对流换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析

用有限元法和有限差分法相结合的方法,分析了由 ZrO₂和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板在对流换热边界条件下的非线性瞬态热传导问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明:在精确计算瞬态温度场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态温度场的最重要因素之一。此外,材料组分的分布形状系数、环境介质温度和对流换热系数的变化对变物性梯度功能材料板的瞬态温度场分布均有明显的影响。此结果为材料设计和进一步的热应力分析提供了准确的计算依据。     

含界面开裂损伤的复合材料夹层板线性和非线性热—机械力屈性态研究

本文提出基于复合材料层合板的一阶剪切理论和ｚｉｇ－ｚａｇ变形假定的有限元模型，研究了含表板与心体间开裂损伤的复合材料夹层板的线性和非线性热－机械力耦合情况下的屈曲问题，在分析中考虑了材料性质与温度的相关性。通过典型算例分析，讨论了热－机械力耦合效应和损伤面积大小对夹层结构的屈性态的影响关系。     

复合材料夹芯结构非线性热传导分析

针对复合材料夹芯结构温度场分布的特点, 提出一种用于复合材料夹芯结构热传导精细分析的有限单元模型。这种单元模型为三维六面体模型, 单元模型厚度方向的插值函数在芯层和面板交界节点处温度值是连续的, 但温度变化率是不连续的, 而芯层内部节点处沿厚度方向温度值和温度变化率都是连续的。在考虑材料热传导参数随温度变化的情况下, 基于这种有限单元模型建立的复合材料夹芯结构瞬态温度场分析有限元方程为非线性方程。在求解此瞬态热传导非线性有限元方程时, 改进了常用的动力学平衡方程的解法, 改进后的动力学平衡方程解法避免了迭代运算, 提高了求解非线性动态平衡方程的效率。数值算例结果显示了该分析模型的有效性和可靠性。      

不同变形状态下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用非线性有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的对流换热瞬态热应力问题,与已有文献比较检验了方法的正确性,给出了该材料板在不同变形状态下的瞬态热应力分布,并与常物性时的结果进行了比较。结果表明:无限自由长板内的热应力最小;当无限长板只能伸长、不能弯曲时,板内瞬态拉应力最大;当无限长板伸长、弯曲受限时,板内的瞬态压应力最大;考虑变物性时的最大拉应力比常物性减小48.9%,最大压应力减小39.6%;此外,对流换热系数的变化对不同变形状态下该变物性材料板瞬态热应力场的影响显著。此结果为该材料的设计和应用提供了准确的理论计算依据。     

二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM板瞬态热传导问题

引入二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM结构进行研究,根据热传导理论,从计算传热学的角度,研究第一类加热边界条件下FGM板瞬态温度场问题的有限元算法。采用变分有限元法和有限差分法推导出瞬态热传导有限元基本方程。应用有限元方法,编写计算程序,通过数值计算和分析,研究采用二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM的热力学物性参数时二维FGM金属/金属/陶瓷平板在第一类加热边界条件下瞬态温度场随mx的变化规律。     

二维A11100／Ti-6Al-4V／SiC FGM板瞬态热传导问题

引入二维A11100／Ti-6A1—4V／SiCFGM结构进行研究,根据热传导理论,从计算传热学的角度,研究第一类加热边界条件下FGM板瞬态温度场问题的有限元算法。采用变分有限元法和有限差分法推导出瞬态热传导有限元基本方程。应用有限元方法,编写计算程序,通过数值计算和分析,研究采用二维Alll00／Ti-6A1-4V／SiCFGM的热力学物性参数时二维FGM金属／金属／陶瓷平板在第一类加热边界条件下瞬态温度场随mx的变化规律．。     

复合材料层合结构的非线性传热分析

基于一阶热层合理论，考虑材料非线性的影响，建立了复合材料层合结构非线性传热分析的热层合理论及其有限元方程。通过数值算例研究了材料非线性对反对称复合材料层合板瞬态温度场的影响。     

气凝胶纸蜂窝夹层板的隔热性能

为改善气凝胶复合材料的承压能力,设计了一种纸蜂窝作为夹层,两侧复合气凝胶复合材料的夹层板,并探究该夹层板能否取代聚氨酯泡沫,应用于冷库墙体保温夹层.利用导热系数仪测得的试验数据,对纸蜂窝、气凝胶复合材料、气凝胶纸蜂窝夹层板的隔热性能进行了分析,讨论材料厚度对气凝胶蜂窝夹层板导热性能的影响.结果表明:纸蜂窝的厚度较小时,气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数均低于聚氨酯泡沫板;当纸蜂窝厚度为10 mm、孔径为6 mm,气凝胶复合材料厚度为10 mm或15 mm时,气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数低于0.03 W/(m·K),满足我国保温隔热行业材料的使用要求.     

