结合改进单胞模型的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的多尺度表征分析

为提高螺栓连接层合板结构的可靠性和承载能力,基于ABAQUS软件及用户子程序(USDFLD),结合改进的单胞模型,建立了考虑组分材料失效的多尺度数值模型。利用该模型表征分析了单钉双剪层合板螺栓连接结构的力学性能,研究了铺层形式及几何尺寸对连接结构性能的影响。该模型的预报结果与试验结果吻合较好。结果表明:准各向同性层合板螺栓连接结构的挤压强度高于正交各向异性层合板连接结构的挤压强度,前者的失效模式为挤压失效,后者为剪出失效,该模式导致结构承载能力降低,设计中应避免。层合板边径比大于3时,不同宽径比连接结构的挤压强度趋近稳定值;但相同边径比的连接结构,其挤压强度随宽径比的增大而增大,连接结构设计时应给予考虑。      

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效

针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。     

湿热环境对CFRP复合材料-铝合金螺栓连接结构静力失效的影响

湿热环境对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料-铝合金螺栓连接结构失效的显著影响给整体结构带来了安全隐患。为准确评估湿热环境对混合螺栓连接静力失效的影响,基于复合材料渐进损伤模型及金属韧性断裂准则,建立了考虑湿热效应的复合材料-金属螺栓连接静力失效预测模型。采用该模型预测了CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构在23℃干态、70℃平衡吸湿状态下的静强度和失效模式,与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性。在此基础上,进一步揭示了不同湿热工况对CFRP复合材料-铝合金单钉双剪、多钉双剪连接结构静力拉伸失效的影响规律。结果表明:相比于23℃干态条件,23℃平衡吸湿条件、70℃干态条件和70℃平衡吸湿条件下CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构的失效载荷分别下降了4.5%、7.2%和13.9%;高温是导致湿热环境中CFRP复合材料层板损伤区域增大的主要因素;随着螺栓数目的增加,70℃平衡吸湿状态时连接结构静强度相比于23℃干态的下降幅度逐渐降低。      

SPH-FEM耦合算法在爆炸螺栓解锁分离过程中的应用

爆炸螺栓是航空航天、武器装备等领域应用极为广泛的一种解锁分离装置,其爆炸分离过程产生的冲击激励使连接结构分离的同时,也将对周围结构产生严重的冲击破坏作用。本文基于计及材料强度的流体动力学控制方程,开发复合链表搜索技术及耦合SPH-FEM技术,分别采用SPH方法与有限元方法建立爆炸螺栓及其连接结构的三维数值模型,模拟分析了爆炸螺栓的解锁分离过程及结构在爆炸冲击激励作用下的动响应特性。     

单层和双层足尺度海底管道抗冲击性能分析

海底管道在服役过程中除了受到常规荷载作用外,还会受到各种意外的冲击载荷作用而失效.为了研究承受横向冲击载荷作用下海底管道的动态特性,对三个单层和一个双层的足尺度管道进行了落锤冲击试验,获得了横向冲击作用下管道的破坏形态、冲击力时程曲线、位移时程曲线及应变时程曲线.建立了分析冲击荷载作用下海底管道失效过程的有限元模型,并...     

轴向受力螺纹连接件冲击仿真分析

用有限元软件对轴向受力螺栓进行冲击响应仿真分析,并设计专用的螺栓试验夹具,对吊挂和平置安装的螺栓进行冲击试验验证,通过对比仿真计算和冲击试验中螺纹连接件的响应加速度,应力和损伤状态,验证有限元方法及模型的正确性。     

螺栓法兰连接结构简化动力学建模及模型参数辨识

螺栓法兰连接结构内含接触、间隙等多种非线性因素,导致该结构的动力学分析变得异常复杂且耗时,构建简化动力学模型是提高计算效率的主要手段之一。把螺栓法兰连接处理为黑盒子,并截取螺栓法兰连接结构的部分竖直部段,以形成"局部连接结构"。获得螺栓法兰连接对接面的接触特性后,采用若干个拉压刚度不同的弹簧阻尼单元对单个螺栓连接进行了简化,进而得到了局部连接结构的简化动力学模型。根据典型动载荷作用下的动力学响应数据,采用力状态映射法对简化动力学模型进行了参数辨识。动力学试验数据表明,螺栓法兰连接结构简化动力学模型的预测误差不超过20%。     

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

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。     

螺栓法兰结构双连接面耦合振动分析EI北大核心CSCD

螺栓法兰连接结构广泛应用于机械结构和航空航天结构,由其构成多个结构组件(如火箭舱段)之间的连接面,引入的非线性动力学特性会显著影响整体结构动力学响应。不同于以往研究中所聚焦的单个非线性连接面对结构响应影响问题,针对具有两个螺栓法兰连接面的组合结构开展非线性耦合振动分析,研究连接结构动力学参数对结构响应的支配效果,以便获得有效控制结构响应的关键非线性特征。基于螺栓法兰连接结构等效双线性弹簧模型,建立双连接面螺栓法兰结构多自由度耦合振动模型,分别讨论了在不同形式的激励作用下的响应和相空间特性,揭示系统的阻尼敏感性及特定参数条件下的超谐波和亚谐波共振现象,最后分析弹簧刚度比及部段质量比对结构响应的影响。     

