大型风机复合材料叶片铺层优化设计

本文的主要研究内容是基于遗传算法对大型风机复合材料叶片进行铺层优化设计,对其进行优化设计必须建立在深入理解力学原理,熟悉掌握数值计算方法的基础上。因此,在深入研究单层复合材料以及叠层复合材料的弹性特征理论基础和改进的遗传算法优化理论之后,参考了一定的铺层规则,在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下,应用遗传算法对大型风机复合材料叶片进行了铺层优化设计。设计结果表明,由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势,在叶片铺层的优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

压电涂层对碳基复合材料叶片振动特性的影响

针对涂覆在碳纤维增强复合材料和碳纳米管增强复合材料基体上的压电涂层,考虑涂层和基体材料的各向异性特征,建立了压电涂层-复合材料叶片动力学模型,通过静力学分析得出叶片的振动应力分布,基于模态分析的方法得出压电涂层对复合材料叶片固有频率的影响,采用谐响应分析方法研究了叶片的振动响应特性。结果表明,压电材料涂层涂覆在碳纳米管增强复合材料叶片上振幅减小的效果要优于涂覆在碳纤维增强复合材料叶片上。     

碳纤维复合材料风力发电机叶片振动特性研究

碳纤维复合材料具有强度高、模量高、质量轻、耐疲劳等特点。针对风力发电机叶片的振动特性及变形形式,设计了碳纤维复合材料风力发电机叶片,并采用ANSYS有限元分析软件对叶片进行模态分析,得到了碳纤维复合材料风力发电机叶片的固有频率。与相同结构的树脂叶片进行对比,结果表明碳纤维叶片固有频率高于树脂叶片的固有频率。对碳纤维叶片进行模态实验,实验结果与仿真结果的误差较小,可为碳纤维复合材料风机叶片提供设计依据。     

复合材料风机叶片结构分析与铺层优化

本文将梁理论应用于风机叶片的结构分析,将叶片视为一个变截面的悬臂梁,对美国可再生能源国家实验室发布的叶片结构分析程序Precomp进行了二次开发,使其不仅能计算叶片截面的刚度,而且还可以计算叶片的固有频率以及极限荷载作用下的变形和应力。基于该程序,对叶片结构铺层进行了优化,提出了梯形截面主梁结构,并减少根部材料消耗。结果显示,优化铺层结构后的叶片重量不仅显著降低,而且不影响叶片的使用性能。     

铺层角度对形状记忆复合材料层合板性能的影响

对不同铺层角度的形状记忆复合材料(SMC)层合板的微屈曲及形状记忆性能进行了研究。首先对±θ铺层的层合板在玻璃化转变温度以上发生弯曲变形时受压区的纤维应变进行理论分析。实验观察了[04],[±22.5]S,[±45]S和[±67.5]S等4种铺层方式的SMC层合板在弯曲变形下的面外微屈曲及受压区最外层纤维微屈曲形貌,发现在同等弯曲半径下,铺层角度的增大可显著降低微屈曲的程度,且可同时降低折曲破坏出现的可能性。最后,研究了在全0°铺层的单向板内逐步增加±45°铺层的比例并改变铺层顺序对微屈曲程度及形状记忆回复率的影响。结果表明,增加±45°铺层的比例可显著降低微屈曲程度,同时改变±45°铺层的位置对微屈曲程度的影响不大。60%以下的±45°铺层比例对形状记忆回复率影响较小,一旦±45°铺层比例超过80%,形状记忆回复率显著降低。     

铺层结构对复合材料层压板隔声性能的影响研究

为设计出隔声性能优异的轨道交通等运输工具用复合材料,本文采用热压罐工艺制备复合材料夹芯结构层压板,通过对铺层结构、厚度以及阻尼层进行设计有效调控复合结构隔声性能。结果表明:厚度和密度的增加可以有效提高复合材料的隔声性能;阻尼层的使用使得复合结构内部界面处阻抗匹配失调;声波在界面处极易发生反射,声能消耗增多有效提高了复合材料的隔声性能;利用结构优化设计可以在降低复合材料质量的情况下,提高隔声性能,最终满足复合层合结构材料在高端运输领域的隔声需求。     

复合材料层合板振动特性基础研究综述

对层合板理论发展进行了概述,在此基础上针对国内复合材料层合板振动特性相关文献涉及的基础研究进行了分类总结。综述了包括层合板、加筋层合板、阻尼层合板和其他特殊情况层合板在内的典型层合结构的固有振动特性基础研究。本文为相关研究提供了有益的研究参考价值。     

