液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响

复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时,偏差会使配合面间产生装配间隙,当间隙超过一定的大小时,需要采取补偿措施,即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型,通过实验和有限元分析方法,研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变,分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时,通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度,研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时,处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重,该区域发生较大的弯曲变形,构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小;液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时,也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大,但总体而言,液体垫片的引入使应变分布趋于均匀;当装配间隙大于0.7 mm后,液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。     

液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响

复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析（FEA）模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出：随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。     

填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配结构力学性能的影响

碳纤维/环氧树脂复合材料和铝合金作为主要的航空材料，在飞机结构中存在着大量装配关系，但受成型工艺方法的限制，两种材料在制造和装配偏差的情况下，构件配合面间会产生装配间隙，当间隙超过一定大小时，需要采取填隙补偿措施。本研究基于实际结构抽象出碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配模型，使用装配试验台模拟施加螺栓预紧力，通过应变片实验比较强迫装配及垫片补偿情况下试件局部表面的应变分布，结合三维数字图像相关(3D-DIC)实验测得的试件表面应变场分析变形规律；通过有限元进行层间应力分析，提取内聚力单元各应力分量和损伤情况，研究填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料层间应力和局部损伤的影响。结合实验和仿真分析结果表明:强迫装配时，碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件主要受弯曲变形和螺栓头挤压的影响，且随着装配间隙的增大，各应变值均增大；垫片补偿在改善弯曲变形引起的应变状态的同时，也使中间贴合部位的螺栓头挤压区应变增大，但总体而言，垫片的引入使碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件表面应变分布趋于均匀，降低了碳纤维/环氧树脂复合材料损伤情况，且液体垫片补偿效果略好于可剥垫片。      

法兰连接爆炸冲击动力响应分析数值模拟

运用LS-DYNA非线性有限元软件,建立了法兰连接结构的三维有限元模型,使用罚函数法实现了法兰盘-螺栓连接-法兰垫的非线性耦合作用,利用温度荷载法实现了螺栓连接结构的预紧力加载,采用ALE多物质流-固耦合算法研究了法兰连接结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性,分别研究了法兰连接在爆炸冲击荷载作用下冲击波入射角、螺栓连接预紧力、法兰垫厚度对其结构的影响,并考虑了垫片为金属材料(合金钢)以及非金属材料(橡胶)时的情况。结果表明,法兰盘为法兰连接的主要耗能构件。合金钢法兰垫片受冲击波入射角的影响较小,而螺栓连接则主要受冲击波入射角的影响。法兰盘在高压压缩波的作用下会产生相对于螺栓连接的不均匀压缩变形。厚垫片并非比薄垫片好,适当减小法兰垫片厚度,可以提高法兰结构的抗冲击能力。     

模具对复合材料构件固化变形的影响分析

通过光纤光栅的方法实验研究了在热压罐成型工艺过程中,复合材料构件由金属固化模具与复合材料构件热不匹配导致的沿厚度方向和面内的固化残余应力发展,得到了固化后残余应力沿构件厚度方向和面内的分布情况,并分析了该残余应力分布的产生机制以及对构件固化后变形的影响.结果表明:复合材料与模具之间的热不匹配导致的固化残余应变沿构件厚度方向呈梯度分布,靠近模具端大于远离模具端,并且该应变会引起构件固化后的翘曲变形,变形以沿纤维方向为主.     

八角垫高压密封结构预紧力分析和试验研究

石油、化工、核电行业法兰螺柱预紧过程中, 螺柱预紧应力计算与保证垫片应力均匀分布的预紧方法是工程实际中值得研究的问题. 该文通过对螺柱垫片系统进行物理结构分析, 受力过程分析, 提出了一种基于垫片线性变形的螺柱应力分布数学模型及预紧方法. 研究表明模型计算结果与试验结果相符合, 满足实际规律. 因此, 该数学模型能用于分析预紧过程中螺柱应力变化情况;计算出螺柱具有相同密封应力的初始载荷及只需一次加载就可以达到理论密封应力的预紧优化方法. 这使得在预紧过程中不必采用边预紧边测试应变的方法来进行指导, 更有效保证密封性能.     

温度及预紧载荷对氧化石墨烯无石棉垫片蠕变松弛和泄漏率的影响

垫片在高温长期使用过程中发生蠕变松弛导致垫片应力下降,从而影响密封效果。因此,采用理论模型预测垫片的蠕变松弛与确定垫片在高温环境长期使用过程中泄漏率的变化规律非常重要。通过实验测试氧化石墨烯无石棉垫片在不同温度和不同预紧载荷下的垫片应力值,并与根据Burgers模型计算出的垫片应力值进行对比。然后,通过建立泄漏率与使用时间的关系,提出氧化石墨烯无石棉垫片在不同温度和不同预紧载荷下长期使用时的泄漏率计算方法,并计算出该垫片随时间变化的泄漏率变化规律。结果表明：垫片应力的松弛量随着预紧载荷的增加而增加;随着使用时间的增加,垫片的应力松弛变得更加平缓;当预紧载荷相同的情况下温度越高垫片应力下降越明显;Burgers模型对垫片应力的预测值与实验值吻合度很好,最大误差为4.4728%;当温度一定时,氧化石墨烯无石棉垫片计算的泄漏率随着预紧载荷的增加而降低;当预紧载荷相同时,垫片的泄漏率随着温度的增加而增加,且泄漏率均小于密封等级T2的泄漏率2×10^-3 mg·s^-1·mm^-1。研究结果为氧化石墨烯无石棉垫片在高温环境长期使用过程密...     

