复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

基于CDM-CZM的复合材料补片补强参数分析

 复合材料开口补强设计参数的确定对于结构设计具有重要的意义。针对复合材料层合板开口区补片补强结构,采用各向异性材料连续介质损伤力学模型(CDM)对复合材料层合板的损伤演化进行描述,采用粘聚区模型(CZM)对补片与母板间界面材料的分层损伤进行模拟,建立了复合材料开口区补片补强结构三维非线性渐进损伤模型,模型可预测补强结构强度和损伤演化过程。应用本文模型分析了补片铺层方式、补片厚度和补片半径3个主要设计参数对补强效果的影响,明确了补片与母板间界面材料分层损伤破坏是导致补强结构最终失效的主要原因。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

基于损伤力学预估点蚀疲劳寿命有限元法

飞机使用环境谱的不断变化会对机体结构造成腐蚀损伤,工程上难以在外场环境下进行实时损伤检测与疲劳性能试验。点蚀作为腐蚀的初始阶段,危害性大,部位也难以预测。采用损伤力学和有限元相结合的方法,以材料疲劳S-N数据为基础,将点蚀损伤认为是一种初始缺陷,建立基于损伤力学假设的点蚀损伤疲劳寿命预估方法,并提出一种改进型损伤参数反演方法。对点蚀疲劳失效过程进行数值模拟,模拟结果与试验结果吻合,证明该方法应用于金属材料点蚀疲劳问题中是合理的、可行的,为后续实际预腐蚀损伤疲劳研究奠定了基础。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。     

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

直升机在机动状态下的桨叶弹击数值模拟

为了研究直升机旋翼桨叶在机动状态下的弹击损伤，在数模模拟中，预先考虑了桨叶在机动状态下的拉力、挥舞力矩、摆振力矩对弹击损伤的影响。针对某型机旋翼桨叶，采用全尺寸有限元模型进行了弹击数值模拟分析。首先使用自编Fortran程序和VABS软件计算了桨叶剖面特性；之后建立了弹性桨叶结构载荷分析模型，采用CAMRIDII软件计算了机动状态下的桨叶载荷；在此基础上，使用NASTRAN软件对桨叶进行瞬态分析，得到桨叶施加载荷的预应力状态；再使用DYTRAN软件，基于自适应接触法，模拟桨叶弹击损伤。研究表明：桨叶结构损伤程度与弹击速度是非线性关系；除了弹击点，大梁与上下蒙皮的过渡区域是二次损伤部位；桨叶抗弹击设计需要考虑结构件之间的刚度匹配问题，以达到最佳的抗弹击吸能效果与最小损伤面积。     

基于特征曲线法的CFRP干涉连接结构损伤萌生及扩展分析

干涉连接是航空复合材料结构件的主要连接方式,然而不恰当的干涉量会导致孔周围区域产生损伤,从而严重影响整个连接结构的静强度和疲劳强度。分析了干涉连接过程连接板的受力形式,建立了基于干涉量的孔边应力分布模型。在此基础上,结合Yamada准则建立了孔边损伤萌生模型,利用特征曲线法界定了材料损伤区域传播的极限位置;其次,针对CFRP材料(碳纤维增强复合材料)的特点,利用ABAQUS软件对干涉连接过程损伤的萌生及扩展进行仿真模拟;最后,对不同孔径不同干涉量条件下的损伤萌生和损伤扩展结果进行对比分析,验证了损伤萌生模型的准确性。     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

