压电薄膜连接器脱离屈曲研究

对弹性软基体上两端固支压电薄膜的脱离屈曲行为进行分析,找出压电效应对脱离屈曲的影响及脱离屈曲后的最大应力问题,得到了压电薄膜脱离屈曲的临界应变方程式和防止材料破坏的基体预应变取值范围。建立了压电薄膜脱离屈曲幅值与基体预应变和压电材料特性参数之间的函数关系。     

功能梯度斜板的屈曲分析

研究面内荷载作用下功能梯度斜板的屈曲问题.基于经典板理论,假设材料性质为板厚度方向坐标的幂函数,不考虑温度的影响,推导功能梯度板在纵向荷载作用下的平衡微分方程,运用坐标转换关系,建立斜坐标系下功能梯度斜板的屈曲微分方程.采用微分求积法,离散屈曲微分方程,结合边界条件,给出功能梯度斜板在两对边受有均布压力作用下临界屈曲荷载的无量纲数值解.在此基础上,讨论板的几何外形尺寸、夹角、梯度指标以及中面变形等因素对临界屈曲荷载的影响.结果表明:功能梯度板的临界屈曲荷载变化介于相应的均质各向同性板的临界屈曲荷载变化之间;功能梯度材料板的临界屈曲荷载变化随板的相对几何外形尺寸宽长比b/a的减小而减小,随梯度指标κ和夹角θ的增加而减小;中面变形对夹角较小和梯度指标较高的板有较大影响.     

铝合金三明治板面外承载特性的有限元模拟和试验研究

通过有限元模拟方法研究了点/面载荷作用下不同长宽比和宽厚比铝合金三明治板的面外屈曲特性，并进行试验验证；通过试验研究了不同尺寸参数铝合金三明治板的面外承载特性。结果表明：模拟得到点/面载荷下三明治板的载荷-位移曲线与试验结果基本吻合，平均相对误差小于5%,证明了有限元模拟的可靠性；三明治板在点载荷下发生整体刺穿破坏，在面载荷下发生芯板压缩破坏。在点载荷下，当宽厚比为13.6时，随着长宽比由0.7增大到1.9,三明治板的破坏载荷先升高后趋于平稳，而当宽厚比为21.4时，随着长宽比由0.4增加到1.2,破坏载荷基本不变，宽厚比21.4的破坏载荷大于宽厚比13.6。在面载荷作用下，随着长宽比增大，屈服载荷降低，宽厚比13.6的屈服载荷大于宽厚比21.4。以3 mm为面外屈曲变形临界值时，点/面载荷作用下三明治板的临界屈曲比均为0.093。     

沉积不连续NiTi形状记忆合金薄膜PZT的阻尼性能

在铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT)表面沉积不连续的NiTi形状记忆合金(SMA)薄膜,运用XRD、SEM和动态弹性模量测试仪研究了其显微组织及阻尼特性。结果表明:与PZT相比,NiTiSMA薄膜/PZT复合材料的阻尼性能下降;原因是PZT基体与NiTi SMA薄膜在晶化冷却时的收缩不一致导致在PZT基体中靠近薄膜的区域形成了组织异常区,限制了电偶极子的运动,在外界应力作用下薄膜与基体两者的应变不协调加强了异常区对电偶极子运动的限制。     

复合材料薄壁加筋结构局部稳定性分析的谱单元法

工程结构的有限元数值分析往往采用粗网格模型,这导致压、剪或其联合载荷作用下的薄壁加筋结构初始屈曲临界载荷计算误差过大,而采用四边简支板的工程校核方法强化了实际约束效应,进一步加大了误差。为此,采用p-收敛的升阶谱元法,计算复合材料四边简支及弹性支承层合板的屈曲特征值;同时提取粗网格单元的实际应力状态,对复合材料薄壁加筋结构局域初始屈曲临界载荷进行了分析计算。结果表明:谱单元方法可很好的收敛于四边简支板的理论解,计算效率较高;局域薄壁加筋结构的谱单元方法可高效收敛于整体薄壁加筋结构的局部稳定性解,且能计及加强筋对复合材料层合板的弹性支承作用,更准确的模拟了加筋板的实际约束效应。     

三维编织复合材料高压储气瓶的屈曲分析与优化设计

通过对三维编织复合材料圆柱壳进行屈曲和应力分析，对三维编织复合材料高压储气瓶的临界载荷、强度和应力分布等进行了数值计算，结果表明，屈曲对三维编织复合材料高压储气瓶使用性能的影响非常显著。基于圆形四步法三维编织工艺及理论分析，提出了三维编织复合材料高压储气瓶的结构优化设计数学模型。算例表明，该优化设计方法效果很好。     

双向载荷对SiC颗粒增强铝基复合材料变形行为的影响

利用有限元方法研究了单轴和双轴拉伸条件下,SiC颗粒增强铝基复合材料的变形行为,分析了SiC颗粒体积百分比和双向载荷比,对复合材料宏观力学性质的影响.结果表明,对同一颗粒体积比而言,复合材料的宏观等效应力应变曲线随三轴应力约束的增加而降低;与单轴加载不同,在双轴加载条件下,即使SiC颗粒的体积比很小,其增强效果也很明显.     

