吊管机翻车保护结构的有限元分析与试验研究

为了设计与改进吊管机的翻车保护结构（ROPS）,利用ANSYS有限元软件对设计的ROPS进行有限元分析,并对其样机进行加载试验。首先介绍了ROPS的结构类型并优选了适合该机的双柱型式,然后建立了双柱式ROPS的有限元模型,进行了结构性能仿真分析;并依据ISO3471：2008的相关要求进行了具有代表性的侧向加载试验,以检验ROPS的受力变形和承载能力等情况,对比分析了试验结果与有限元结果的偏差及其产生原因,最后提出了针对该类ROPS的改进措施,以期总结出类似ROPS的有限元计算和样机试验的基本经验。     

不同界面SiC纤维束复合材料的拉伸力学行为

利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺(CVI)制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料,并对其拉伸力学行为进行研究;同时,通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明:该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力,而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小,随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明:随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势,且纤维拔出长度也相应增加;但在界面厚度相同的情况下,过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。     

C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。     

复合材料舱段连接构件三维应力分析及设计

基于有限元软件ANSYS,建立了舱段间连接结构的有限元分析模型进行非线性静力分析.给出了其中典型槽形复合材料构件的应力分布规律,并预测构件的破坏部位为舱段端框孔边内拐角部位,在设计时需要重点考虑.对槽形复合材料构件长短支厚度、连接螺栓预紧力以及垫片对构件应力分布的影响研究表明,增加长短支厚度、选择适当预紧力、选择刚性垫片、增加垫片的厚度以及选择合适的垫片形状均可以对拐角部位的强度有所改善.本文的工作为复合材料舱段连接结构的设计提供理论参考.     

某宽体矿用自卸车驾驶室ROPS结构仿真分析、改进及验证

在正向设计开发某宽体自卸车驾驶室的过程中,为了在保持曲面造型的基础上满足提高安全性、缩短设计周期以及降低设计成本的要求,首先,通过CAE有限元仿真对其初始ROPS结构进行各向加载力及加载能量分析,找出相关薄弱点进行有针对性地优化加强。其次,通过CAE仿真分析确认优化的有效性,加强后的ROPS结构很好地满足了ROPS标准对各向加载的安全要求。最后,通过实验室台架试验验证了该车型驾驶室ROPS结构的安全性和可靠性,也很好地验证了CAE仿真分析的有效性。     

湿热环境下开孔复合材料层合板的强度

通过试验研究T300/5405复合材料层合板在6种湿热环境下开孔拉伸、开孔压缩的极限强度,分析了湿热环境对开孔复合材料层合板强度性能的影响,对比了不同湿热环境下材料的破坏模式。在有限元仿真方面,通过考虑湿热环境对材料刚度和强度的影响,建立了湿热条件下复合材料开孔层合板极限强度的预测方法,模拟了开孔复合材料层合板在不同湿热环境、不同载荷类型下的损伤演化全过程。有限元预测结果与试验结果的误差在20%以内,验证了该预测方法的有效性。     

堆叠压电复合材料圆环阵换能器有限元分析与测试

利用有限元软件仿真设计了轴向堆叠压电复合材料圆环阵换能器的敏感元件。该换能器具有高频、宽带、水平全向发射的特性。利用ANSYS有限元分析软件对换能器敏感元件进行了模态分析和谐响应分析,通过改变复合材料结构参数,分析得到了复合材料圆环径向厚度振动频率和带宽随其厚度、高度和平均半径的变化规律,并据此确定了制备复合材料所需的最佳尺寸参数,为复合材料制备提供了仿真依据。按由仿真得到的最优参数制作了双圆环叠堆复合材料换能器敏感元件。经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dBd工作带宽为90kHZ。测试结果和仿真结果吻合,实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标。     

