复合材料包装箱结构轻量化设计仿真技术研究

目的 针对复合材料结构包装箱进行轻量化设计,使其在内压及堆码工况下,结构强度能够满足使用要求。方法 针对局部非主承力位置进行改进,利用ABAQUS软件对包装箱的内压和堆码工况进行数值仿真分析,其中载荷工况安全系数均为1.5。结果 包装箱理论质量减少了64 kg,减少比例约为5.4%。最大载荷应力为344MPa,变形量为4.69mm,均满足使用要求。结论 包装箱结构轻量化后,在内压工况下各结构应力水平均有小幅上升,在堆码工况下各结构应力水平无明显变化,综上均处于安全范围,不会导致结构破坏。优化后的产品,实现了轻量化效果,理论证明结构改进安全可靠。可为国内类似复合材料包装箱轻量化结构改进提供数据支撑。     

面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术

轻量化技术已成为汽车实现节能、减排的重要途径,碳纤维复合材料为汽车轻量化提供了重要材料基础。由于材料特性与制造工艺的特殊性与复杂性,采用碳纤维复合材料实现汽车轻量化时需要克服多项关键技术。结合汽车产品特点,从低成本碳纤维技术、材料-结构-性能一体化技术、高效成型技术、多材料连接技术、循环利用技术几个方面阐述了碳纤维复合材料在汽车轻量化应用中的关键技术,展望了未来汽车用碳纤维复合材料的发展趋势。     

长纤维增强热塑性复合材料在汽车轻量化上的应用

进入新世纪,中国汽车工业也进入了快速发展期,2011年中国以1840万辆的产量成为世界最大的汽车生产国,2012年汽车产量更高达1927.18万辆[1]。国家统计局和海关总署数据显示,2011年中国的石油总消耗为4.9亿t,其中国内累计生产原油为2.04亿t,累计进口原油2.54亿t。在石油消耗中,汽车是消耗石油的大户,我     

周转铝箱的轻量化设计

目的 以某周转铝箱作为研究对象,通过有限元分析方法和正交试验设计对周转铝箱进行轻量化设计,以解决结构强度设计过剩的问题。方法 利用有限元分析软件Ansys Workbench对周转铝箱进行堆码工况的仿真分析,通过2个失效准则对分析结果进行评价,基于正交试验设计优化方案,通过Matlab软件对优化方案进行数学模型的建立及计算。结果 通过仿真分析,第1阶模态载荷因子为6.98,基于失效准则,周转铝箱的安全余量较大。根据极差分析,以箱体自身质量为唯一指标,确定了周转铝箱箱体侧柱厚度尺寸对箱体自身质量的影响最大,继而通过Matlab进行数学模型的建立以及计算,轻量化方案在满足工况使用条件的同时箱体的自身质量减少了9.88%。结论 轻量化设计后的周转铝箱符合强度失效和稳定失效2个准则,且满足实际工况使用条件,进一步说明采用正交试验法和有限元分析法进行轻量化设计的方案是可行的,实现了成本的减少,也提高了材料的利用率。     

复合材料副簧刚度的匹配设计方法

为了对复合材料副簧的刚度进行匹配设计,设计了包含有复合材料副簧的主副簧总成结构。采用集中载荷法计算复合材料副簧的等效载荷,根据原钢板弹簧的挠度变化来估算复合材料副簧的等效刚度。根据钢板弹簧设计理论,对复合材料副簧的等效刚度进行匹配设计。采用ABAQUS软件对设计的主副簧总成的总刚度进行有限元模拟,通过调整复合材料副簧的铺层数量来修正复合材料副簧的等效刚度。提出的匹配设计方法对复合材料板簧的推广应用具有重要意义。      

CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料初步研究

采用溶媒投放、颗粒滤取技术制备出CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料,测试了该复合材料的物理力学性能和降解性能。研究结果表明,CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料具有高的孔隙率(90%)、良好的生物降解性能和物理力学性能,以及三维连通、微孔、网状微观结构,故该复合材料有希望成为软骨组织工程支架材料之一。     

BS600高强钢油罐车罐体轻量化研究

目的 为了有效降低油罐车的能源消耗和污染物排放,完成油罐车罐体减重30%的轻量化目标。基于有限元仿真与试验,验证使用高强钢替代罐体原材料实现油罐车轻量化方案的可行性。方法 利用ANSYS有限元软件,在3种不同工况下,对使用新材料的罐体进行强度、刚度分析;基于仿真结果,对3.5 mm厚的BS600高强钢板材进行焊接试验、金相组织观察以及拉伸试验,以评估BS600钢的焊接性能;对焊接后的BS600钢材进行小件和大件的弯曲试验,以验证BS600钢的弯曲性能。结果 在3种工况下,罐体的最大应力为288 MPa,小于材料的许用应力,罐体强度满足要求;罐体的最大变形量为5.92 mm,刚度满足要求;焊接后拉伸试样的抗拉强度为720～730 MPa,高于母材强度;焊接接头断口的断裂特性为韧性断裂与脆性断裂的混合断裂;弯曲后的小件BS600板材未出现裂纹,弯曲后的大件罐体焊缝缺陷数量较少,焊缝质量良好。结论 所设计的高强钢材料的厚度符合罐体各工况要求,高强钢的成形工艺可行性良好。罐体减重能达到30%,具有良好的工程应用价值。     

