复合材料圆孔应力的正交各向异性光弹性分析

本文根据 Sampson 提出的应力—光学定律,对正交各向异性复合材料带有圆孔的有限宽板进行了分析研究,得到了复合材料带有圆孔板孔边的应力分布状态.本文的实验结果与正交各向异性受拉带孔无限和有限宽板的两种关于圆孔孔边应力分布状态的理论解符合较好.     

纤维排列方向对含圆孔的各向异性板应力场影响的仿真分析

针对含圆孔的复合材料板,在外界荷载作用下通常会引起孔周围区域的应力集中的问题。根据复变函数理论建立了计算模型。采用仿射变换的方法得到了准确描述应力场的复变应力函数。按照所建立的数学模型对含有圆形孔的复合材料板进行了应力分析。探讨了不同的纤维排列方向对孔边应力集中系数的影响。仿真分析了两个主方向的杨氏模量的变化对孔边应力的影响。     

无限平面矩形开孔的应力场分析

为了讨论矩形孔的孔边应力集中情况，采用复变函数理论与保角映射技术，将含矩形孔的无限域保角映射到单位圆内，求得了含矩形孔的无限大板在单向应力状态及纯剪切状态下的孔边应力，对几种不同边长比的矩形孔进行了系列计算，并将结果图谱化，给出了孔边峰值应力随边长比，方位角及圆角曲率半径的变化规律，通过光弹性实验，验证了理论计算结果的正确性，利用叠加原理，将文中的计算结果组合，可以分析各种不同受力时的孔边应力，本文的解答可移植到含孔无限大板的平板弯曲问题。     

固支/对边固支对边自由矩形板模型

针对复合材料厚板问题,提出了一种三维位移数学模型.该模型不同于Mindlin一阶剪切理论和Reddy高阶剪切理论模型,具有较少参变量,兼顾了应变在厚度方向的变化,保留了横向应力.对均布横向载荷下,具有四边固支/及对边固支对边自由边界条件,各向同性/各向异性矩形板的计算与现有三维线性理论精确解、经典理论解、FEM分析结果一致,适于各类板厚的弯曲变形分析,并发现不考虑剪力边界条件比考虑剪力边界条件更接近于FEM.     

正交各向异性单层板轴向拉伸时圆孔边应力集中的研究

本文对复合材料的孔边应力进行了理论计算与测试研究。文中引用了正交各向异性单向板圆孔边应力集中系统的理论算式，介绍了用光弹贴片法对拉伸时圆孔边应力集中系统的实测。测试值中考察了贴片的增强效应与泊松比失配影响，最后对测试值与理论值进行了比较，符合较好。     

各向异性材料在旋转焊接热源作用下热应力的数值分析

研究沿同心圆轨道旋转的焊接热源在各向异性弹性圆板中引起的应力场。利用应力函数法将精确解按双无穷级数展开。给出了一种环氧增强纤维复合材料的数值结果，并通过比较各向异性与各向同性材料的不同结果，讨论了正交异性对热应力分布的影响。     

正交各向异性板的屈曲

对正交各向异性板的屈曲作了分析和研究,通过傅里叶级数法分析解决正交各向异性矩形板在各种边界条件下的屈曲．利用傅里叶级数法的优点得到了挠度在各种边界条件下的表达式．以便在带入任何情况的边界条件时都可得到结果．     

铆钉填充锪窝孔边角裂纹应力强度因子分析

采用工程有限元软件ANSYS建立含铆钉填充锪窝孔板有限元模型,计算了不含铆钉填充的锪窝孔边单侧扇形角裂纹、含铆钉填充净配合锪窝孔边单侧扇形角裂纹和含铆钉填充锪窝孔在不同干涉量下孔边单侧扇形角裂纹前缘的应力强度因子的值,分析了铆钉与锪窝孔干涉配合量对孔边裂纹前缘应力强度因子的影响规律,给出了铆钉与锪窝孔干涉配合时的最佳配合量及有效干涉量范围,为铆钉设计提供了参考数据和指导性建议,对于铆接结构设计具有重要的工程实用价值。     

用边界元法求解带孔的正交各向异性板问题

正交各向异性板孔边应为集中的求解是比较困难的。Green等人已发表过一些关于各向异性板的著作。而本文的求解是从Airy应力函数出发,对正交各向异性弹性板进行求解。作者分析了各向同性与各向异性弹性体的应力函数,研究了它们之间的相似性,建立了等价空间的概念,发展了空间变换法,将物理空间变换到等价空间,再变换到象空间。作者运用了等价空间和各向同性弹性板的一些结果,简明地解决了各向异性板的问题。本文采用了BEM的虚拟应力法进行求解,为了简化,采用了Fourier变换进行求解,从平面问题的Kelvin奇异解出发,对Kelvin解进行了积分,建立了正交各向导性弹性板的基本解,并用虚拟应力法将此基本解构成该问题的数值解。     

含圆孔偏轴拉伸板强度分析

本文改进了Whitney的点应力准则,在距孔边一特征长度的圆周上应用Tsai-Wu张量准则.改进后的准则可应用于非对称铺层含孔板,并且除了可以确定含孔板的破坏强度,也可以确定孔边开裂位置,应用这一方法对含圆孔的偏轴板拉伸进行了分析,并与实验作了比较,二者吻合较好.     

