层合板低速冲击损伤的数值模拟

为了分析复合材料层合板在冲击载荷作用下,层合板的损伤演化发展情况,结合采用单元失效技术和铺层刚度退化技术建立层合板低速冲击的三维有限元分析模型。在该模型中,当有限元模型中的单元发生某种冲击失效形式时,定义该单元发生部分失效,并将其刚度适当的退化。计算发现冲击背面容易产生基体开裂,并由此导致分层发生,而且靠近冲击背面的界面所产生的分层面积要较靠近冲击正面的界面的分层面积要大;随着冲击能量的增大,分层面积也增大;当冲击能量很高时,铺层内会出现纤维断裂,同时在层合板的边界处也容易出现损伤,计算结果和试验结果吻合。     

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析

参照标准试验方法,开展了层合板低速落锤冲击试验,获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据,并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了凹坑深度-冲击能量、剩余压缩强度-凹坑深度的变化关系,并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。建立了层合板低速冲击损伤分析模型,分别采用Hashin失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤,利用有限元分析了层合板低速冲击过程,得到了不同冲击能量下分层损伤面积。结果表明,凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力,随着冲击能量的增大,剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低。有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声C扫描结果吻合较好。     

层合复合材料板的低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,对层合板的冲击以及冲击后含损伤的层合板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板受外物冲击以及冲击后的损伤状态及在压缩载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

复合材料层合板修补结构高速冲击分析

复合材料以其优异的综合性能,在航空航天和防护装备等领域得到广泛应用,胶接修补是复合材料出现损伤、破坏时优先使用的修补方法。对复合材料层合板胶接修补结构在冲击过程中的不同形状和尺寸补片对修补效果的影响,以及1号补片修补结构在修补过程中层合板材料失效情况进行了研究。层合板采用最大应力失效模式,并与已有文献进行对比,验证模型正确性。计算结果表明,在高速冲击过程中,在子弹穿透层合板之前,层合板发生纤维断裂失效,分层失效伴随整个冲击过程。补片的形状和尺寸对修补效果产生重要影响,其中2号补片修补效果最好。     

低速冲击下复合材料层合板的三维损伤

考虑横向剪应力效应,对复合材料层合板低速冲击损伤进行有限元数值模拟和超声C(ultrasonic C)扫描无损检测.结果表明,用九节点厚壳单元和三维Tsai-Wu失效准则求解层合板冲击问题,损伤包络区域与超声检测结果一致性好,厚度方向上的损伤剖面为倒"T"字形,内部近似圆台形,背面层损伤为"枣核"形.     

基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。     

复合材料层合板压缩载荷下渐进损伤分析与试验验证

基于渐进损伤分析方法,建立了复合材料层合板的三维有限元模型。该模型包含应力分析求解、单元失效判定和损伤单元材料性能退化。采用了修正的带剪切非线性的Hashin准则作为单元的失效判据,使用Camanho模型对失效单元进行材料性能退化。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了失效准则与材料退化准则在Abaqus中的应用。并对有限元模型进行了试验验证。计算值与试验值之间误差为8.7%。有限元计算得出的失效位置与失效模式和实验吻合很好,结果表明本文模型能合理进行层合板的强度预测和失效分析。     

粘性系数对复合材料层合板的渐进损伤影响

在渐进失效分析法的基础上,为研究粘性系数(η)对层合板结构最终失效的影响,以含有中心贯穿式孔裂纹的E-glass/HT907复合材料层合板为研究对象.采用工程上使用较为普遍的Hashin准则作为结构失效单元的判别依据,结合各种损伤模型,对层合板结构的破坏机理、材料失效后的损伤扩展过程以及结构发生破坏后的最终失效载荷进行...     

