波纹夹芯加筋板和波纹腹板的刚度工程计算方法及其应用

研究了波纹夹芯加筋板刚度的计算方法,并将该方法拓展到计算复合材料波纹层合板的拉伸、耦合和弯曲刚度,得到了其解析表达式。阐述了将波纹板的刚度输入到MSC．Nastran材料卡中的技巧,以及对波纹板有限元建模分析的方法。将波纹板的刚度计算技术及建模方法用于某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算中,得到了结构测点处的位移计算值和应变计算值,并同试验测量值和传统的有限元分析方法得到的计算值进行了比较。结果显示,同传统的对结构细化的有限元建模分析方法相比,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值,位移计算值相对误差的平均值从原来的9％下降到5％,应变计算值相对误差的平均值从原来的17．4％下降到4．1％。     

高度修正实现刚度等效的梁结构有限元建模方法

民用飞机中对于梁结构的有限元建模,一般采用刚度等效方法将梁建成杆单元与剪切板单元的组合形式,这种有限元简化方法仅能保证截面刚度与真实截面刚度近似等效,但有限元中的截面面积与实际面积却相差较大,致使有限元分析的结果不能准确反映结构严重部位的应力情况。针对传统刚度等效有限元建模方法的不足,提出一种采用高度修正的刚度等效有限元建模方法;将该方法的计算结果与传统建模方法的计算结果、理论计算结果、试验测量结果进行对比。结果表明：本文提出的高度修正的有限元建模方法比传统杆板系建模方法更准确,与试验结果更接近。将该方法用于民用飞机结构有限元建模,能够对真实结构进行更准确地模拟,分析结果也更精确,对民用飞机结构的强度分析和安全保障具有重要的意义。     

复合材料开口结构参数化建模技术研究

基于MSC.Patran软件,运用PCL语言编写了参数化建模程序,实现了多种开口形式和加强形式的复合材料开口结构二维模型快速化、自动化建立。运用刚度等效原理将复合材料任意截面形式的筋条等效成各向同性矩形实心筋条,解决了目前有限元软件中没有提供复合材料一维梁单元的问题。结合复合材料开口结构刚度计算与优化设计实例,验证了建模方法的准确性与实用性。     

复合材料波纹板刚度工程计算方法及其在结构分析中的应用

 将复合材料层合板理论拓展到复合材料波纹层合板,得到了其拉伸、耦合和弯曲刚度的解析表达式。其次,阐述了将波纹板刚度输入到MSC/NASTRAN材料卡中的技巧,以及如何对含波纹板结构进行有限元建模分析。最后,将波纹板的刚度计算方法及建模方法应用于对某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算,得到了结构测点处的位移和应变计算值。同传统的有限元分析结果比较表明,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值：在纯弯工况中,位移和应变计算值相对误差的平均值从9.1%和17.4%分别下降到5.2%和4.1%;在弯扭工况中,相对误差的平均值从10.5%和18.3%分别下降到6.0%和5.7%。     

结构有限元计算的载荷前处理方法与程序设计

提供了一个解平板结构有限元静力计算的载荷前处理方法与计算机程序。首先引入了面积坐标的概念,然后利用静力等效原理求得满足结构有限元计算的等效节点载荷,最后采用Fortran—77语言将计算公式编写成计算机程序。该程序适用于VAX—11/780计算机及IBM系列微型计算机。采用本程序计算可以使结构有限元计算的前处理工作带来极大的便利。     

用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计

变体飞行器的结构既需要改变气动外形，也需要传递载荷。针对一种变体翼尖的设计需要，使用能量方法，构建了等效力学模型。在实现对波纹板刚度特性等效替代的同时，获得了波纹板整体应变与结构内局部应变的转换关系，从而可以通过对波纹板局部材料进行失效判定，实现对波纹板整体失效应变的预测；经过实验验证，该等效力学模型的解析解与实验值相比平均误差在10%以内。通过对波纹板几何尺寸进行参数分析，获得了单元几何参数对波纹板失效应变和等效刚度的影响关系。最终，针对变体飞行器承载与变形的设计需要，对波纹板进行了优化设计，进一步评估了波纹板结构的强度与刚度特性，为变体翼尖的设计提供了依据。     

