金属-复合材料胶接凹槽形貌增强及参数设计

金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域,具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽,评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响,设计了单搭接拉伸剪切试验,验证胶接接头的剪切性能;在模拟中引入随机Weibull分布,定义内聚单元材料参数,结合矢量化用户材料(Vectorized user material,VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程,并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型,分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明,±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度,数值模拟强度和破坏模式与试验吻合;凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著,本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。      

玻璃纤维-碳纤维混杂增强PCBT复合材料层合板的制备及低速冲击性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)预浸料,利用真空袋辅助热压工艺制备了玻璃纤维机织布-碳纤维机织布/聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(GF-CF/PCBT)混杂复合材料层合板。利用双悬臂梁(DCB)和三点端部开口弯曲(3ENF)试验对连续纤维增强PCBT复合材料层合板的层间强度做出评估。同时,利用低速冲击试验结合Abaqus/Explicit有限元仿真重点考察了混杂纤维增强PCBT复合材料层合板的低速冲击性能。试验结果表明:尽管CF/PCBT复合材料层合板具有优异的层间性能,当冲击能量为114.3J时,由于CF自身的脆性,CF/PCBT复合材料层合板被完全穿透,而GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板只在表面形成凹痕。与纯CF增强PCBT复合材料层合板相比,铺层形式为[CF/GF/CF]25的GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板的抗冲击损伤能力提高2倍。仿真得到的云图显示,冲击引起的应力在CF中的分布区域要明显大于在GF中的分布区域。     

GF/PCBT复合材料熔融连接接头失效分析的实验研究与数值模拟

为了解决高黏度热塑性树脂难以制备高强度、大尺寸纤维增强热塑性复合材料构件的问题,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺与热压工艺相结合的方法,以环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)在催化剂作用下聚合成的聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)为基体,制备了纤维体积分数达70%的连续玻璃纤维(GF)/PCBT复合材料层合板及熔融连接件,并测得其力学参数。采用数值模拟方法对连接界面层数分别为1、2、3层的A、B、C型3种不同方案的GF/PCBT复合材料熔融连接接头的承载能力和失效模式进行了预测。结果表明:不同的结构设计方案对GF/PCBT复合材料接头性能的影响较大,当连接长度在一定范围内时,接头区域主要发生界面分层失效,接头处复合材料的翘曲为界面裂纹加速扩展的主要因素,C型连接方式的接头结构承载能力相比于A型连接方式有明显提高;增加C型接头连接长度,试件承载能力提高,直至接头处界面分层失效和纤维、基体失效同时发生;继续增加连接长度,纤维与基体失效将成为接头区域的主要失效模式,此时承载能力无明显提升。     

应用瑞利-里滋法分析储箱内液体晃动模态

将瑞利-里滋法进一步拓展到储箱内液体晃动的模态分析中,结合瑞利商给出储箱内带自由液面液体晃动基频的计算方程,使得瑞利-里滋计算模态的方法得到进一步的扩展,同时对液体晃动基频计算提出更为有效的计算方法.此外,应用有限元程序ADINA,对圆柱形储箱内带自由液面的晃动频率和模态进行数值模拟.研究了液面半径和深度对液体晃动固有频率和模态的影响.模拟得出的结论与瑞利商和里滋法的计算结论基本相符,从而验证了所提出的瑞利-里滋法解析解的有效性.所给出的解析方法适合任意储箱内液体晃动的模态分析.     

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究Ⅱ:反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构.算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备.     

层合轧压SMAT纳米化304不锈钢材料渐进损伤模拟

基于表面机械研磨处理技术(SMAT)和温轧工艺, 可以加工出具有高强度和理想韧性的层合纳米化结构材料。为了研究层合轧压SMAT纳米化304不锈钢材料的变形行为及随后的损伤起始与演化过程, 采用内聚有限元方法, 建立了用于预测该材料力学性能的有限元模型。基于该模型, 评估了材料中纳米晶层性质, 包括法向内聚强度、切向内聚强度、损伤演化断裂能和体积含量对材料整体强度和韧性的影响。通过比较数值仿真结果与实验结果, 验证了模型的合理性和准确性。同时预测结果表明, 增加纳米晶层的内聚强度和减小其断裂能都能提高材料的韧性; 增加纳米晶层的体积含量, 材料的整体韧性降低, 但强度增加。     

最优化方法在动态载荷时程重构中的应用研究

动态载荷的时程重构是自感知智能化结构研究的重要内容。基于最优化理论提出了一种动态载荷时程的重构方法。首先基于一个模态空间的正向模型，设计一个最优化状态跟踪器并构造出性能指标J，将载荷时程的重构转变成一个两点边值问题的求解。通过求解Riccati矩阵方程实现了多输入、多输出系统的动态载荷时程的重构。相比传统的方法，该方法表现出较高的识别精度和较强的实用性，并通过算例验证了该方法的有效性。     

立式圆柱型储液容器的小幅响应分析

本文基于欧拉方程和容器内液体的边界条件,利用伽辽金法建立了速度势ф为基本变量的液体晃动控制方程,推导出液体小幅晃动控制方程的"弱"形式。运用通用有限元程序ANSYS分析了地震作用下立式储液容器的小幅响应,给出了地震荷载下容器内液体的响应特征及容器壁的应变分布。     

玻璃纤维表面纳米SiO_2改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响

为研究玻璃纤维(GF)表面纳米SiO2改性对GF增强树脂基复合材料力学性能的影响,利用真空辅助模压(VAMP)工艺制备了不同含量的纳米SiO2表面改性GF增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。分析了GF表面改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响,研究了纤维表面改性对GF/PCBT复合材料抗湿热老化性能的影响规律。纤维拔出试验结果表明:经表面处理的GF/PCBT复合材料的界面剪切强度提高了1.16倍;采用含量为0.5wt%和2wt%(与树脂质量比)的纳米SiO2处理GF表面后,复合材料的三点弯曲强度分别提高1.5倍和1.67倍,弯曲模量分别提高1.03倍和1.17倍。SEM结果显示:当纳米SiO2用量为2wt%时,破坏后的纤维表面被树脂完全覆盖,树脂与纤维粘结良好。在湿热条件下,由于纳米SiO2颗粒的存在,水分子很难通过界面相扩散到改性后的材料内部,其抗湿热性能提高。     

机翼结构超声除冰系统数值模拟与实验

利用数值和实验方法,对NACA 0015机翼结构超声除冰系统进行了研究。针对覆冰双层板模型,通过全局矩阵法（GMM）研究了覆冰厚度和覆冰弹性模量对冰层界面剪应力集中系数（ISCC）和除冰频率的影响;同时,对压电激励器进行了参数设计,并应用阻抗曲线验证了设计结果的准确性。最后,根据NACA 0015机翼的几何特点,对压电激励器布置和除冰效率进行了研究,并开展了除冰实验,验证了NACA 0015机翼结构超声除冰系统的可行性,实验结果表明：该机翼结构的除冰功耗仅为传统电热除冰的16%左右。