验样机,通过植入实验验证了组合凸轮设计的正确性和合理性,并根据实验中出现的问题优化了植入运动方案。实验结果表明,该方案使Z-pin植入效率得到大幅提高,以植入间距3mm×3mm为例,其效率能够达到5080mm²/min,植入成功率控制在99%以上,植入间距、植入深度和纤维长度等参数的精度均控制在±0.01mm以内。预植入机操作方便,人机界面友好,长时间工作平稳,无Z-pin折断等问题出现,能满足当前对Z-pin植入设备植入效率、植入精度的要求。     

立式储液罐象足屈曲的准静态数值模拟

“象足”屈曲现象是大型钢制立式储液罐地震破坏的主要形式之一,它发生在靠近底部的壁板区域。在考虑大变形几何非线性和材料非线性条件下,本文利用非线性有限元法,以轴对称载荷壳单元模型,对一定尺寸范围内的储罐进行了准静态弹塑性屈曲分析。研究了受轴向压应力情况下,环向应力和轴向压缩失稳能力之间的关系。并强调了轴向压力是导致失稳的主导作用。     

Thermomechanical buckling of laminated composite and sandwich plates using global–local higher order theory

In this paper, a global–local higher order theory has been used to study buckling response of the laminated composite and sandwich plates subjected to thermal/mechanical compressive loads. The present global–local theory satisfies the free surface conditions and the geometric and stress continuity conditions at interfaces, and the number of unknowns is independent of the layer numbers of the laminate. Based on this higher-order theory, a refined three-noded triangular element satisfying C¹ weak-continuity conditions has been also proposed. The present theory not only predicts accurately the buckling response of general laminated composite plates but also calculates the critical buckling loads of the soft-core sandwich plates. However, numerical results show that the global higher-order theories as well as first order theories encounter some difficulties and overestimate the critical buckling loads for the sandwich plates with a soft core.     

铺设角度对层合板结构声功率的影响分析*

针对层合板结构铺设角度对前二阶声辐射模态幅值和辐射声功率的影响进行分析。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的铺设角度与振动速度信息之间关系。通过声辐射模态理论,以某12层层合板结构为例,研究固定边界条件下的层合板辐射模态数、对称铺设角度、单向铺设角度以及激励力位置对声辐射模态幅值和辐射总声功率的影响。计算结果表明,在相同角度下,对称铺设层合板结构最大声功率值要小于单向角度铺设层合板结构最大声功率值;另外在低频时,对层合板结构辐射声功率起主要贡献的是前两阶辐射模态。并以某16层零度铺设的固定边界条件下的层合板结构为例,对复合材料层合板结构的声辐射模态幅值及声功率进行试验分析。     

面向数字成形制造的高精度模拟计算技术

在中国国家自然科学基金资助项目《工程中数值分析的复杂力学建模与高精度方法》、中国国家自然科学基金资助项目《精确成形制造中的高梯度特征建模与典型工艺分析》，以及中国教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目《塑性微成形中复杂力学行为的两尺度耦合建模研究》共同资助下，开展高精度数值模拟方法的研究，对以上研究取得的成果进行学术总结。 认为数字成形制造的研究发展方向是：(1)数字成形制造的共性基础性问题研究，包括多场和多尺度耦合、高度非线性和高梯度、时间和构形的动态过程、局部精细和大规模计算、计算的可靠性；(2)数字成形制造过程的典型特征原型及建模，包括材料成形过程中的宏/微观、性能/组织等多场特征原型，固态塑性成形、液态及半固态成形、焊合过程的特征计算建模，典型制造过程(塑性成形、液态及半固态成形)模型的大规模数值计算方法；(3)基于网络的数字成形制造平台，包括基于网络实现成形制造数字化的基础问题研究，计算信息的数据管理与网络通信技术，基于网络的大规模平行计算实现(分布式和超级计算机)。     

航空电子元器件稳态和瞬态热分析

应用有限元数值模拟的方法,建立了电子元件传热的数值模型,并以双列直插元件DIP为例,分析了不同对流换热边界条件下的稳态温度场、影响热点温度的因素及改善热特性的方向。针对电子元件测试的两种典型程序,分析了DIP的热响应性能。以X型电子吊舱为例,对DIP的热点温度进行了数值计算,所获得的瞬态热分析结果对DIP的热设计有重要参考价值。     

基于光纤光栅传感地层应力的监测方法与实验

为了实现对地下岩层平面应力状态及其变化规律的有效监测,基于光纤光栅传感技术提出了一种平面直角应变花与光纤光栅相结合的监测方法。将光纤光栅胶结在碳纤维层积复合材料的凹槽内形成光纤应变传感单元,三个光纤应变传感单元以直角应变花的形式附着于圆柱形结构上,形成了对平面应力状态监测的钻孔三分量传感器。以二向应变特征方程与FBG应变传感理论为基础,推导出最大主应变与波长变化之间的关系,根据胡可定律及传感器所处地层的弹性模量得出了主应力与波长变化之间的关系。对光纤应变传感单元进行了温度与应变的标定,在室内对传感装置进行了模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元可监测的应变为-1500～1500uε;应力测量量程为0～4MPa;主应力的监测平均误差为1.50%;应力分辨率为0.02816MPa。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致,可满足对地下岩层竖直平面应力状态连续监测的要求。

     

基于光纤光栅传感地层应力的监测方法与实验

为了实现对地下岩层平面应力状态及其变化规律的有效监测,基于光纤光栅传感技术提出了一种平面直角应变花与光纤光栅相结合的监测方法。将光纤光栅胶结在碳纤维层积复合材料的凹槽内形成光纤应变传感单元,三个光纤应变传感单元以直角应变花的形式附着于圆柱形结构上,形成了对平面应力状态监测的钻孔三分量传感器。以二向应变特征方程与FBG应变传感理论为基础,推导出最大主应变与波长变化之间的关系,根据胡可定律及传感器所处地层的弹性模量得出了主应力与波长变化之间的关系。对光纤应变传感单元进行了温度与应变的标定,在室内对传感装置进行了模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元可监测的应变为-1500～1500uε;应力测量量程为0～4MPa;主应力的监测平均误差为1.50%;应力分辨率为0.02816MPa。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致,可满足对地下岩层竖直平面应力状态连续监测的要求。

     

基于光纤光栅传感地层应力的监测方法与实验

为了实现对地下岩层平面应力状态及其变化规律的有效监测,基于光纤光栅传感技术提出了一种平面直角应变花与光纤光栅相结合的监测方法。将光纤光栅胶结在碳纤维层积复合材料的凹槽内形成光纤应变传感单元,三个光纤应变传感单元以直角应变花的形式附着于圆柱形结构上,形成了对平面应力状态监测的钻孔三分量传感器。以二向应变特征方程与FBG应变传感理论为基础,推导出最大主应变与波长变化之间的关系,根据胡可定律及传感器所处地层的弹性模量得出了主应力与波长变化之间的关系。对光纤应变传感单元进行了温度与应变的标定,在室内对传感装置进行了模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元可监测的应变为-1500～1500uε;应力测量量程为0～4MPa;主应力的监测平均误差为1.50%;应力分辨率为0.02816MPa。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致,可满足对地下岩层竖直平面应力状态连续监测的要求。