基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。     

薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳寿命预估

针对航空发动机薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳问题。采用耦合的有限元/边界元法,针对高速气流中四边固支的GH188材料薄壁柱壳结构进行动力学响应计算。研究了不同温度场和不同声压级组合下,薄壁结构危险点位置处X方向应力响应规律。基于改进的雨流计数法绘制出结构应力响应的雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵,分别对应力循环和结构损伤程度进行分析。结合Morrow平均应力模型和Miner线性疲劳累积损伤理论对薄壁结构的疲劳寿命进行预估。结果表明:相同声压级下,临界屈曲温度前,结构应力响应随温度升高而增大,屈曲后响应随温度的升高而减小;响应曲线先向左发生偏移,然后向右偏移,疲劳寿命先减小后增大;相同温度下,结构应力响应随声压级的升高而增大,响应曲线不发生偏移,结构疲劳寿命线性下降。     

复合材料多墙盒段后屈曲的破坏预测方法

目前复合材料垂尾已广泛运用在多种飞机型号上,为了保证结构安全,研究复合材料垂尾盒段的力学特性十分必要。建立在弯剪载荷下垂尾盒段屈曲和后屈曲的模型,重点研究了在弯剪载荷下后屈曲诱发的盒段蒙皮铺层间、蒙皮/缘条之间界面的失效问题;其中蒙皮铺层之间采用实体单元进行连接,连接界面采用二次应力准则作为损伤的起始判据,能量混合准则作为损伤的扩展判据,并且自定义损伤变量实现刚度的非线性衰减;蒙皮与缘条之间采用cohesive单元模拟胶层;复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效。该模型基于Abaqus动态显式分析步,屈曲模态、屈曲载荷、破坏形式与极限载荷与实验吻合良好,证明了该方法的有效性。     

EPGC204材料螺栓连接时避免基体开裂的临界几何参数研究

针对EPGC204复合材料螺栓连接时基体开裂问题,运用数值模拟有限元仿真计算的方法,建立EPGC204零件螺栓连接时几何参数(宽径比W/D,端径比E/D)与应力的关系曲线,研究几何参数对基体开裂的影响,寻找避免基体开裂的临界几何参数,为零件设计提供参考依据。     

超高速水下航行体结构静动力特性分析

建立超高速水下航行体的有限元模型,针对超高速水下航行体受力特点,对航行体结构进行静力分析、屈曲分析和谐响应分析.数值计算结果表明,结构在轴向压力作用下最大应力值约为114Mpa,明显高于静水压力情况;空化器结构更容易发生屈曲失稳而导致结构破坏,其屈曲临界压力为54KN,临界航行速度为280m/s;当航行体尾部与空泡壁碰撞冲击频率为352HZ、400HZ、672HZ和704HZ时,超高速水下航行体壳体的变形和应力较大,容易发生结构破坏.     

有初挠度简支矩形板的后屈曲特性

船体外壳基本上是由加筋板构成的。这种结构可能由于受面内压力作用面屈曲,为充分利用板的承载能力,减轻结构重量,有时将板设计得比较薄,使其工作于后屈曲状态,对大量的加筋板进行非线性有限元计算是一件非常费时的工作,在船体的初步设计阶段这样做很不经济,为此需先分析板的后屈曲特性,然后把板按某一折减宽度计入到加筋的剖面中去,再对加筋板进行整体屈曲分析,这就需要得到对任意边长比和初挠度均适用的应力相应变之间的显式关系,而目前尚缺乏这方面的研究。有鉴于此,应用von-Karman大挠度薄板方程,对承受单向面内压力、四力简支的有初挠度矩形板进行后屈曲特性分析（其中挠曲函数取为双傅氏级数的一项）,将有关变量化为无量纲量,以无量纲载荷作为小参数,用参数摄动法求解非线性代数方程组,得到受压边最大应力与平均压应力之间,平均压应力与平均应变之间的显式函数式,分析了不同边长比和初挠度对矩形板后屈曲特性的影响,结果表明初挠度的存在会明显降低板的面内刚度,继而将这些结论推广应用到边长比大于√2的情况。     

局部受损预载结构屈曲强度和后屈曲承载能力评估和预报

项目负责人:沈惠申所在单位:上海交通大学项目批准号:59975058项目简介本课题主要涉及结构非线性稳定理论及其应用。以研究复合材料层合剪切板壳结构在复杂环境和复杂荷载作用下的屈曲强度和后屈曲承载能力为主要目标。复合材料层合板壳结构通常承受机械荷载和热荷载的共同作用,而预加热荷载或机械荷载往往会降低板壳结构的屈曲荷载（或临界温度）和后屈曲/热后屈曲承载能力。复合材料的力学性能对于外部环境有着很大的依赖性。外部环境的两种效应可以造成很大的内应变,从而影响屈曲荷载。这两种效应是吸湿效应和热效应。水     