梯度复合材料热传导分析的梯度单元法

给出了一种适用于梯度复合材料热传导分析的梯度单元, 采用细观力学方法描述材料变化的热物理属性, 通过线性插值和高阶插值温度场分别给出了4节点和8节点梯度单元随空间位置变化的热传导刚度矩阵。推导了在温度梯度载荷和热流密度载荷作用下, 矩形梯度板的稳态温度场和热通量场精确解。基于该精确解对比了连续梯度模型和传统的离散梯度模型的热传导有限元计算结果, 验证了梯度单元的有效性, 并讨论了相关参数对梯度单元的影响。结果表明, 梯度单元和均匀单元得到的温度场基本一致; 当热载荷垂直于材料梯度方向时, 梯度单元能够给出更加精确的局部热通量场; 当热载荷平行于材料梯度方向时, 4节点梯度单元性能恶化, 8节点梯度单元和均匀单元的计算结果与精确解吻合很好。     

对流换热边界下梯度功能材料板瞬态热传导有限元分析

用有限元法与有限差分法相结合的方法 ,对处在对流换热边界条件下的梯度功能材料板的瞬态热传导问题进行了分析 ,并且通过由ZrO2 和Ti 6A1 4V组成的梯度功能材料板对本方法的正确性进行了检验 ,最后给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布。数值计算结果表明 :材料组分的分布形状系数M、环境介质温度和对流换热系数的变化对梯度功能材料板的瞬态温度场分布均有明显的影响。本文结果为梯度功能材料的优化设计和进一步的热应力分析提供了理论计算依据。     

高温载荷下金属蜂窝夹芯结构的相变和塑性分析

为了分析高温下的相变和塑性变形对金属蜂窝夹芯结构固有性能的影响,以含相变的多层板瞬态热传递和热弹塑性理论为依据,采用有限元数值求解方法,对安装有发热元件的金属蜂窝夹芯结构进行了热和结构的非线性耦合分析。通过温度场分析,可以快速确定外胶层发生的固液和气液相变,及其开始出现的时间、位置、严重程度、发展趋势等。结合温度场和应力场的计算结果,可以方便地判定外蒙皮是否产生了塑性变形,并能预测其随加载时间的动态演化规律。     

蜂窝夹芯板的热学与力学特性分析

采用细观力学的分析方法, 从蜂窝夹芯复合材料板中选取代表性的细观胞元, 应用周期性条件、三维有限元方法分析了细观胞元的温度场和应力场, 计算得到宏观热学与力学参数, 还考虑了蜂窝芯内部的辐射换热, 讨论了蜂窝芯对夹芯板宏观导热系数、刚度及热膨胀系数的影响。结果表明: 沿厚度方向导热系数与传统算法比较有较大差异, 刚度参数除D₁₂外都可以由传统公式近似, 而计算热膨胀系数时不能忽略芯层热膨胀的影响。      

碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构隔声性能研究

铝蜂窝夹芯复合结构在航空工业、高速列车及汽车车体中得到越来越多的应用,其隔声性能对车内及机舱噪声有重要影响。建立了碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构有限单元模型,用有限单元法计算了结构在声载荷激励下的响应,并计算分析了复合结构的隔声性能,分析了碳纤维复合面板厚度、面板层数、铺设角度、铝蜂窝芯层的厚度、铝蜂窝壁厚对隔声性能的影响。研究结果表明,面板采用碳纤维复合结构时,在小于1 000 Hz的低频段,相同面板厚度的铝蜂窝复合结构隔声性能比全铝合金材料的铝蜂窝夹芯复合结构有所降低,而且在高频段会出现隔声量更低的隔声低谷;相较于铝合金面板,复合结构的面板采用碳纤维复合材料时,能够实现整体结构轻量化也提高复合结构的隔声性能;各层之间按相对90°铺设时复合结构隔声性能最好;随着面板厚度的增加复合结构隔声性能增加,面板层总厚度不变的情况下,单层面板或者过多的层数都会使复合结构隔声性能降低。     

Characteristics of joining inserts for composite sandwich panels

Composite sandwich constructions are widely employed in various light weight structures, because composite sandwich panels have high specific stiffness and high specific bending strength compared to solid panels. Since sandwich panels are basically unsuited to carry localized loads, the sandwich structure should provide joining inserts to transfer the localized loads to other structures.In this work, the load transfer characteristics of the partial type insert for composite sandwich panels were investigated experimentally with respect to the insert shape. The static and dynamic pull out tests of the composite sandwich panels composed of an aluminum honeycomb core, two laminates of carbon fiber/epoxy composite and aluminum insert, were performed. From the experiments, the effect of the insert shape on the mechanical characteristics of composite sandwich panels was evaluated.     

复合材料夹芯管胶接连接结构力学特性分析

针对在航空结构中广泛应用的复合材料蜂窝夹芯圆管中的接头这一最脆弱的部分,发展了一种分析复合材料蜂窝夹芯圆管胶粘接头力学特性的解析模型.该模型根据Gibson修正公式得到了蜂窝芯子的等效弹性参数,再运用经典的复合材料壳理论和线弹性理论得到管接头的控制方程,并通过状态空间法进行求解.运用本文模型,计算了管接头在扭矩和弯矩作用下胶层内的剪应力和剥离应力;同时采用有限元法对模型进行了数值模拟,并将模拟结果与模型计算结果进行了对比,最后分析了搭接长度对胶层内应力的影响.     

