基于复合材料层合箱梁改进解析模型计算等效刚度

提出了基于复合材料层合箱梁改进解析模型的等效刚度计算方法。在考虑三维应变效应的同时用复合材料单层的二维折算模量分量来表示三维折算模量分量,简化了复合材料层合箱梁等效刚度系数的计算,得到了由梁横截面几何尺寸和层合板刚度系数表达的等效抗弯刚度和等效抗扭刚度的解析式。该解析式适用于环向刚度一致的复合材料层合箱梁,并充分考虑了弯曲-剪切耦合和扭转-拉伸耦合效应对等效刚度的影响。通过三点弯试验和扭转试验,验证了解析式的正确性;通过与分层等效叠加法、有限元法进行对比,分析了解析式的计算精度。结合经典层合板理论,研究了铺层方式对等效刚度产生的影响及原因,预测了不同铺层复合材料层合箱梁等效刚度的变化规律。      

折线型截面复合材料层合梁弯曲性能预测与分析

基于各向异性复合材料层合板弹性理论,研究空间折线型复合材料层合梁弯曲性能计算方法。首先推导了考虑铺层设计的翼缘板和腹板在局部坐标系下的刚度矩阵和本构关系,然后通过平行移轴原理建立折线型复合材料层合梁的整体抗弯刚度理论计算公式,在此基础上求出结构在竖向荷载作用下的挠度值。有限元与理论值对比表明本文的理论计算公式有较好的精度。此外,还分析了翼缘与腹板水平夹角及纤维纵横向铺层比对层合梁挠度的影响。结果表明:结构的挠度随夹角的增大而减小,且夹角越大理论值与有限元值越接近,而纤维纵横向铺层比的变化对结构挠度影响几乎可以忽略。该弯曲预测方法可用于计算Z型、槽型、工字型等空间折线型截面复合材料层合梁刚度和位移。     

复合材料圆管构件的等效模型研究

本文针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量提出了高阶理论计算方法,它考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本相关系,并且对三种缠绕方式的等效模量进行了预测,预测结果与经典层合报理论和实验的预测结果吻合较好,该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。     

复合材料层合梁理论

层合梁理论是分析复合材料层合梁和加筋层合结构力学响应的基础.本文基于Mindlin假定导出了横向层合梁、纵向层合梁和组合层合梁一阶剪切变形理论.给出的理论既能够精确计算各层合梁的刚度值,又能考虑各刚度之间的耦合效应.为不失一般性,三种层合梁的本构方程均考虑了热效应.     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

基于弹性基础梁理论的复合材料薄壁圆柱壳屈曲承载力模型

提出一种复合材料薄壁圆柱壳轴压局部屈曲承载力计算模型。在梁弯曲变形平截面假定和小变形假定的基础上,提出复合材料层合梁抗弯刚度的计算方法;根据轴压下圆柱壳的几何对称性及受力对称性,将圆柱壳局部屈曲问题转化为轴向和环向壳带的弯曲变形问题。依据薄壳稳定理论,建立弹性基础上纵向壳带局部屈曲模型,得到了复合材料圆柱壳屈曲承载力解析公式。理论计算公式与经验工程计算公式相比,具有形式上的相似性,且得到的计算系数可直接求出,而非经验范围选取。对三种铺层的复合材料薄壁圆柱壳进行了轴压试验,结合文献试验数据对比,试验结果与理论预测值基本一致,满足工程精度要求,验证了模型的正确性。     

考虑剪力滞效应的层合箱梁矩阵分析方法

给出了考虑剪力滞后及剪切变形效应条件下,复合材料薄壁层合箱梁静力行为控制微分方程组的初参数解。以此为基础,推导出了层合箱梁单元的刚度矩阵和等效结点荷载列阵,从而使薄壁层合箱梁的剪力滞、剪切变形效应分析方便地纳入了工程中广泛应用的矩阵位移法程序系统,为复合材料连续层合箱梁等复杂结构的强度及刚度分析提供了有效的计算手段。      

复合材料圆管构件等效模量的计算方法

针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量提出了高阶理论计算方法, 它考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本构关系, 并在相同壁厚条件下对三种缠绕方式( [0°/(±θ)_n ]S, [ (±θ)_n ]S 和[ 90°/(±θ)_n ]S) 的等效模量进行了预测, 并且与经典层合板理论的预测结果进行了比较, 该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。      

基于能量法的变截面层合管整体稳定承载力计算方法

为计算变截面层合管杆件整体稳定承载力,提出一种基于能量法的理论计算模型。采用基于三维梁理论的层合管等效抗弯刚度计算方法,计算了等截面段、变截面段的等效工程弹性系数。在考虑剪切变形的影响以及杆件变截面对轴压挠曲线函数影响的基础上,基于能量法推导了变截面杆整体稳定承载力解析公式。以NASA复合材料变截面杆为算例,进行了理论计算和有限元数值模拟,结果显示:同时考虑上述两因素的理论计算结果与有限元结果最为接近,剪切变形对临界承载力的修正可达10%以上,轴压挠曲线函数的变化对承载力的修正约为1%,可忽略。以锥长和锥角为参数,对变截面杆的承载力、体积和承载效率进行双参数分析,发现变截面对弯曲变形能的影响远大于对剪切变形性能的影响,采用变截面形式能够提高层合管承载效率,且一定锥长下存在承载效率最高对应的最优锥角。     