SiCP/Al复合材料的拉伸性能

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC_P/Al)复合材料的拉伸强度进行了试验研究。发现在较高应力水平下经过2次卸载的试件与未做卸载的试件相比,拉伸强度变化很小,说明加载-卸载过程对材料的拉伸强度影响不大。在试验研究的基础上,使用ANSYS软件建立了有限元模型,对SiC_P/Al复合材料的拉伸特性进行了仿真模拟。研究结果表明,低体积分数SiC_P/Al复合材料的力学性能更接近塑性材料;而高体积分数SiC_P/Al复合材料的力学性能则接近于脆性材料。拉伸强度模拟计算误差非常小,基体破坏是导致高体积分数SiC_P/Al复合材料破坏的主要因素。     

界面对颗粒增强金属基复合材料强化性能的影响

为提高颗粒增强金属基复合材料的力学性能,采用基于微观组织的胞元模型建模方法,并利用有限元软件ABAQUS着重分析了界面层厚度以及界面层强度对复合材料性能的影响,通过对复合材料中各组成部分的应力、应变云图的获取,形象地说明了各部分的变形规律.研究结果表明,在弱界面层下,随着界面层厚度的增加,复合材料的强化效果并不显著,而在强界面层下,随着界面层厚度的增加,强化效果非常明显;就界面层强度来说,界面越强,所表现出的强化效果就越明显,但当界面层强度比基体大得多时,随着界面层强度的增加,虽然复合材料的强化呈递增趋势,但是递增的幅度已逐渐降低.     

纤维增强树脂复合材料约束超高性能混凝土轴压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA有限元分析软件建立纤维增强树脂(FRP)复合材料约束超高性能混凝土(UHPC)圆柱细观有限元模型,以研究其单轴受压性能。通过已有试验数据验证了模型的有效性,并建立了能准确反映FRP复合材料约束作用的K&C模型的剪切膨胀参数预测公式。在此基础上进行参数分析,研究FRP复合材料厚度、纤维缠绕角度和钢纤维掺量的影响。结果表明,本文模型不仅能模拟随机分布钢纤维对试件应力分布的影响,且能较准确反映FRP复合材料约束作用对核心UHPC强度和延性的提高效果。模型在轴压作用下的破坏模式和应力-应变曲线与试验结果基本一致。参数分析表明,随FRP复合材料厚度或纤维缠绕角度的增大,试件极限承载力和延性均增大,而增大钢纤维掺量虽可限制核心UHPC斜裂缝的开展,但对试件强度和延性影响较小。      

玻璃纤维增强聚合物复合材料筋与工程水泥基复合材料黏结性能

为了研究玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料筋和工程水泥基复合材料（ECC）黏结性能的影响因素,对42个GFRP/ECC试件进行了拉拔试验,分析了GFRP复合材料筋表面形式、直径、ECC基体强度及保护层厚度等因素对GFRP复合材料筋与ECC基体黏结性能的影响。结果表明:GFRP/ECC试件的破坏形式主要有拔出破坏、筋剥离剪切破坏、劈裂破坏三种形式。表面带肋GFRP复合材料筋黏结强度比光滑GFRP复合材料筋高约66%;当ECC保护层厚度由1.5D（D为GFRP筋直径）增大至4D时,GFRP/ECC黏结强度提高了约58%;当GFRP复合材料筋直径为12~18 mm时,GFRP/ECC黏结强度随着GFRP复合材料筋直径的增大而降低;ECC强度由33.7 MPa增大至73.3 MPa时,GFRP/ECC黏结强度增大约3倍。增加GFRP复合材料筋表面形式复杂程度,或一定程度上提高ECC基体保护层厚度、提高ECC强度等级,有助于提高GFRP复合材料筋与ECC的黏结强度。      

双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明,对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构,失效强度接近,主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主,伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述,通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好,并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。      

复合材料夹芯梁屈曲破坏模式及极限承载

为研究复合材料夹芯梁在轴压作用下的屈曲、后屈曲特性及承载能力,进行了试验研究与有限元仿真。首先,开展了系列复合材料夹芯梁屈曲特性试验,研究了铺层比例、梁长度、表层厚度及芯层厚度等因素对其屈曲、后屈曲破坏模式及极限承载的影响;然后,基于非线性屈曲理论,采用三维内聚力界面单元模拟面芯脱粘,并引入初始预变形及材料损伤准则对复合材料夹芯梁在轴压下的屈曲特性及极限承载进行仿真研究。结果显示:界面脱粘是屈曲破坏的重要模式;仿真计算的极限承载与试验结果相比,误差控制在10%以内。所得结论表明该方法可有效预报复合材料夹芯梁的后屈曲路径、破坏模式及极限承载。      