含孔复合材料层合板的疲劳寿命研究

建立了三维有限元模型,分析了复合材料层合板的应力场。使用修正Hashin失效准则判定复合材料的失效模式,并突降失效单元的材料性能。疲劳载荷引起复合材料刚度降和强度降依靠缓降模型实现。笔者将突降模型和缓降模型植入有限元模型中,模拟了复合材料层合板在拉伸和压缩疲劳载荷下的渐进损伤过程,并计算了层合板的纵向刚度损伤和疲劳寿命。层合板的纵向刚度损伤具有三阶段特点,与试验观察是一致的。层合板疲劳寿命预测值与试验值吻合地很好。     

复合材料斜接接头强度数值仿真研究

复合材料斜接接头是胶接结构主要形式之一,其失效模式复杂,包括复合材料层合板和胶层的多种失效模式。提出了一种包含两种不同失效模型的分析方法,采用基于三维Hashin失效准则和指数型刚度退化准则的渐进损伤模型仿真复合材料层合板层内失效,采用内聚力模型仿真胶层失效和层合板层间失效。基于该方法建立了复合材料斜接接头强度分析三维模型,使用试验数据验证了该仿真模型,并利用该模型分析了接头的失效机理。在此基础上,研究了接头斜削角和胶层断裂韧性等设计参数对连接强度的影响,得到了上述参数对斜接接头强度影响的规律。     

Structural integrity evaluation for interference-fit flywheels in reactor coolant pumps of nuclear power plants

This study is concerned with structural integrity evaluations for the interference-fit flywheels in reactor coolant pumps (RCPs) of nuclear power plants. Stresses in the flywheel due to the shrinkage loads and centrifugal loads at the RCP normal operation speed, design overspeed and joint-release speed are obtained using the finite element method (FEM), where release of the deformation-controlled stresses as a result of structural interactions during rotation is considered. Fracture mechanics evaluations for a series of cracks assumed to exist in the flywheel are conducted, considering ductile (fatigue) and non-ductile fracture, and stress intensity factors are obtained for the cracks using the finite element alternating method (FEAM). From analysis results, it is found that fatigue crack growth rates calculated are negligible for smaller cracks. Meanwhile, the material resistance to non-ductile fracture in terms of the critical stress intensity factor(K _IC) and the nil-ductility transition reference temperature RTinNDT are governing factors for larger cracks.     

复合材料夹芯结构低速冲击性能研究

复合材料夹芯结构为电子设备与外层蒙皮提供了一体化设计的思路,可以大幅降低飞行器的结构重量。通过低速冲击试验和ABAQUS仿真研究了5 J和10 J冲击能量下某飞行器复合材料机翼蒙皮典型夹芯区域在低速冲击下的性能。随着冲击能量的增加,复合材料泡沫夹芯结构的能量吸收率由5 J的72.0%提升至10 J的76.0%。由仿真结果可知,当冲击能量达到10 J时,出现了纤维损伤,且损伤沿表层铺层角度扩展,基体压缩损伤主要出现在冲击正面,基体拉伸损伤主要出现在冲击背面,损伤随冲击能量的增加而变大。当冲击能量达到10 J时,上面板与泡沫芯体粘接处也产生了较大的损伤。     

Analysis of frequency characteristics of compliant mechanisms

Much work is needed for a further study on the dynamic analysis of compliant mechanisms to improve their performance and operational accuracy. This paper uses the finite element method to develop a dynamic equation of the compliant mechanism. Natural frequencies and modes are derived. Using the differentials of a stiffness matrix to design parameters, a method for calculating the sensitivity of natural frequency is presented. The numerical simulation results indicate that the design parameters have an impact on the frequency characteristics of the compliant mechanisms and the proposed method is more accurate and convenient for analyzing frequency characteristics.     

一种分析旋转梁振动的梁柱有限元

针对旋转柔性梁的弯曲振动问题,提出了一种高精度的有限元——梁柱元。根据旋转梁弯曲时与梁柱相同的受力特点,推导了梁柱元弯曲变形的形状函数,采用传递矩阵方法导出了单元的刚度矩阵及相应的一致质量阵。证明了梁柱元刚度矩阵中各元素的泰勒展开式前两项正好是采用常规弯曲梁元形状函数得到的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵对应的元素的和,因而采用梁柱元分析旋转梁元弯曲振动问题具有很好的精度。对铰支和固支旋转梁振动分析的数值算例也证明了这个结论。     

