平板型复合材料格栅结构载荷重构研究Ⅱ:反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构.算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备.     

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究 Ⅱ: 反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构。算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备。      

格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响

研究格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响。首先,基于格栅间距沿母线方向的变化特征和等效平铺模型推导了格栅加筋圆锥壳体的等效刚度阵。其次,采用Donnell 型扁壳理论推导了在均布外压作用下格栅加筋圆锥壳体稳定性分析的总势能表达式,利用最小势能原理得到了该壳体总体稳定性的临界载荷值,所得计算结果与实验结果十分吻合。最后,通过典型数例参数讨论,说明格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响将随底锥角增大而显著。该文将为先进复合材料格栅加筋圆锥壳体的参数优化设计提供一种高效和可靠的分析方法。     

基于变环肋间距的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性

研究均布外压作用下具有非均匀特征的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋（AGS）圆锥壳体构型优化。首先,充分考虑复合材料格栅圆锥壳体中格栅非均匀分布造成结构小端材料利用不充分问题,提出变环肋铺设间距的优化分布方式,使格栅在截顶圆锥壳体结构上小端疏大端密。之后,基于考虑格栅非均匀分布及变环肋间距铺设特征的等效刚度模型,并采用最小势能原理得到环肋铺设优化后的AGS圆锥壳体临界载荷值解析式。针对典型锥壳的有限元验证表明解析算法的误差在1%左右,证实了本文提出的分析方法的可靠性和有效性。最后,通过对环肋间距优化圆锥壳体的参数分析,发现优化环肋分布方式可以使AGS锥壳结构的外压稳定性大幅上升。本文研究内容为碳纤维/环氧树脂复合材料AGS圆锥壳体的优化设计提供了一种具有较高承载力的构型,并为此类结构的计算提供了解析算法。     

十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能

针对传统复合材料格栅夹芯结构极限承载能力较低、单胞封闭易造成水汽凝结的问题,在分析管胞微观结构和功能性的基础上,提出一种新型十字嵌锁型格栅夹芯结构。首先选取最小体积(最小质量)和最小变形(最大刚度)为优化目标,利用第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成多目标优化,采用三维Hashin失效准则和改进的刚度退化方法建立格栅夹芯板的冲击渐进损伤有限元分析模型,研究多种低速冲击载荷对不同相对密度夹芯结构的不同位置的破坏机制及力学响应。结果表明：新型格栅夹芯结构表现出良好的低速冲击阻抗,其随芯子的空间分布存在差异,格栅间隙处的抗冲击性能较弱,芯子密度的提高不能有效增强该位置处的冲击强度,夹芯结构所受到的破坏远远大于冲击器撞击格栅交点处的情况;受不同冲击位置和冲击速度的影响,载荷-时间和位移-时间曲线呈现出不同的典型模式,芯子出现屈曲、分层、粘接剥离、折弯变形等失效形式,复合材料上面板发生混合损伤,随着冲击速度的增加,芯子和面板的损伤程度也愈严重。     

含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋圆柱壳(AGS)的热-机耦合非线性屈曲分析

采用基于复合材料一阶剪切理论的有限元法研究了含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋(AGS)板壳结构的热-机耦合屈曲性态,在屈曲分析中考虑了材料热物理、力学性质与温度相关特性和分层损伤处的上子板、下子板的接触效应。同时在分层前缘采用了位移约束条件以保证分层区域的各子板的变形相容要求。通过一含多分层损伤的典型复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构算例分析,讨论了在热-机耦合作用下分层大小、个数和分层位置对该结构屈曲性态的影响。结果表明:复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构具有较强的抗热屈曲的能力和良好的损伤容限性。该文提出的方法和所得结论将对AGS结构的热-机耦合屈曲能力的预测和损伤容限设计具有一定参考价值。     

格栅-蜂窝混式芯体夹芯结构的低速冲击性能

针对传统复合材料夹芯结构抗冲击性能差的缺陷,提出一种格栅-蜂窝混式芯体,并对其低速冲击性能进行了研究.采用半球头式落锤冲击实验平台对碳纤维铝蜂窝夹芯结构的低速冲击响应进行研究;其次基于蜂窝非线性本构与完美界面假设,建立了碳纤维铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模型,实验与仿真结果吻合良好;最后对不同冲击位置和冲击角度下格栅-蜂窝...     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

平板型复合材料格栅结构的增强改进与参数设计

在拉挤-互锁平板型复合材料格栅结构的制作演示基础上, 提出了几种增强改进的方法, 并实现了一种平板型复合材料格栅结构的制造。借助有限元模型, 考虑到结构的力学性能和制作工艺, 对结构的最优化几何参数进行了研究, 建立了加帽增强平板型格栅结构几何参数的初步设计方法。      

多级三角形格栅夹芯板力学分析

为了提高点阵复合材料结构的轻质高强力学特征,尤其提高其抗屈曲性能,设计了一种新型的多级三角形格栅夹芯板结构。根据等效连续介质力学方法提出了多级三角形格栅夹芯板的等效计算理论,预测了拉伸主导型多级三角形格栅夹芯板结构的等效弹性模量以及等效抗弯刚度。分析了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板的弹性屈曲载荷和强度破坏模式。在理论模型的基础上绘制了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板结构的失效模式图,指出了结构破坏模式与多级三角形格栅夹芯板尺寸之间的对应关系。研究表明:具有工字型截面的多级三角形格栅夹芯板结构相比于传统矩形截面格栅结构具有更高的抗弯刚度和弹性屈曲载荷,是一种性能更加优越的轻质高强点阵结构。      