纸瓦楞-蜂窝复合夹层结构的跌落冲击缓冲性能研究

针对纸瓦楞与纸蜂窝的复合夹层结构在跌落冲击动态压缩条件下的缓冲防护性能,研究了纸蜂窝厚度对单面、双面复合形式的冲击加速度响应、变形特征和缓冲吸能特性的影响规律。结果表明,瓦楞夹层先压溃,其次是蜂窝夹层,而且较大的蜂窝厚度会引起纸蜂窝芯层的次坍塌行为。在相同冲击质量或冲击能量条件下,同一蜂窝厚度的单面复合夹层结构的单位体积吸能、比吸能和行程利用率较双面复合结构分别增加了7.94%、28.34%和8.47%,但总吸能较于双面复合结构降低了16.12%,单面复合夹层结构的缓冲吸能特性优于双面复合夹层结构,而双面复合夹层结构的抗冲击性能优于单面复合夹层结构。对于纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构,低冲击能量作用下蜂窝厚度的增加降低了结构的缓冲吸能特性,高冲击能量作用下蜂窝厚度的增加提高能量吸收能力。纸蜂窝厚度10 mm、15 mm、20 mm和25 mm的复合夹层结构的比吸能、单位体积吸能和行程利用率是蜂窝厚度70 mm的复合夹层结构的1 倍~3 倍,较低厚度的纸蜂窝更有利于复合夹层结构的缓冲吸能。     

Geometrically nonlinear forced vibrations of the symmetric honeycomb sandwich panels affected by the water

Geometrically nonlinear forced vibrations of the symmetric rectangular honeycomb sandwich panels with the four edges simply supported and one surface affected by the water are investigated in this paper using the homotopy analysis method (HAM). The honeycomb core of hexagonal cells is modeled as a thick layer of orthotropic material whose physical and mechanical properties are determined using the Gibson correlations. The effect of water acting on honeycomb panels can be described as added mass, additional damping and additional stiffness coefficients which are obtained by the semi-analytical fluid pressures. The basic formulation of nonlinear forced vibrations has been developed base on the third-order shear deformation plate theory and Green Lagrange nonlinear strain–displacement relation. The equilibrium equations have been obtained using the Hamilton’s principle. Effects of water velocity, height and height ratio on the nonlinear forced vibration response have been studied for the honeycomb sandwich panels.     

Geometrically nonlinear free vibrations of the symmetric rectangular honeycomb sandwich panels with simply supported boundaries

Geometrically nonlinear free vibrations of symmetric rectangular honeycomb sandwich panels with simply supported boundaries at the four edges are investigated using the homotopy analysis method (HAM). The honeycomb core of hexagonal cells is modeled as a thick layer of orthotropic material whose parameters of physical and mechanical properties are calculated by the corrected Gibson’s formula. The basic formulation of nonlinear free vibrations has been developed based on the third-order shear deformation plate theory and the nonlinear strain–displacement relation. The equilibrium equations have been obtained using Hamilton’s principle. Effects of axial half-waves, height and height ratio on the nonlinear free vibration response have been investigated for honeycomb sandwich panels.     

基于蜂窝材料结构相似有限元模型的夹层结构抗爆炸冲击特性优化设计分析

根据蜂窝材料压缩力学理论,提出了一种蜂窝材料的结构相似有限元模型构建方法,并在蜂窝材料轴向压缩和夹层结构抗爆炸冲击2种分析工况下对结构相似模型计算分析的等效性进行了验证。结果表明,蜂窝材料的结构相似有限元模型不仅能够描述原蜂窝材料的宏观压缩力学特性,而且可以大幅地提高模型计算效率,为蜂窝材料夹层结构的抗爆炸冲击特性分析与设计优化提供条件。基于该结构相似有限元模型,以最小化蜂窝材料夹层结构的面密度为设计目标,利用自适应响应面方法对夹层结构的主要设计参数进行了优化,在结构的爆炸冲击响应速度峰值不增大的条件下提高了结构的轻量化水平。     

Geometrically nonlinear forced vibrations of the symmetric rectangular honeycomb sandwich panels with completed clamped supported boundaries

Geometrically nonlinear forced vibrations of symmetric rectangular honeycomb sandwich panels with clamped supported boundaries at the four edges are investigated using the homotopy analysis method (HAM). The honeycomb core of hexagonal cells is modeled as a thick layer of orthotropic material whose parameters of physical and mechanical properties are calculated by the corrected Gibson’s formula. The basic formulation of nonlinear forced vibrations has been developed based on the classical plate theory (CPT) and the nonlinear strain–displacement relation. The equilibrium equations have been obtained using Hamilton’s principle. Effects of axial half-waves, height and height ratio on the nonlinear free vibration response have been investigated for honeycomb sandwich panels.