智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析

随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。     

复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析

复合材料气瓶在空间系统中逐渐取代全金属气瓶而得到越来越广泛的应用.利用ANSYS大型有限元程序建立复合材料气瓶及其内衬的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况.建立了气瓶整体结构的特征值屈曲分析与非线性屈曲分析有限元方程,并分别进行了气瓶整体结构和内衬的外压失稳(屈曲)分析计算,得出了气瓶整体结构及内衬的屈曲模态形状和临界外压.     

基于模板匹配的舰船螺旋桨叶片数识别方法

针对在舰船辐射噪声DEMON线谱信噪比低时,传统使用的基于模型或专家系统的叶片数识别方法存在错误率高且识别结果不稳定的问题,提出了一种基于模板匹配的螺旋桨叶片数识别方法。该方法建立了不依赖于样本的模板库,设计了模板匹配算法和识别结果置信度算法,较好地解决了传统的叶片数识别技术所存在的数学模型失配或规则不全、样本不完善性等问题。对实测数据的分析表明,该方法明显降低了叶片数识别的错误率,使目标类型识别结果趋于稳定。     

船用螺旋桨叶片振动辐射噪声数值分析

螺旋桨噪声是舰船水下噪声的重要组成部分,它会影响舰船的隐身性能。螺旋桨水下噪声可分为流体动力噪声和叶片振动辐射噪声。本文计算研究了螺旋桨叶片振动辐射噪声,首先采用CFD方法对螺旋桨敞水特征进行模拟,提取螺旋桨表面的压力波动作为外部载荷;再利用有限元方法对螺旋桨进行振动响应分析;最后以振动响应作为声辐射边界条件,利用边界元方法计算了螺旋桨的振动辐射噪声。     

基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力, 将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、 纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、 层厚和铺层数, 就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置, 为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。以一种20kW风机叶片为例, 用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计, 提高了叶片的强度和刚度, 有效降低了叶片的重量。本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。      

胶印机整机有限元建模与综合分析

为了从整体上获取胶印机的性能数据,以某型单张纸四色胶印机的印刷单元为研究对象,综合运用多种有限元建模技术,建立了胶印机单色组整机有限元模型。在整体建模的基础上,对胶印机有限元模型进行了静力分析、模态分析和谐响应分析,获得了胶印机的静态、动态综合性能数据。分析结果表明,该型胶印机整体动态性能欠佳,有必要进行胶印机结构的动态优化。     

复合材料旋转壳强度和稳定性有限元分析及实验研究

利用有限元方法对一种特殊形状的复合材料旋转壳在轴压工况和内压工况下的强度进行了计算分析,揭示了应力分布特点, 确定了破坏区域和方式, 预报了模型的破坏载荷值。同时对其在轴压、外压和轴/外压工况下的稳定性也进行了分析计算。对内压、轴压下的强度和轴/外压下的稳定性进行了实验研究。      

复合材料旋转壳稳定性有限元分析和横向剪切变形的影响分析

对复合材料旋转壳的失稳问题进行了有限元推导, 建立了考虑横向剪切变形的旋转壳稳定性分析模型。在应变向量阵中引入了横向剪切应变, 从而考虑了剪切的影响。为了避免剪切自锁, 刚度的计算采用一点高斯积分法, 几何刚度的推导采用Stricklin 法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明, 对于各向同性和复合材料旋转壳, 横向剪切变形均使其临界载荷降低。在稳定性分析中, 横向剪切变形对各向同性材料旋转壳的影响较小, 对复合材料的影响较大。      

基于声发射及有限元单胞体模型的复合材料拉伸损伤分析

首先对复合材料单向板进行拉伸损伤实验,采用声发射监测其损伤的分布规律和发展过程,然后采用逐步线性加载的方式对三维有限元单胞模型进行应力场数值模拟,通过对应力场分布的分析获取复合材料的损伤机理,并进一步验证声发射监测的准确性.研究结果表明,通过综合运用声发射损伤监测技术与单胞模型有限元应力场数值模拟,分析复合材料拉伸损伤过程的方法是可行的.     

基于有限元和神经网络的杂交建模

针对复杂非线性结构动力学系统提出了一种基于有限元与神经网络相结合的杂交建模方法。依据该方法,首先将系统中的线性结构部分采用有限元建模,非线性或难以机理建模的结构部件采用神经网络描述。其次,再通过力和位移边界联接条件将有限元模型部分和神经网络模型部分结合从而得到整个系统的杂交模型,且杂交模型的物理结构明确,精度较高,网络规模较小。在一非线性隔振系统的杂交建模算例仿真中,用所建杂交模型对正弦及宽带随机激励进行了预测检验分析,结果良好,该杂交建模方法为主体结构为线弹性结构而又包含有强非线性器件的非线性动力学系统提供了一种有效的建模途径。     

Development of reliable modeling methodologies for engine fan blade out containment analysis. Part II: Finite element analysis

In the first part of the paper [Naik D, Sankaran S, Mobasher B, Rajan SD, Pereira M. Development of reliable modeling methodologies for fan blade-out containment analysis. Part I: experimental studies. Int J Impact Eng, in press], details of the experiments to characterize the behavior of dry fabrics including Kevlar^®49, and ballistic tests involving the fabric were presented. In this second part of the paper, we discuss the development and verification of a constitutive model for dry fabrics for use in an explicit finite element program. The developed constitutive model is implemented as a user-defined subroutine in LS-DYNA, a commercial finite element program. It is then used to simulate a suite of ballistic tests [Naik D, Sankaran S, Mobasher B, Rajan SD, Pereira M. Development of reliable modeling methodologies for fan blade-out containment analysis. Part I: experimental studies. Int J Impact Eng, in press] that replicate conditions seen in an engine fan blade out (FBO) event. A qualitative and quantitative comparison of the deformation shape of the fabric containment system and a quantitative comparison of the absorbed energy are carried out. Results indicate that the developed constitutive model provides a very encouraging start in modeling these high-speed events and could provide as Federal Aviation Administration (FAA) desires, an attractive complement to full-scale engine FBO tests.     