法兰连结结构的振动测试试验分析

利用虚拟仪器LabVIEW软件,针对法兰连接结构振动测试试验,开发具有信号发生(频率可调的伪随机和正弦)、数据采集、谱分析等数据处理功能的分析系统,完成了法兰螺栓连接结构在不同预紧力下的振动试验。通过对试验数据的谱分析、差量分析表明:法兰螺栓连接结构的非线性特性对结构动态响应影响是显著的,各种非线性振动现象明显,信号不对称性表现的尤其突出,且与螺栓的预紧状态密切相关。借助于频谱信息,可判定螺栓松紧的程度,为结构连接状态的诊断提供依据。     

螺栓连接鼓筒转子结构动力学特性分析

以螺栓连接鼓筒转子为研究对象,基于有限元软件,首先建立了减缩梁-壳-弹簧混合单元模型;其次通过仿真与实验的固有特性对比验证了减缩模型的准确性;最后分析了螺栓个数、螺栓松动、系统转速对螺栓连接鼓筒转子结构结合面的时变刚度和系统的响应特性的影响规律。研究结果表明:螺栓个数、螺栓松动与系统转速对连接结构的时变刚度和响应特性均有一定的影响,随着螺栓个数的增多,结合面连接刚度不断增大,系统的非线性特性不断减弱;螺栓松动导致连接刚度发生较大波动,并且随着松动个数的增多,系统非线性不断增强;随着系统转速的增大,螺栓连接时变刚度增大,但转速越高其刚度波动越大,导致系统非线性增强。     

HIPS性能与橡胶粒子结构的关联及落锤冲击断裂的增韧机理

研究了橡胶粒子的结构对高抗冲聚苯乙烯(HIPS)性能及落锤冲击断裂的影响。结果表明,屈服强度随着橡胶体积分数的增加而线性递减;材料的落锤冲击韧性主要由分散相粒子的形态及粒子-界面间的粘接强度决定。透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对落锤冲击断裂下的微观形变机理研究显示:(1)塑性形变或多重银纹是落锤冲击断裂过程中主要的能量耗散形式;(2)落锤冲击增韧机理可以通过橡胶粒子的形态设计及组成进行调控。另外,采用热重分析法(TGA)研究了HIPS中基质和凝胶的热稳定性。     

基于内积矩阵及卷积自编码器的螺栓松动状态监测EI北大核心CSCD

螺栓连接结构中的螺栓松动容易导致结构失效,如何对结构中的螺栓松动状态进行监测是当前研究的一个热点。该文利用环境激励下结构振动响应的相关性分析,结合深度学习技术,研究了一种联合使用内积矩阵(inner product matrix,IPM)和卷积自编码器(convolutional autoencoder,CAE)的神经网络模型,即基于内积矩阵及卷积自编码器(inner product matrix and convolutional autoencoder,IPM-CAE)的深度学习模型。通过对螺栓连接搭接板的螺栓松动状态监测的试验研究,验证了该方法的可行性及有效性,并与使用IPM的卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、堆栈自动编码器(stack autoencoder,SAE)及胶囊网络(capsule network,CapsNet)相比,IPM-CAE方法具有较快的网络训练收敛速度和较高的识别精度。     

螺栓法兰连接结构的振动仿真分析

利用ANSYS动力学分析软件建立了螺栓法兰连接结构的1/8循环对称三维非线性有限元模型,在正弦激励下对三种不同预紧力矩情况下的模型进行了瞬态动力学分析。通过ANSYS后处理对稳态响应位移信号进行微分处理得出了螺栓附近法兰上下对应节点加速度信号以及差值信号,与实验数据进行对比验证,得出预紧程度与信号的相互关系,确定所建有限元模型是可靠的。     

侧向冲击下中空箱形钢管混凝土叠合柱动力响应的实验与有限元分析

中空箱形钢管混凝土叠合柱由钢筋混凝土和钢管混凝土组成,为研究其抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机开展箱形叠合柱抗冲击实验,重点研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移的影响。此外在实验基础上通过ANSYS/LS-DYNA软件建立了有限元模型,分析了各组件内能分配。实验结果表明:随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,内埋钢管混凝土作用逐渐明显;随边界条件的改变,两端固定时的抗变形能力较两端简支时增强;而轴压比对其动力响应影响不显著;冲击能量较大时,钢管混凝土吸收的能量达到了1/3,抗冲击性明显。     

格栅-蜂窝混式芯体夹芯结构的低速冲击性能

针对传统复合材料夹芯结构抗冲击性能差的缺陷,提出一种格栅-蜂窝混式芯体,并对其低速冲击性能进行了研究.采用半球头式落锤冲击实验平台对碳纤维铝蜂窝夹芯结构的低速冲击响应进行研究;其次基于蜂窝非线性本构与完美界面假设,建立了碳纤维铝蜂窝夹芯板低速冲击仿真模型,实验与仿真结果吻合良好;最后对不同冲击位置和冲击角度下格栅-蜂窝...     

复合材料加筋壁板低速冲击响应与冲击能量关系

基于ABAQUS有限元软件,采用Hashin损伤准则建立了一种有效的复合材料加筋壁板低速冲击模型。分析了接触力、加筋壁板吸收能量和损伤散逸能对冲击响应的影响。结果表明:随着冲击能量的增大,接触力峰值前移,且冲击后板吸收能量与损伤散逸能的差值变大。落锤冲击实验表明,低速冲击能量下损伤程度与冲击能量正相关。对比了损伤区域的仿真结果和实验结果,发现二者拟合较好。