两颗粒弹塑性正碰撞的耗散模型

为了快速地得到颗粒碰撞后的运动状态,从而实现颗粒碰撞阻尼系统的整体仿真研究,建立颗粒在单个碰撞周期中的分段力学模型.该模型将颗粒的单个碰撞周期分为三个阶段,通过三个阶段的力学分析得出颗粒在关键节点的运动状态,最终得到颗粒碰撞后的反弹速度、碰撞过程中的恢复系数和能量损耗的解析表达式.随后采用有限元方法对两颗粒的弹塑性碰撞过程进行模拟,有限元分析结果与分段力学模型的结果吻合较好,证明了分段力学模型的正确性.最后应用此分段力学模型对颗粒的碰撞速度、颗粒材料参数包括屈服点、弹性模量、密度和颗粒大小对耗能效果的影响进行定量的分析计算.计算结果表明,材料的屈服点和弹性模量之比越小,碰撞耗能效果越好;同时,质量密度越大的材料,耗能效果也越好;在设计颗粒阻尼器时可以以此为原则选用碰撞伙伴的材质.以上研究结果可以用于颗粒碰撞阻尼系统的阻尼特性分析和整体仿真研究.     

Development of a Wittrick–Williams algorithm for the spectral element model of elastic–piezoelectric two-layer active beams

In this paper, a Wittrick–Williams algorithm is developed for the elastic–piezoelectric two-layer active beams. The exact dynamic stiffness matrix (or spectral element matrix) is used for the development. This algorithm may help calculate all the required natural frequencies, which lie below any chosen frequency, without the possibility of missing any due to close grouping or due to the sign change of the determinant of spectral element matrix via infinity instead of via zero. The uniform and partially patched active beams are considered as the illustrative examples to confirm the present algorithm.     

基于Assur杆组元素的平面机构的拓扑描述

通常邻接矩阵仅描述机构中构件间连接关系,不能直接对基于Assur结构组成理论的杆组及其连接关系进行描述及变换。基于此,将杆组作为基本元素,替代邻接矩阵中的单一构件元素,构造一种基于Assur杆组元素的机构结构拓扑矩阵——杆组邻接矩阵。该矩阵对角线元素由代表主动件、机架和Asuur杆组和/或扩展Assur杆组三种基本元素组成,非对角线元素代表各基本元素间的连接关系及运动副的类型,清晰地描述了基于Assur结构理论的平面机构的结构组成。Assur杆组元素用于普通平面机构的拓扑描述,扩展Assur杆组元素用于变胞机构的拓扑描述。该矩阵为应用Assur结构组成理论系统的进行结构综合,特别是计算机辅助结构综合和分析提供了新的途径。实例验证了该矩阵的有效性和实用性。     

不确定声场分析的区间矩阵分解摄动有限元法

针对修正一阶区间摄动有限元法存在的一阶Taylor展开误差较大和求解摄动逆矩阵时计算效率不高的缺陷,提出区间矩阵分解摄动有限元法(Decomposed interval matrix perturbation finite element method, DIMPFEM)。该方法将系统动态刚度矩阵分解为若干系统子矩阵之和,每个系统子矩阵的摄动矩阵用摄动因子和常量矩阵的乘积表示,避免了摄动矩阵的Taylor展开误差;采用Epsilon算法求解摄动逆矩阵的修正Neumann级数,有效提高了计算效率。将DIMPFEM应用于具有区间参数的二维管道和二维商务车声腔模型的声压响应分析,分析结果表明,与修正一阶区间摄动有限元法比较,DIMPFEM获得了更高的计算精度和计算效率。     

含圆形夹杂两相材料界面变形与损伤特性的数值模拟

为模拟复合材料界面行为,利用界面破坏单元和有限元程序,对金属基复合材料Al基体含Al2O3圆形夹杂的界面破坏行为进行一系列的数值模拟,分别采用切向和法向耦合的界面弹簧单元SPRINGA和由自编的非实体四节点界面单元等模型;比较各种界面模型的差别。由计算结果可知,考虑界面层的计算模型比不考虑界面层时合理;采用破坏型界面层即在界面处加入破坏弹簧或非实体破坏单元的计算模型比仅加入一层实体界面层的计算模型合理;加入破坏型界面层时,界面层力学性质的描述与参数值的给定对计算结果有重要的影响。