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

Kagome点阵夹芯板的抗冲击性能研究

Kagome点阵夹芯结构是近年来提出的一种力学性能十分优异的新型点阵夹芯结构。建立了3D-Kagome点阵夹芯板在理想冲击载荷作用下的分析模型,将含有大量周期性单胞的芯子等效为实体板,得到了Kagome芯子的等效本构关系,给出了芯子的等效强度和刚度。采用有限元方法模拟3D-Kagome夹芯板在理想冲击载荷作用下的响应,研究了板的最大挠度随芯子相对密度、芯子的厚度参数和冲击载荷大小的变化规律,得出了该结构抗冲击的最优化设计方案。与相同重量的实体板比较发现,3D-Kagome点阵夹芯板在抵抗冲击、能量吸收和耗散等方面具有很大的优势。     

先进复合材料格栅加筋板的总体稳定性分析

通过建立复合材料格栅结构单元的基本力学假设和分析模型, 推导了一种新的等效刚度计算方法, 用于分析复合材料格栅加筋板的总体稳定性。该方法充分考虑了筋条和面板的相互作用和中面偏移效应, 并具有通用性。结合Rayleigh-Ritz能量近似法, 推导出了求解加筋板总体屈曲载荷的通用特征方程; 分析了多种算例, 并与修正平铺法进行了比较, 结果吻合得很好。      

缝合泡沫夹层复合材料低速冲击数值模拟及实验

在ABAQUS分析平台中建立了缝合泡沫夹层复合材料在低速冲击下的动力学有限元模型,采用杆单元模拟缝线树脂柱的作用,基于Hashin破坏准则模拟层板面内损伤,通过各向同性硬化本构模型利用等效塑性变形模拟泡沫夹芯损伤演化。针对相同铺层的缝合和未缝合泡沫夹层结构,模拟了相同冲击能量下的低速冲击响应过程及面板、泡沫的损伤情况,数值结果与实验结果吻合较好,证明了该方法的有效性和准确性。研究结果表明,在低速冲击下,泡沫夹层结构引入缝线后虽然降低了泡沫缓冲吸能的作用,使得面板表面受到较大的冲击破坏,但增强了整体刚度,增大了面板抵抗弯曲变形的能力,减小了内部面板的损伤,使其在改善复合材料面板易分层缺陷的同时还依然拥有优良的面内性能。     

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。     

变刚度复合材料平板与开孔板屈曲性能试验验证与数值仿真

为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力,设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统,全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%;试件力学响应相似,均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减,变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性,而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型,屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布,阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件,采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷,并降低侧边载荷,缓解应力集中。     

船舶中压交流真空断路器结构抗冲击性能研究EI北大核心CSCD

船舶机电设备的抗冲击性能是考核设备战时生命力的重要指标。该研究采用冲击试验机试验和数值仿真方法研究了船舶中压交流真空断路器的抗冲击性能。研究结果表明:原样机在冲击试验后出现了由于结构变形引起的技术特性参数变化(断路器一相超程过小);样机模型的应力危险区域主要存在于底板和支撑底座,对该部分结构采用数值仿真方法(频域载荷)改进模型,改进后模型满足抗冲击性能要求;时域载荷作用下断路器模型的瞬态响应特性呈现为垂向响应较为剧烈,横向、纵向较为缓和,且在0.015 s内响应最为剧烈,于0.15 s趋于稳定;两种载荷作用下的模型响应结果较为接近,其中频域载荷应力值统计结果整体略大于时域载荷,选用频域载荷仿真计算更为保守。     

纤维增强复合材料波纹蒙皮基体的承载能力

本文以一种可作为变体机翼蒙皮的复合材料波纹结构为对象,研究了其横向承载能力,为其结构参数优化提供理论基础。提出了一个理论分析模型,计算了试件横向的抗弯刚度及三点弯曲载荷下的挠曲线,并计算了同等材料厚度、宽度的平板结构的抗弯刚度,比较发现,波纹结构在纵向有远大于平板结构的承载能力。模仿蒙皮实际受载情况,计算了均布载荷作用下波纹试件弯曲的挠曲线方程。制作了波纹基体承载试件及平板试件,用三点弯曲法对两种试件进行了弯曲测试,测试结果表明,在弯曲的弹性变形段内,理论计算值与测试值基本吻合,误差小于10%,证明了理论分析模型的正确性。     

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.     

基于ARX模型的复合材料加筋板结构冲击载荷时程重建

发展一种基于ARX模型的冲击载荷时程重建方法,用于识别作用在复合材料结构上的冲击载荷时间历程,为复杂结构冲击载荷识别问题的解决提供有效途径。建立复合材料加筋板结构冲击载荷实验,首先对完成网格划分的复合材料加筋板结构进行冲击载荷训练,实现系统辨识,得到结构的ARX模型;然后推导逆向ARX模型的输入输出关系,通过逆向传递函数矩阵集合描述复合材料加筋板结构,结合等参单元理论,基于传感器信号重建复合材料加筋板结构的冲击载荷时间历程。研究结果表明,所提方法能够在线有效地重建作用在复合材料加筋板结构上的冲击载荷时间历程。