Thermal Stress and Assembling Parameters Evolution of CMC Bolted Joint under Transient Thermal Loads

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

赵淑媛¹,李正禹¹,蒲泽良¹,孙新杨²,张文娇³

（1哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;

2哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

3东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

采用有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行热力耦合分析,分析了瞬态热载荷作用下热应力及装配参数的变化,为避免连接结构的早期破坏提供理论基础。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。当这种类型的结构件被用于高温瞬态热载荷状态下时,由于陶瓷基复合材料与金属的热膨胀不匹配,会导致连接部位产生额外的热应力,并改变接头的连接参数,从而使结构提前发生破坏。因此,研究瞬态热加载对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,使用有限元软件ABAQUS建立单钉单搭接螺栓连接结构的热分析模型。通过计算得到模型在给定的热边界载荷作用下的瞬态温度场,将温度场结果导入到应力场分析中,结合材料模型的UMAT程序,实现了模型的热力耦合分析。通过研究连接结构在高温热载荷作用下产生的热应力场,讨论了瞬态升温过程对连接结构预紧力、钉孔配合精度产生的影响

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构在受到温度载荷作用而产生温度变化后,装配时施加的预紧力会发生松弛现象,并且螺栓钉孔间的间隙也会缩小,预紧力下降值与温度载荷值呈现线性关系,钉孔间隙的减小值与温度载荷值呈现二次曲线的关系。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了瞬态热加载条件下结构热应力及螺栓预紧力和钉孔间隙等装配参数的演化,所得结果将用以指导工程实践中陶瓷基复合材料连接件的设计和使用。

关键词：陶瓷基复合材料;热分析;热应力;预紧力;钉孔间隙

     

用计算复变函数法求解含圆孔板的应力场

采用保角映射技术将含有圆孔的外域变换为圆的内域,通过在边界配点来确定其边界条件,并应用弹性力学的复变函数理论及最小二乘法求解板内的应力场.为了比较本文方法的计算精度和计算效率,用Matlab语言编程并计算了含圆孔的有限板和无限板内的应力分布,结果表明用计算复变函数法求含孔板的应力场问题计算精度高,计算量小,具有应用的价值.     

方孔分支裂纹的一种边界元分析

方孔分支裂纹是一个很复杂裂纹问题.本文利用笔者最近提出的边界元方法来研究内部压力作用下方孔分支裂纹问题.数值算例与文献报道的结果进行比较,发现这种数值方法无论对无限大板还是对有限大板中复杂裂纹的应力强度因子计算都非常有效.另外本文报道的方孔分支裂纹的应力强度因子数值结果可以揭示裂纹体几何对应力强度因子的影响.     

各向异性板应力集中问题最小二乘虚边界元解法

针对各向异性板的应力集中问题,依据虚边界元法的求解思路,以复变函数表达的基本解作为权函数,建立了相应最小二乘虚边界元的数学模式;其可求解正交各向异性或一般各向异性材料的平面问题.文中给出了含圆孔的各向异性板应力集中问题的数值算例;通过与边界元直接法、有限元法的数值比较可知,本文方法的数值结果具有较高的计算精度.此外,相对其它数值方法本文方法对于各向异性板应力集中问题的求解,具有较好的适用性和数值计算的稳定性.     

A numerical analysis of stress intensity factors for cracks emanating from an elliptical hole in a rectangular plate under biaxial loads

Due to the stress concentration effect around ahole, cracks are likely to initiate at the hole under theaction of fatigue loading. Consequently, a number ofpapers dealing with hole edge crack problems are avail-able. Bowie[1]gave solutions of a circular hole with asingle edge crack and a pair of symmetrical edge cracksin a plate under tension. Newman[2]provided a solu-tion by means of the boundary collocation method, andNisitani and Isida[3]by using the body force methodperformed analysis of …     

有限加筋板边界效应对应力强度因子的影响

分析了合裂纹损伤的有限加筋板边界效应对裂纹尖端应力强度因子的影响，得到裂纹尖端应力强度因子随结构尺寸及边界条件的变化规律。结果表明，随着有限加筋板高宽比和筋、板相对刚度的增大，结构应力强度因子的下降幅度逐渐增大。当裂纹尖端离筋条越近时，这种现象越明显。     

光弹贴片法检测复合材料残余应力

采用钻孔法结合光弹贴片实测正交异性复合材料板小孔周围释放应力应变场,简要推导光弹等差线条纹级数与测点残余应力的关系式,并以碳／环氧复合材料板为实例,探讨更简便易行的残余应力检测方法。在实验技术上,将聚碳酸酯贴片的单侧表面镀金属铝膜,以提高贴片的反射效率。实验表明,钻孔法结合光弹贴片测量可有效地分析复合材料残余应力问题。     

横观各向同性功能梯度圆板弯曲问题的精确解

对周边为弹性支承边界条件下的横观各向同性功能梯度材料圆板轴对称弯曲问题进行了分析.将位移函数写成傅里叶-贝塞尔级数的形式,根据横观各向同性功能梯度材料基本方程,并针对指数函数形式的梯度分布情况,对功能梯度圆板轴对称弯曲问题的位移和应力进行了精确分析.并通过具体算例,分析了在圆板上、下表面荷载作用下,材料性质的不同梯度变化对圆板结构响应的影响.分析结果表明,材料性质的梯度变化对圆板的力学性能有显著影响.     

Mapping analysis of vibrating fundamenta frequency for simple-supported elastic rectangle-plates with coneentrated mass

By conformal mapping theory, a trigonometric interpolation method between odd and even sequences in rectangle boundary region was provided, and the conformal mapping function of rectangle-plate with arc radius between complicated region and unite dish region was carried out. Aiming at calculating the vibrating fundamental frequency of special-shaped, elastic simple-supported rectangle-plates, in the in-plane state of constant stress, the vibration function of this complicated plate was depicted by unit dish region. The coefficient of ftmdamental frequency was calculated. Whilst, taking simple-supported elastic rectangle-plates with arc radius as an example, the effects on fundamental frequency caused by the concentrated mass and position, the ratio of the length to width of rectangle, as well as the coefficient of constant in-plane stress were analyzed respectively.