碳纤维截面特性对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响

基于压拉平衡为特征的新一代先进复合材料的需求,开展了碳纤维截面形状和尺寸对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响研究。有限元模拟和试验结果均表明,增大碳纤维直径可以提高复合材料压缩强度。另外碳纤维截面形状也对复合材料压缩强度有影响,圆形截面优于椭圆形截面。      

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

三维编织复合材料与金属胶接结构的力学性能及优化

通过试验和理论研究了三维编织纤维增强树脂基复合材料（FRP）与钢板的单搭粘结性能。建立了三维编织复合材料和钢板的单搭粘结有限元模型,并基于内聚区模型和Hashin破坏准则来模拟胶接层及三维编织复合材料的破坏,分别从极限载荷、破坏位移和破坏模式三方面将计算结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的有效性。在此模型基础上,研究了胶层厚度、粘结长度对单搭粘结极限载荷和破坏位移的影响,并提出针对不同工况下的优化方案选择的建议。最后建立了一种新型连接结构,相比较于原有单搭接连接方式,其拉伸强度和弯曲强度均有了较大提升。     

基于树脂流动的变截面复合材料结构固化过程热-流-固多场强耦合数值仿真

在考虑树脂流动对固化温度场影响的基础上,将树脂流动引入经典热-化学模型,并在考虑了固化过程材料性能时变特性条件下,建立了复合材料热-流-固多场强耦合有限元模型。通过对比文献中未考虑树脂流动对温度场的影响,本文所建模型温度场较实际结果的最大温差更低,厚度密实精度更高,模型可靠性更好。基于所建热-流-固强耦合有限元模型,对变截面复合材料结构固化过程进行数值仿真。研究发现,变截面复合材料结构较厚区域存在明显温度场、固化度场及树脂流场分布梯度,纤维体积分数分布不均性较大,这与结构不同区域的厚度、固化过程温度传递滞后及局部树脂流动受固化效应不同步产生的影响有关。变截面复合材料结构厚度由3.52 mm增加至42.24 mm,截面最大温差由0.3℃增加到34.3℃,纤维体积分数分布不均匀性由0.1%增加到1.3%。     

基于Anderson-Darling检验的复合材料厚板层间拉伸强度性能研究及B基准值

国内对于复合材料层间剪切性能的研究较多,但对于层间拉伸强度则研究甚少。本工作针对T800级复合材料厚层压板进行了层间拉伸强度试验,使用k-样本Anderson-Darling检验对试验数据进行统计分析,研究了铺层厚度、温度/湿度和分层缺陷对层间拉伸强度的影响,以期为复合材料在民用飞机上的应用提供数据支撑。试验表明:在5～12.9 mm厚度范围内,厚度不会对层间拉伸应力产生影响;与室温干态相比,高温湿态会降低层压板的层间拉伸应力;分层缺陷严重影响层间拉伸应力,且含分层缺陷的试件的层间拉伸强度受环境影响不明显。利用Anderson-Darling方法进行正态分布的拟合优度检验后,求得无分层缺陷层间拉伸强度B基准值和含可接受分层缺陷层间拉伸强度B基准值。基于以上B基准值求得层间拉伸强度含可接受分层缺陷的B基准折减系数为0.39。     

数值模拟碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能

本文根据连续介质理论,采用代表性体积元的方法计算了碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能。使用有限元软件ABAQUS对代表性体积元模型进行分析,研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料弹性模量、屈服强度、泊松比及剪切模量的影响。结果表明碳纳米管体积分数对复合材料力学性能有显著影响,随着碳纳米管体积分数的增加,复合材料的弹性模量、屈服强度及剪切强度都明显提高,泊松比略有下降。     

液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响

复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析（FEA）模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出：随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。