复合材料风扇叶片榫头铺层设计及加工制造

碳纤维复合材料风扇叶片榫头段是铺层数量最多、递减铺层最集中的部位,榫头的铺层质量影响叶片的低周疲劳强度。为完成叶片榫头段的铺层设计,基于铺层设计准则,建立了一种适用于航空发动机复合材料风扇叶片榫头段铺层设计的方法。根据铺层高度大小将铺层分为结构层和插入层,在结构层铺层设计中考虑了高度递减层的角度与铺放位置。在插入层铺层设计中,考虑了单组插入层铺层数量、单组插入层内部铺层顺序及铺层角度、单组插入层形成的坡度、相邻插入层之间的错开距离等五个方面的因素,确定了单组插入层的结构及其在榫头的分布。根据设计方案对榫头进行加工制造,成型的榫头试样件厚度检测质量良好,证实了该铺层设计方法的可行性。     

修复对含分层损伤复合材料层合板振动特性的影响

本文工作是通过对含不同大小分层层合板结构分析,讨论拉伸和剪切修复刚度对含层间分层损伤复合材料层合板振动特性的影响.基于修补分层损伤结构变形特点,将含损层合板的基板、上子板和下子板采用Mindlin板单元离散,而损伤区修复效应以虚拟连接单元模拟,建立相应的有限元分析模型和计算方法.通过对含损层合板的振动分析,讨论并验证本文提出的修复分层损伤模拟连接单元模型的可能性和正确性,依据拉抻和剪切修复刚度对含损层合板固有频率的分别影响与综合影响,得到对分层损伤复合材料层合板修补的指导性原则.     

铺层结构对树脂基复合材料层间剪切强度影响的研究

主要目的在于利用双切口剪切强度试验法验证手糊成型的玻璃钢层合板铺层顺序以及单向布的相对体积含量对层间剪切强度的影响。实验中六种玻璃钢层合板的铺层方式分别为(UF)_5、(UF,CSM,UF,CSM,UF)、(CSM,UF,CSM,UF,CSM)、(UF,CSM,CSM,CSM,UF)、(CSM,UF,UF,CSM,CSM)、(CSM)_5。单向布相对体积含量依次为100%、60%、40%、40%、40%、0%。通过实验结论发现,单向布相对体积含量对层合板层间剪切强度影响较大,其中铺层方式为(UF)5的层合板通过双切口法得到的层间剪切强度高达40.768 MPa,而铺层方式为(CSM)_5的层合板在双切口法中所测得的层间剪切强度却只有15.867 MPa。相对而言,铺层顺序对层合板的层间剪切强度影响相对较小。同时利用数理统计方法"秩和检验法"对大量实验数据进行了离散性分析,结果表明,在同一种铺层方式下,尽管因为不同失效形式导致数据具有较大的离散性,但这些数据仍然可以作为一个整体进行分析。     

VARTM工艺铺层取向对复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料层合板,对其进行了拉伸、弯曲、冲击性能测试,并对铺层取向与玻璃纤维复合材料层合板力学性能的影响关系进行了实验研究。实验结果表明,0°取向玻纤增强复合材料在单一方向上的力学性能最佳,±θ取向比θ取向玻纤增强复合材料有更好的力学性能;θ单向铺层复合材料在外载荷作用下发生破坏,其断口破坏的角度与铺层角度一致,而在±θ多向铺层复合材料的断口形貌更复杂。通过合理的铺层设计可获得满足工程需要的复合材料制品。     

变角度混杂复合材料层合板振动特性研究

研究了由碳纤维(Carbon Fibre)和Kevlar纤维(Kevlar Fibre)制备的变角度混杂层合板的模态参数,以改善复合材料层合板振动特性。基于模态试验基本理论,采用模态力锤法获得了变角度混杂层合板的频响函数,拟合函数获得前三阶频率阻尼比。研究分析可知：变角度铺层作为芯层时,纤维角度变化对固有频率变化较平缓,均在0.9%左右。而变角度层作为面层时,纤维角度的变化可以有效提高层合板的固有频率,增加44.0%。刚度更高(与Kevlar纤维相比,杨氏模量是其2倍左右)的CF作为面层材而KF作为芯层时,固有频率增加,一阶固有频率最多提高62%,三阶固有频率最多提高57.1%。当铺层顺序为[±<60|75>/0_k/90_k]_s整体振动特性最佳达到(基频为17.83Hz),相对于纯CF直线铺层提高了74.0%。     