复合材料层压板连接强度分析参数化建模与试验验证

采用Python语言开发了复合材料层压板连接快速建模程序,通过人机交互实现自动建模,参数化建模程序可以对层压板单层厚度、铺层顺序、铺层角度、螺栓直径及排列形式、螺栓边距端距等参数进行设计分析。讨论有限元软件ABAQUS与Python语言的接口及命令调用方式,通过RSG编写GUI界面,从而大大简化用户的操作过程。通过Fortran语言开发了用户自定义材料子程序,实现材料失效判据及刚度退化的二次开发,并嵌入快速建模程序中,实现复合材料层压板连接强度分析参数化建模。有限元分析与试验验证相结合,对比分析失效模式及破坏载荷,误差在10%以内,工程上认为误差可接受,表明模型建立的合理性。本文的工作为复合材料层压板连接强度分析有限元前处理建模提供了有价值的参考。     

基于等效板模型的弹翼颤振分析

 基于等效板模型发展了一种适用于导弹翼面的动力学和颤振分析方法。在等效板建模过程中,使用简单多项式定义翼面的几何、结构和位移,利用人工弹簧近似边界条件,通过全局Ritz法得到刚度和质量矩阵的解析表达形式,通过特征值问题的求解得到翼面的固有频率和振型。通过频率和模态的初步比较发现,利用该方法得到的弹翼动力学特性与通过有限元方法得到的结果一致。然后利用这两组模态进行弹翼的颤振分析,通过对比发现,两种方法的颤振分析结果吻合,这也进一步验证了等效板方法在弹翼动力学分析方面的准确性。等效板方法为弹翼初步设计阶段的快速建模提供了一种有效工具。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

航空发动机支点刚度与整机变形分析方法

研究了如何利用整机有限元模型开展刚度及变形分析并给出量化要求,包括整机有限元建模、支点刚度计算及整机变形分析。整机有限元建模包括模型简化原则、编号规定、网格划分及模型检验。支点刚度计算包括支点刚度定义及刚度分配在设计过程中的应用。整机变形分析包括温度场与载荷施加、高低压转子轴间间隙分析、转静子轴向间隙分析关注要点和变形规律。经整机建模及计算分析,得出的支点刚度结果可为发动机轴承支承结构设计提供刚度分配指标,整机变形结果可用于发动机总体结构方案评估与优化。     

基于紧固件载荷变形曲线的结构有限元分析

讨论了紧固件载荷变形曲线数值分析方法,提出了基于紧固件载荷变形曲线有限元建模方法。利用三层搭接板试验结果,验证了基于紧固件载荷变形曲线的有限元建模方法有效性,并同工程中传统紧固件建模方法进行了对比研究。结果表明,采用紧固件载荷变形曲线的模型化方法更能模拟紧固件真实刚度,得的计算结果接近于试验实测结果。提出的模型化方法可为工程结构总体有限元分析或细节有限元分析中紧固件模型化提供参考。     

复合材料厚板双轴非线性刚度特性分析

基于非线性本构关系与厚板理论,研究了一种采用增量步迭代法对复合材料厚层合板渐进失效过程进行双轴刚度特性分析的方法。以三维Hashin失效准则为单层板失效判据,当层合板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。采用有限元软件MSC.Patran自带的编程语言PCL,编写了计算程序。应用该程序分别对不同材料和不同铺层的层合板算例进行非线性刚度计算,给出了不同的铺层和材料组合下层合板在不同载荷比下的应力-应变曲线,展示了层合板渐进失效过程中应力-应变的变化关系,为复合材料厚板失效分析过程中的刚度变化提供理论与计算依据。     

复合材料板的刚度分析

对复合材料叠层板、夹层板、空心板的刚度进行了分析,导出了这几种板的刚度及相关的系数矩阵,编制了复合材料板的刚度计算程序,并对程序部分作了较详细的说明。利用该程序计算出的结果与用经典理论计算的精确结果进行了对比,结果吻合较好。     