纤维缠绕复合材料管道双轴疲劳寿命预测研究

对纤维缠绕复合材料管道的双轴疲劳行为进行了实验与理论研究。根据多轴疲劳试验的要求,设计了一种新的纤维缠绕成型复合材料薄壁管型试样,通过对不同缠绕角度试样在不同双轴载荷比条件下的双轴疲劳实验,得出了玻璃纤维/环氧树脂薄壁管的应力/寿命曲线。参考金属材料的多轴疲劳失效准则,结合复合材料各向异性的特点,提出了复合材料多轴疲劳失效准则,对不同缠绕角复合材料管道在不同载荷条件下的疲劳寿命进行统一。结果表明:本文提出的失效准则可以把不同缠绕角复合材料在多种载荷条件下的多轴疲劳寿命统一起来,从而根据一个给定缠绕角度试样在某种试验条件下疲劳寿命来预测其它缠绕角度条件下的疲劳寿命,具有非常重要的理论研究价值和工程应用前景。     

多重基体开裂对平纹编织C/SiC复合材料断裂强度的影响

平纹编织C/SiC复合材料含裂纹试件受拉伸载荷时,裂纹尖端出现垂直于载荷方向的基体开裂损伤带。对试件断口观察,发现拉伸带宽度约等于纤维束宽度;裂纹扩展时,拉伸带内垂直于裂纹面的纤维束形成对裂纹面的桥联。试验结果显示,桥联纤维束出现多重基体开裂的材料断裂强度较高;而纤维束断面平整,未出现多重基体开裂的材料断裂强度相对较低。基于D-B(Dugdale-Barrenblett)模型,研究纤维束多重基体开裂损伤对C/SiC复合材料断裂强度的影响。发现多重基体开裂损伤引起纤维束非线性应力应变关系,能显著提高平纹编织C/SiC复合材料含裂纹件的断裂强度。对于平纹编织C/SiC复合材料,长度参数L0=G/(Fσ20)可以表征材料内桥联机制作用的范围。当裂纹裂纹长度a≥6 mm时,线弹性断裂力学对于平纹编织C/SiC复合材料是适用的。     

基于数值模拟的弹性—蠕变双材料界面应力分析

利用ABAQUS大型有限元程序,对比分析线弹性和蠕变两种情况下Silicon/epoxy弹性-蠕变双材料界面应力分布问题.分析结果表明,界面边缘处存在严重的剪应力和剥离应力集中;边缘对齐结构的界面剪应力和剥离应力集中要小于边缘不对齐的情况;随着基体厚度增大,界面剪应力和剥离应力均减小;当基体与薄膜的厚度比增大到临界值时,剥离应力将反向,此时剥离应力的绝对值随着厚度比的增大而增大;蠕变会导致界面边缘附近剪应力和剥离应力松弛,且薄膜的蠕变指数和系数越大,蠕变松弛效应越明显,随时间增大,边缘附近界面上的应力逐渐趋近于零.     

晶须长径比对树脂基复合材料力学行为影响的数值模拟

在单向晶须增强树脂基复合材料的轴对称模型和已有研究成果基础上,利用有限元分析方法,研究该类复合材料中晶须长径比的变化对材料整体力学行为的影响.结果表明:晶须长径比对晶须应力作用明显大于对基体的影响;晶须的长径比h/r≤30时,随着晶须长径比的增大,发生在晶须端部处的集中应力急剧增加;但当长径比h/r＞30时,长径比的进一步增加对集中应力影响不大;随着晶须长径比的增大,界面剪切应力减小,分布曲线下移;但当长径比h/r＞30时,长径比的进一步增加对剪切应力影响不大;随着晶须长径比的增加,复合材料的拉伸强度逐渐增大.     

炭素浸渍铝合金复合材料

炭素基料系多孔烧结材料,主要由石墨和焦炭、还有一些孔洞所构成,它是复合材料的基体。炭素经压制和烧结后,放入熔融状态的铝合金里,在一定的压力作用下,迫使熔融状态的金属进入炭素基料的孔隙内,形成炭素铝合金复合材料,此时材料表面处于受压状态,其应力值为5～15公斤/毫米~2。     

含结构惯性载荷作用桁架结构的弯曲应力及其控制

结构惯性载荷所占成分较大的桁架结构,需考虑其对杆单元弯曲应力的影响及其控制。针对该问题,可用桁架结构分析方法求解杆内轴向应力,再用受横向均布载荷梁的分析方法求解杆内最大弯曲应力,将两者相加以确定杆内最大总应力。继而,采用控制细长比的方法,以控制横向惯性载荷引起的最大弯曲应力,并讨论相应的屈曲条件以确定许用轴向压应力。运用应力比法对多工况下应力约束桁架结构进行最轻化设计,以含惯性载荷作用的3杆和10杆桁架结构优化为例,验证该控制最大弯曲应力方法的必要性与有效性。