Unmanned aerial vehicle strike on a flat plate: Tests and numerical simulations

The incursion of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) into airports often occurs due to the popularity of drones, which may lead to a threat to aircraft flight safety. Therefore, estimating the dynamic impact load caused by drone strikes is essential. This paper proposes a test method with high precision and low cost involving launching of a UAV to impact a flat plate specimen by using an air gun. The test results of UAVs impacting flat plates at different impact velocities, such as the UAV damage deformation captured by a high-speed camera and strain vs time dynamic response curves of plates, were obtained and analysed. At the same time, a corresponding numerical simulation was carried out by using the explicit finite element software LS-DYNA. The predicted damage to the UAV and strain on the flat plate during the strike process were compared with the test results. The overall trend of the simulation results is in good agreement with the test results, at least for the first three milliseconds of the event. This shows that the numerical simulation model established in this paper is reasonable. The UAV numerical method established in the present paper can be used to carry out numerical simulations and evaluations of the collision safety of UAVs against large aircraft and high-value ground targets. The results show that the local deformation of the impacted target is uneven due to the distribution of concentrated mass components such as motors, battery, and camera. As the impact velocity of the UAV increases, all parts of the UAV are seriously damaged and basically in a fragmented state, and the battery is greatly deformed. The interaction between the UAV and the flat plate specimen is approximately 2.7 ms, and the UAV numerical simulation model established in this paper can well simulate the real UAV impact process.     

基于损伤权重的混合多钉连接件疲劳寿命预测方法

复合材料与金属材料混合多钉连接形式是当代飞机结构中最常见的连接形式,因此对于混合多钉连接件疲劳性能的研究有助于提高对飞机结构疲劳损伤的认知。针对以Ti-6Al-4V钛合金为螺栓的ZT7H/QY9611碳纤维增强树脂基复合材料连接板与30CrMnSiNi2A金属连接板混合多钉连接结构进行数值分析和试验研究。利用有限元方法,分别对复合材料和紧固件进行疲劳损伤预测,估算复合材料连接板上螺栓孔附近的损伤,依据复合材料和紧固件的损伤量所占权重,提出了以紧固件分布和复合材料连接板铺层层数为参数的经验公式,进而有效提高混合多钉连接结构疲劳寿命的预测精度。利用试验结果将螺栓孔损伤形式进行分类讨论,探索混合多钉连接件的损伤演化方式;利用C扫描技术得到复合材料分层损伤结果,与模拟结果进行对比分析,进一步解释了模型的合理性。与试验结果对比可以看到,考虑损伤权重的寿命预测值与试验值的对数误差仅为1.1%,相对于不考虑损伤权重方法的8.4%的对数误差,该模型寿命预测精度显著提高。     

压气机引气系统典型减涡器减阻特性对比分析

为对用于压气机引气系统的典型减涡器结构的减阻特性进行对比,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对带三种典型减涡器的径向内流共转盘腔模型开展研究,并与无减涡器共转盘腔基准模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,分析了各模型流场结构、速度分布、哥氏力分布和压力损失特性,对典型减涡器的减阻特性有了更深入的认识。结果表明：虽然三种典型减涡器结构差异较大,通过布置不同结构的减涡器,降低或抑制了共转盘腔内旋流比的增长速度和幅度,显著降低了压气机引气系统径向内流共转盘腔的压力损失,获得相近的减阻效果。与基准模型相比,在计算模型进出口截面间,去旋喷嘴式减涡器模型压力损失降低了73.4%;管式减涡器模型压力损失降低了80.7%,翅片式减涡器模型压力损失降低了84.5%。     

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

复合固体推进剂细观损伤扫描电镜实验及数值模拟

对复合固体推进剂进行单向拉伸载荷条件下的原位扫描电镜观察实验,分析其受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。基于原位电镜图片,运用数字图像处理技术提取推进剂细观形貌,建立了推进剂椭圆形颗粒填充模型,对受载条件下颗粒与基体之间的脱粘行为进行数值模拟。研究表明,数值分析结果能反映推进剂受载条件下的细观损伤发生及扩展特性。     

民机机头复合材料风挡结构鸟撞分析

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡结构撞击相对速度很大,呈现出流体特性,属于典型的流固耦合瞬态冲击动力学问题。首先针对文献中的鸟撞铝板试验采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法进行了分析,对计算方法与鸟体模型进行了验证。然后建立了包括风挡玻璃、风挡骨架以及蒙皮在内的民机全尺寸风挡结构抗鸟撞动响应分析的有限元模型,进行了鸟撞数值模拟,其中风挡骨架与蒙皮采用复合材料。全尺寸的复合材料风挡骨架目前还没有应用到民机上,因此,对复合材料风挡结构的研究是很有意义的。