复合材料单螺栓双剪搭接干涉配合疲劳强度评价

该文采用有限元软件ANSYS,建立了复合材料单螺栓双剪搭接干涉配合的三维有限元模型,研究了当连接模型中施加了预紧力时,预紧力对干涉配合的影响.首先分析了无载荷作用下复合材料板在干涉配合孔边切向应力分布特点;之后比较了双剪搭接在10kN 和15kN 两种远程纵向载荷作用下,孔边切向应力的分布情况.结果表明:远程纵向循环载荷作用下,预紧力能有效均匀各板所受载荷,并可消除在无预紧力时中板上的局部应力集中点,而且适当增大预紧力能提高干涉配合连接的效率;此外研究显示双剪搭接连接在不同的载荷下,疲劳危险点也不同;最后研究了复合材料干涉配合连接时,各板的交叉区域孔边切向应力分布,因此得出各板在高低不同的载荷下疲劳危险点的分布.     

模具对复合材料构件固化变形的影响分析

通过光纤光栅的方法实验研究了在热压罐成型工艺过程中, 复合材料构件由金属固化模具与复合材料构件热不匹配导致的沿厚度方向和面内的固化残余应力发展, 得到了固化后残余应力沿构件厚度方向和面内的分布情况, 并分析了该残余应力分布的产生机制以及对构件固化后变形的影响。结果表明: 复合材料与模具之间的热不匹配导致的固化残余应变沿构件厚度方向呈梯度分布, 靠近模具端大于远离模具端, 并且该应变会引起构件固化后的翘曲变形, 变形以沿纤维方向为主。     

基于车桥耦合的高架槽形梁结构噪声影响分析

为了探讨列车通过轨道交通高架槽形梁时诱发的结构噪声,以某拟建30 m轨道交通槽形梁为研究对象,建立车桥耦合系统振动分析模型以及槽形梁结构声辐射有限元/边界元模型。采用多体动力学软件Simpack建立列车的空间动力学模型,采用有限元软件Ansys建立槽形梁有限元模型,基于Simpack和Ansys相结合的联合仿真方法,获取轮轨激振力。在计算列车荷载作用下槽形梁结构振动响应的基础上,采用有限元-间接边界元耦合声学分析法,探讨底板厚度以及腹板高度对槽形梁结构噪声的影响。研究结果表明:底板厚度的增加可以降低槽形梁梁体正下方的结构噪声,但并非越厚越好,底板厚度对结构远声场有一定程度的影响,但降噪效果不明显;腹板高度的变化使槽形梁结构噪声辐射衰减方向有所改变,桥梁腹板两侧噪声辐射衰减速度较快;桥梁底板正上方的结构辐射噪声最强区域有缩小趋势;分析结果可为轨道交通槽形梁结构减振降噪优化设计提供一定的理论参考依据。     

玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合材料索锚构件设计及力学性能

桥梁拉索及预应力混凝土结构用纤维增强复合材料的可靠锚固是需要解决的关键难题。热塑性聚丙烯树脂具有优异的断裂韧性、耐湿热/抗疲劳性能及加工成型方便和可回收利用等优点,根据其加热熔化冷却成型原理,本文采用玻璃纤维增强聚丙烯预浸带制备了一种尺寸稳定、性能优异、具有自锁结构的复合材料索锚构件。采用拉伸测试及有限元模拟研究预浸带层数与圆弧段角度对索锚结构极限承载力、应力分布及破坏模式的影响。研究发现,索锚构件的极限承载力随圆弧段角度增加而降低,随缠绕层增加先增加后下降。有限元模拟与实验结果吻合性较好,验证了缠绕10层预浸带,圆弧段角度为13.5°的索锚构件应力分布均匀并取得最高的拉伸强度。最后,通过总结与分析,论证了一体化新型索锚构件在桥梁拉索、地锚结构及预应力混凝土结构中的应用前景。     