复合材料层合板静态压痕与损伤行为

发展了层合复合材料面内及分层失效模型,模型考虑了横向压剪残余剪切变形和分层残余相对位移。提出一种块体单元包含若干铺层的模型,以减少复合材料逐层分析时的计算量。对一种碳纤/环氧层合复合材料进行了横向压痕试验,测量了不同压力下凹坑的深度,用超声C扫测得损伤面积。用发展的模型在ABAQUS平台上通过用户材料子程序UMAT模拟了上述试验,分析了试验曲线特征点对应的损伤机制,通过与试验结果的对比,验证了本文模型的合理性。     

考虑高阶剪切的轮胎Gough刚度模型

轮胎是一种帘线增强橡胶复合材料结构,Gough刚度是表征轮胎侧向变形与磨耗的一个重要参数,但缺乏理论推导。本文基于高阶剪切复合材料梁理论,研究子午线轮胎带束层角度对轮胎侧向变形的影响及Gough刚度的理论基础。在Fiala横梁模型的基础上,将轮胎简化为弹性基础上的复合材料梁。胎侧及胎面胶简化为弹性基础,带束和胎体简化为复合材料梁。考虑高阶剪切位移场及帘线-橡胶材料的各向异性,利用虚功原理建立模型方程,得到了复合材料梁在侧向载荷作用下的小挠度理论解,与有限元结果和已有文献结果对比验证了其合理性。算例分析表明,当胎体等效梁结构的高宽比固定时,对应Gough刚度极大值带束角度是固定的;不同的帘线模量和橡胶模量也会对Gough刚度极大值所对应的带束角度产生不同的影响;带束层厚度对Gough刚度极大值对应的带束角度影响较小。根据Gough刚度极大值准则得到了不同高宽比下的轮胎最佳带束角度,利用实际轮胎解剖结构进行了验证。本文提出的模型为子午线轮胎带束角度优选和磨耗设计提供了理论指导。      

一种新型双金属复合板弯曲矫直模型

因为传统的连续弯曲辊式矫直理论创建在单一金属反复连续弯曲变形的基础上,所以将该理论应用于双金属复合板连续弯曲矫直时,精度不高且无法保证双金属复合板的矫后平直度。为完善板材矫直力论,分析了双金属复合板矫直弯曲变形时的特点,提出了分层算法,并将模型计算数据与矫直实验数据进行了对比。结果表明:提出的方法可以在不同金属变形层上采用不同的计算方法和材料模型,比较适应于求解双金属复合板的辊式矫直问题;模型计算矫直力误差不大于5.73%。所得结论表明基于分层算法的数学模型在计算双金属复合板时具有良好的效果。      

Experimental measurement and predictive modelling of bending behaviour for viscous unidirectional composite materials

It is widely accepted that the key deformation mechanisms during forming of viscous textile composite (prepreg) sheets are in-plane shear and out-of-plane bending. This paper focuses on the bending deformation mechanism, including experimental characterisation and theoretical modelling of bending behaviour during viscous composite forming. Experimental measurements are obtained by means of a large-displacement buckling test at a variety of displacement rates and temperatures. Some important aspects, such as viscoelastic behaviour, are also investigated. A bending model based on elastic theory combined with uniaxial continuum theory for ideal fibre-reinforced fluids for viscous shear deformation has been developed, using material parameters obtained from industrial manufacturers as input data, such as composite geometry, fibre properties, fibre volume fraction and matrix rheology. Model predictions demonstrate that the model can capture the main characteristics of material properties, such as rate dependence. This bending model can be used in formability analysis for viscous unidirectional composite materials, and might be applied in a finite element forming simulation to account for the bending stiffness.     

预应力连续组合梁负弯矩区抗弯承载力分析

预应力钢-混凝土连续组合梁具有承载力高、变形小等诸多优点,作为一种新型的横向承重构件,在工程中得到了广泛的使用。其负弯矩区承载能力计算与变形分析是其设计的关键,目前规范还是空白。因此,有必要对其刚度、变形及抗弯承载力进行研究。该文基于换算截面法,引入混凝土参与受拉工作的程度系数,确定了组合梁截面抗弯刚度,进而推出了预应力钢-混凝土连续组合梁负弯矩区的弹性抗弯承载力计算公式;基于简化塑性理论,得到了负弯矩区的极限抗弯承载力计算方法;研究表明连续组合梁能够显著提高截面刚度与减少开裂。该文公式计算结果与实测值均吻合较好,满足工程精度要求。     

On bending stiffness of composite tubes

Theoretical formulations are provided for the determination of stiffness of composite tubes. A three-dimensional laminate theory is used to determine the equivalent flexural stiffness 〈EI〉 for composite tubes. The same theory is also used to determine the load versus axial strain of the tubes. An approximate (more simplified) formulation is also presented. Values of the equivalent bending stiffness 〈EI〉 are compared between the two formulations. Experimental work was carried out on four composite tubes made of different lay-ups. The stiffness represented by the slope of the force-axial strains compares well between theoretical formulation and experimental results.     

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉 (压) 弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量, 并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。