Finite element buckling analysis of rotationally periodic laminated composite shells

A finite element (FE) buckling analysis of rotationally periodic laminated composite shells is performed in this paper. Because the buckling mode of such structures is characterized as rotationally periodic, a corresponding FE buckling analysis scheme is proposed to reduce the computational expenses. Moreover, a new kind of relative degrees‐of‐freedom element is developed, which can be connected to other solid elements with ease and can yield satisfactory results with a relatively coarse FE mesh. Numerical results of two laminated cylindrical shells subjected to lateral pressure are compared with theoretical ones. The good agreement of them shows the validity of this new computational strategy. Finally, a practical structure is analysed to demonstrate the advantage of this method. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟

建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。      

穿孔损伤大小和方向对复合材料桨叶振动特性的影响

通过建立的全桨叶有限元模型, 研究了穿孔损伤的大小和方向对桨叶振动特性的影响。以桨叶根部z=50mm处矩形剖面和中部z=835mm处翼型剖面为研究对象, 分别在前缘、 翼盒和后缘模拟不同口径的穿孔损伤, 得到振动特性与穿孔损伤大小的关系, 并通过改变前缘的穿孔损伤方向, 得到振动特性与穿孔损伤方向的关系。结果表明, 穿孔损伤一般不会引起各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化。随着损伤口径的增大, 各阶振动频率都降低。损伤发生在前缘和后缘, 摆振频率降低最多, 发生在翼盒, 扭转频率降低最多。穿孔方向对各阶振动频率的影响不仅与损伤的位置和结构有关, 还与损伤剖面的几何形状有关。对于根部矩形剖面, 穿孔方向与剖面弦向夹角为75°和105°对摆振频率影响最大, 对于中部翼型剖面, 夹角接近0°(180°)对摆振频率影响最大。      

复合材料3钉单搭连接有限元模拟与钉载分布

进行了复合材料一铝合金三钉单搭连接单向拉伸试验,测量了层合板面内位移、应变和离面位移随载荷的变化关系,建立了复合材料多钉单搭连接的三维累积损伤有限元模型,计算与试验对比结果表明,该模型可模拟大范围损伤发生之前的承载特性。采用试验和数值模拟相结合的方法研究了复合材料一金属三钉单搭连接钉载分布情况,结果表明：试验用复合材料-铝合金三钉单搭连接,螺栓1承载比例最高,螺栓3次之,中间螺栓的承载比例最低,并且螺栓承载比例在加载过程中基本保持不变;随着金属连接板刚度的增加,螺栓1的承载比例增加,螺栓3承载比例降低,中间螺栓2的承载比例变化较小,层合板离面位移减小;金属板配合间隙变化对钉载分布影响很小,但层合板的离面位移随配合间隙的增大而增大。     

芯材增强对夹层圆柱壳动力学性能影响的有限元分析

将表层、增强材料与芯材分开,应用有限元分析软件ANSYS,采用8节点SOLID45实体单元,对增强型夹层圆柱壳建立物理模型,进行自由振动及瞬态动力学过程分析。考虑树脂材性、尺寸以及分布等参数的变化,分析了点阵增强和齿槽增强对夹层圆柱壳动力学性能的影响,将两种增强方式进行了对比。结果显示,树脂柱及树脂齿槽均可改变圆柱壳的振动特性,对降低瞬态荷载下的动力响应有积极作用。其中树脂材性的影响较小,而点阵和齿槽的尺寸与分布对圆柱壳动力学性能的影响较为明显,分析显示,点阵增强对于提高结构固有频率比齿槽增强更好一些,而齿槽增强对于降低端部受冲击荷载时的动力位移比点阵增强更好一些。     

Implicit solid,flow and flow–solid finite element approaches in blade forging simulation

A comparative theoretical and numerical study of the flow (rigid‐plastic) and solid (elasto‐plastic, in rate form) simulation approaches applied to the isothermal blade forging process for closing and opening of the dies is presented. In the rigid‐plastic approach the solution is followed by an elasto‐plastic solution in unloading (opening of the dies). The deformation of the billet, effective plastic strains and stresses were compared between the two solutions in the closing of the dies and when the dies were opened. Furthermore, the flow–solid approach was used in simulating the process and then the results, including the time–load and time–volume curves, were compared with previous results. The cost was lower and the efficiency was superior in the suggested flow–solid approach. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite element analysis for the evaluation of the low-velocity impact response of a composite plate

The low-velocity impact responses of cross-ply CFRP composite plates are investigated experimentally and are simulated using the finite element code LS-DYNA. An experimental test was initially performed and two different modeling approaches were then employed to model the composite plates. In the first numerical modeling approach, solid elements are utilized for the composite layers, whereas in the second, shell elements are used. The numerical model using the shell elements shows a good correlation with the experimental results, while the impact damage in the form of delamination is predicted more precisely using solid elements.