NiTi合金主动脉支架弯曲变形行为的研究

利用Pro/E和Ansys软件建立了胸主动脉支架轴向柔顺性分析模型,对27种NiTi合金支架的柔顺性进行了模拟分析与实验验证。在此基础上,又进一步系统地分析了弯曲变形时支架结构尺寸变化对中央部位横截面变形行为的影响。结果显示,减少圆周方向上的连接体的数量,增加支撑体的长度或数量,都能够提高支架的柔顺性,但是减少连接体的数量比增加支撑体的长度或数量对支架柔顺性的影响程度要大。支架弯曲变形时连接体的数量对支架中央部位横截面的变形具有显著的影响。     

轻质长条形反射镜结构优化设计

为解决空间反射镜镜体质量和面形精度在轻量化设计过程中会引起相互冲突的问题,针对某型离轴三反光学系统的长条形主反射镜进行了结构优化设计研究,提出了一种基于SiC材料的中心支撑的轻量化结构,同时引入了多目标集成优化方法,以镜体质量(Mass)和面形(RMS)同时作为优化目标,得到一个反射镜最佳结构模型,其质量为2.32 kg,轻量化率达到了73.8%;然后,对反射镜支撑结构进行了结构设计和说明,并对该组件进行了仿真分析,在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的RMS值分别达到2.5 nm、2.2 nm、7.3 nm,4 ℃均匀温升载荷工况下的RMS值为3.2 nm,远小于设计要求的RMS≤λ/50(λ=632.8 nm),满足设计要求。     

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。     

碳纳米管水泥基复合材料电学性能数值模拟

采用ANSYS12.0和蒙特卡洛随机方法构建了碳纳米管水泥基复合材料的有限元模型,并基于有限元法分析了碳纳米管长径比、直径和掺量对复合材料有效电阻率的影响,并在此基础上通过有效介质方程对有效电阻率数值解和电阻率实验值进行了拟合。数值计算结果表明,碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率的有限元解与解析解较为一致,证明采用有限元法进行电学分析具有可行性;碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率随碳纳米管掺量和碳纳米管长径比增加而减小,随着碳纳米管直径的减小而减小;有效介质方程对碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率实验值和有限元数值解拟合曲线变化趋势是一致的。     

Use of hypar-shell structures with textile reinforced cement matrix composites in lightweight constructions

The main goal of this paper is to define a design procedure for modular, lightweight and freeform structures by quantifying the relative importance of serviceability limit states and ultimate limit states. The modular building stones of the freeform structures under study are sandwich panels with a foamed polyurethane core and TRC (textile reinforced concrete) faces, shaped in the form of hyperbolic paraboloids (hypars). The shape of these modular building stones allows the production of structural elements on a reusable doubly-curved mould. For the dimensioning of the global modular structure, two states are important according to the Eurocodes: the ultimate limit states and the serviceability limit states. Due to the lightweight aspect of the modular structure, the serviceability limit states will gain in importance: stiffness and crack formation become important factors, as does the influence of repeated loading. These factors and their influence on the final design of the proposed structures will therefore be discussed in this paper.     

镍钛合金超弹性支架纵向柔顺性分析

利用Pro/E和Ansys软件建立了支架纵向柔顺性分析模型,对临床上广泛应用的3种镍钛合金支架的纵向柔顺性进行了分析和比较.最后还进一步系统地分析了支架设计中筋的尺寸变化对支架纵向柔顺性的影响.结果显示,增加支架筋的宽度和厚度都能够提高支架的纵向柔顺性,但是宽度的增加比厚度的增加对支架柔顺性的影响程度要大.     

三维多向编织复合材料宏细观力学性能有限元分析研究进展

三维多向编织复合材料综合力学性能优异,有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望,为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。     

基于数值模拟的碳纳米管水泥基复合材料导电机理分析

通过建立碳纳米管水泥基复合材料的代表性体积单元模型,基于有限元法进行了有效介质方程导电模型的拟合和感知性能的计算,得到碳纳米管水泥基复合材料在荷载作用下的应力与体积电阻率的关系,在此基础上了分析了碳纳米管水泥基复合材料的导电机理。研究结果表明,碳纳米管体积掺量为1.50%时,随碳纳米管直径减小及长径比增大,有限元数值解的有效介质方程拟合值变化不大,这是因为1.5%的掺量已超过渗流阈值且有限元分析只考虑接触导电;当碳纳米管的体积掺量在0.31%~1.33%范围内时,碳纳米管水泥基复合材料的感知性能满足Simmons隧道效应普适方程。     

镍钛合金超弹性支架抗压缩性能的实验与分析

首先对有限元软件Ansys中镍钛合金材料模型的准确性进行了研究,然后对两种镍钛合金支架的抗压缩性能进行了模拟分析与实验验证,结果证明有限元法可以在一定程度上替代支架原型的测试工作.在此基础上,又进一步系统地分析了一种支架设计中筋的尺寸变化对支架抗压缩性能的影响.结果显示,增加支架筋的宽度和厚度都能够提高支架的抗压缩性能,且这两个方向上尺寸的增加对提高支架抗压缩性能的作用基本相当.     

聚合物基复合材料低速冲击损伤的研究进展

聚合物基复合材料具有许多优异的性能,如比强度高和耐疲劳等,因此,被广泛应用于各个领域.然而,在其服役过程中,会受到低速冲击作用而产生明显或潜在损伤,易导致应力集中,形成安全隐患.为此,国内外科研人员对此展开了多方面的研究工作.本文综述了聚合物基复合材料低速冲击损伤及环境和材料结构对其影响的研究现状,归纳了环境作用后聚合物基复合材料的冲击损伤机理,总结了国内外对冲击损伤的测试与评估方法,对比了不同有限元模拟软件的分析方法,指出了目前研究中存在的问题,并展望了未来需要着重开展的研究方向.