SiC/Ti-6Al-4V复合材料在横向拉伸载荷下界面失效行为的数值模拟

采用有限元模拟了SiC/Ti-6Al-4V复合材料冷却过程和横向拉伸试验过程, 横向拉伸试样采用十字形试样。分别建立了平面应力和轴对称有限元模型, 采用平面应力有限元模型计算环绕纤维圆周的界面微区应力分布, 预测界面失效机制。采用轴对称有限元模型分析复合材料界面脱粘过程以及残余应力对界面径向应力分布的影响。结果表明: 对于SiC/Ti-6Al-4V复合材料十字形试样,在横向拉伸载荷下的界面失效由径向应力导致,界面失效模式为法向失效, 剪切失效模式未发生; 十字形试样在横向拉伸载荷下界面初始脱粘位置处于界面中间; 随横向拉伸应力增加, 十字形试样的界面脱粘对称向两边扩展; 界面径向应力随残余应力降低而升高。     

L 形复合材料层板热压工艺密实变形过程的数值模拟

基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了 L 形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对 AS4 炭纤维/环氧 350126 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S22玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S22玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。     

脉冲管制冷机中板弹簧的有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件对外径为120 mm的板弹簧进行了应力和轴向刚度分析,得出了弹簧的厚度、涡旋角、涡旋槽个数以及涡旋槽宽度这些几何参数与其应力分布特性和轴向刚度性能的关系.首次提出了一个刚度应力比的概念,用刚度应力比值的大小来评价板弹簧性能的好坏,并将其作为板弹簧的设计依据.     

法兰联接用平面金属垫片关键参数影响分析

金属垫片被广泛地用于高温、高压、强腐蚀介质的法兰联接中,其力学性能影响着法兰联接强度和密封性能.本文通过建立螺栓-法兰-垫片联接系统的有限元模型,分析了预紧状态和工作状态平面金属垫片的应力应变,并研究了影响其力学性能的关键参数.结果 显示:金属垫片Von Mises应力、轴向应变、接触应力及工作状态下有效接触宽度均随着...     

FRC/钢燕尾槽单向连接结构强度特性及损伤机理

针对纤维增强复合材料(FRC)与钢结构的紧密坚固连接要求,提出并设计了FRC/钢结构燕尾槽单向嵌入式胶接连接结构形式.初步设计的连接结构试件单向面内抗剪极限强度试验测试结果显示:由于层间剪力引起的自由端效应影响,FRC/钢燕尾槽连接结构的初始损伤将最先出现在自由端部,导致连接结构紧密性连接要求不能得到满足,而槽体连接区内纤维的层间分层和拐角区树脂基体的挤压损伤以及上下层间界面剥离构成了燕尾槽单向连接结构抗剪承载时的典型损伤及破坏模式.为此,提出了自由端部增强改进结构形式.采用有限元数值方法(Abaqus/Standard)对改进前、后两种连接结构界面应力分布特性进行分析,改进结构试验研究结果表明:改进后单向燕尾槽连接结构层间界面应力分布更趋合理,自由端部分层初始损伤得到有效抑制,燕尾槽单向连接结构能在有效保证水密性要求的前提下,使抗剪极限强度提高约61%.     

换流变阀侧套管振动模态及其法兰根部应力研究

套管法兰是换流变压器阀侧套管的薄弱部位,承受着换流变振动等复杂环境动力,易因长期机械载荷作用出现疲劳开裂,导致换流变压器停运。应力集中是导致结构疲劳开裂的主要因素,但现在少有针对法兰应力分布和疲劳的研究。为优化套管法兰根部结构、提高法兰疲劳强度,采用有限元仿真方法分析法兰应力分布,研究不同根部结构下法兰应力集中特征,并采用模态分析和响应谱分析研究振动载荷下法兰应力分布。研究发现:应力集中在法兰拐角位置并随法兰拐角曲率半径增加而降低;套筒上与法兰盘连接的加强筋能明显降低法兰拐角应力,降低幅度随加强筋宽度和高度增加而提升;三角形加强筋在靠近应力集中位置时能明显降低法兰拐角应力,降低幅度随加强筋安装角度增加而减小;连接的加强筋还对套管受竖直方向和轴向振动时法兰拐角最大应力有明显抑制作用。     

复合材料制件拐角部位超声检测技术

复合材料在航空、航天等领域应用不断增加,制件的结构形式越来越复杂,在很多复杂结构中存在拐角部位,这些拐角部位的检测给无损检测带来困难.通过对资料的分析和试验,介绍了解决复合材料制件复杂结构拐角部位无损检测的方案和思路,并对比分析了各种检测方法的优缺点,认为超声相控阵技术在未来复合材料拐角部位无损检测上具有比较好的应用前...     

碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析

为了探寻Ni层厚度对镀镍碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响, 在实验基础上, 建立不同Ni层厚度时Ni-CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型, 模拟了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现: 在碳纳米管表面镀镍能够明显降低Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的热残余应力。Ni-CNTs/AZ91D复合材料中, 热残余应力在Ni层厚度为6nm时最小; Ni层厚度由2nm增至6nm时, 热残余应力随着Ni层厚度的增加而减小; 当Ni层厚度超过6 nm时热残余应力随着Ni层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面Ni层厚度的增加向Ni层与基体的界面移动。      

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响.结果表明:分支电极中心距P一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍.较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低.