带减振器的光纤陀螺惯导系统有限元仿真建模方法

以某光纤陀螺捷联惯导系统的IMU单元为研究对象,利用有限元分析软件包Patran/Nastran建立了含减振器的IMU系统有限元模型。重点介绍了有限元模型中减振器的等效处理方法,比较了模型的随机振动响应计算结果和样机振动试验的实测结果,两者的误差在3.2%以内,证明了有限元建模过程中所使用的减振器等效处理方法的合理性。     

铺层对复合材料层合板力学性能影响的研究

为了研究不同铺层角和铺层厚度对复合材料层合板力学性能影响,通过转换复合材料刚度矩阵,得到复合材料层合板等效弹性常数,利用Matlab软件将计算复合材料层合板等效为计算等厚度各向异性板,研究不同铺层角对层合板力学性能影响;基于此等效方法,利用Fortran程序计算机翼剖面刚度,研究不同铺层厚度对层合板力学性能影响。结果表明:铺层角对复合材料层合板有较大影响,其中以45°铺层角作为最外层的层合板力学性能最佳,其次为90°和0°铺层角;随铺层厚度增加,机翼剖面的剪切刚度、弯曲刚度和扭转刚度几乎呈线性增大。研究成果为分析与设计飞机复合材料结构提供参考。     

一种楔环刚度等效方法

为了确保分析精度的条件下提高带楔环的鱼雷结构分析效率,在优化设计的基础上建立了一种楔环刚度等效方法.建立带接触的三维细节实体元有限元模型和全壳元有限元模型,分别进行非线性静力分析和线性静力分析,以连接部位壳元刚度为参数,以全壳元模型与三维细节模型挠度一致为目标开展优化设计,通过优化设计得到连接部位的楔环等效刚度.采用等效刚度模型和模态分析后发现,等效模型可以在计算精度和计算效率之间取得较好的均衡,证明提出的方法在鱼雷结构设计和强度研究中具有较高的应用价值.     

机身复合材料加筋板壳的稳定性及强度分析系统

随着先进复合材料在飞机主承力结构（如机身结构）中的大量应用,工程上迫切需要大型复合材料加筋板壳的快速建模打样计算、稳定性（刚度）和强度分析的理论和程序支持。基于稳定性理论,并综合复合材料任意加筋板壳有限单元和复合材料层合板壳失效理论等方面的成果,开发了一个机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序(CSSAP)。该程序系统不仅可以进行复合材料（加筋）板壳的线性稳定性和强度分析,还可进行非线性稳定性和强度分析;可对较粗的网格划分,得到临界屈曲应变和后屈曲时的应力。通过一些算例与文献结果的对比,表明本程序系统能够满足工程上的精度要求。并且,通过对实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算,表明本程序系统也可用于飞机工程复杂结构的分析。     

复合材料飞机动力学建模研究

在进行复合材料飞机气动弹性、动响应等分析时,需要进行飞机结构动力学建模.为此,基于经典层合板理论进行了复合材料刚度的等效计算,结合结构力学闭剖面理论分析了飞机剖面的弯曲、扭转刚度特性,并根据刚度分布建立了全复合材料飞机的动力学单梁模型.与地面共振试验结果的对比表明,复合材料飞机动力学单梁模型是有效的,且相对板壳模型更接近试验结果.建模方法对复合材料飞机结构设计具有指导意义.     

基于ABAQUS的疲劳裂纹扩展程序二次开发及应用

基于ABAQUS有限元软件平台,应用它的脚本接口二次开发出一套可以用于自动计算疲劳裂纹扩展的程序包。该程序包可以实现参数化有限元建模、访问输出数据库及进行其他后处理,从而避免重复建模及分析结果,显著提高分析效率。最后,运用该程序包模拟了飞机中常用的整体壁板疲劳裂纹扩展轨迹并分析了筋条刚度对裂纹扩展速率的影响。     

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。