机织/针织混合铺层对复合材料力学性能的影响

为使纺织复合材料同时具有机织结构复合材料和针织结构复合材料的综合力学性能,通过混合铺层方式制备机织/针织混合结构复合材料。以芳纶机织平纹织物和针织罗纹织物为增强体,以环氧树脂为基体,调整复合材料中增强体的铺层顺序,利用真空辅助成型技术制备四层层压机织/针织混合结构复合材料。通过对复合材料拉伸性能、弯曲性能和冲击性能的测试,分析混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明,混合铺层和铺层顺序对芳纶环氧树脂复合材料的弯曲强度和冲击强度有较大影响,特别是对罗纹结构复合材料纬向弯曲强度和冲击强度的改善。当采用相同铺层方式,罗纹织物为受力面时,机织/针织混合结构复合材料具有较大弯曲强度和冲击强度。     

复合材料夹芯板材料参数对自由振动的影响

阻尼复合材料夹芯层的高阻尼结构,使得复合材料夹芯结构具有良好的降噪和减振的作用。基于Mindlin板理论,分析了正交对称铺层的各向同性阻尼层复合材料板的自由振动,研究了复合材料的弹性模量(E)、黏弹性材料的剪切模量(G*)对复合材料夹芯板结构的损耗因子和频率的影响。结果表明:损耗因子随着复合材料E的增大而减小,同时频率表现出逐渐增大的趋势;损耗因子和频率均随黏弹性材料层G*的增大而增大。     

不同铺层复合材料螺栓连接的研究

实验研究了在E/D=4(边距/孔径),W/D=5(宽度/孔径)的3种铺层[90/+45/-45/0]s,[90/0/+45/-45]s,[+45/-45/90/0]s的玻璃纤维/环氧复合材料试样在不同的扭矩和垫片尺寸(外径(Dw)/内径(D))下的静态破坏强度。实验结果表明,试样破坏强度随夹持力增大而增大,但增加趋势不断减弱,在5Nm扭矩下三种铺层的强度分别比其销钉连接增大175%,196%,141%;在销钉连接下,[90/+45/-45/0]s铺层强度比[90/0/+45/-45]s铺层高12.7%,[+45/-45/90/0]s铺层强度比[90/+45/-45/0]s铺层高10.8%;在手动拧紧下[90/+45/-45/0]s铺层强度比[90/0/+45/-45]s铺层高3.5%,而[+45/-45/90/0]s铺层强度比[90/+45/-45/0]s铺层高0.37%;垫圈的外内径比在2～3范围内,试样强度伴随外内径比的增大而增大,在3～4时,强度变化很小。     

复合材料层合结构的铺层优化

本文采用最速下降法，对复合材料层合圆柱壳体受外压作用的铺层进行了优化。优化结果表明：在受外压作用下，层合圆柱壳体的铺层有最优化方案，且完全能在实际中实现。对于其他形状的结构和承受其他载荷的情况，只需改变指标函数即可用此方法获得优化铺层。     

铺层结构对复合材料层合板弯曲强度及失效行为的影响

通过改变偏轴角为45°和90°的[45°/–45°],[0°/90°]正交铺层组的质量分数,设计了6种复合材料层合板铺层结构。研究了两种偏轴角正交铺层组共同存在的铺层结构对真空辅助树脂传递模塑工艺复合材料层合板弯曲强度及失效行为的影响。通过弯曲实验获得6种复合材料层合板的弯曲强度、损伤特征以及应力–应变曲线。结果表明,随偏轴角为90°的[0°/90°]铺层组质量分数的增加,复合材料层合板的弯曲强度逐渐增大;两种偏轴角正交铺层组共同存在的铺层结构可引起复合材料层合板在弯曲载荷作用下的损伤模式多元化。     

复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究

为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。     

玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性研究

为了获取玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性,以玻/碳纤维混杂复合材料层合板为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS Workbench分析了夹芯混杂、层间混杂两种混杂方式下的复合材料层合板的振动特性,得到了层合板的混杂类型、铺设厚度、长宽比、铺设角度对玻/碳纤维混杂复合材料层合板固有频率的影响规律.结果表明:夹芯混...     

铺层方向角偏差对复合材料层板阶梯挖补的拉伸强度影响研究

针对复合材料损伤结构维修中容易出现的铺层角度偏差,根据实际维修情况建立复合材料层板阶梯挖补结构的有限元计算模型,并通过试验验证了该模型的准确性。基于该有限元分析模型并考虑真实维修过程中可能出现的铺叠误差与基准偏差,分别进行了维修结构的单层与整体铺层方向角偏移的拉伸强度性能分析。结果表明,补片出现小角度方向角偏移时,补片中面层以下的铺层角偏移对于拉伸强度的影响可以忽略,中面层以上的铺层随着偏移角度的增大与越靠近表层的位置,结构整体极限应力逐渐增大,当最表层铺层出现偏移时,对于修补结构拉伸强度的影响较大;附加层在修补结构中受载严重,通用的0°附加层铺设角度不一定适用于所有的修补工况,该分析结论也为实际工程维修提供了很好的指导意义。