固体火箭发动机纤维缠绕壳体承载能力研究

为解决某型固体火箭发动机复合材料壳体承载轴压与弯矩能力不足问题,依据原壳体实体及其在轴压与弯矩联合载荷作用下的静力试验,建立了该壳体的有限元数学模型,并进行了静力计算和稳定性分析。计算分析表明,原壳体破坏的原因是层间剪切强度失效,复合材料基体开裂,局部屈曲和后屈曲破坏发生在铝裙尖端部位。提出用S-2玻璃纤维代替F12纤维做为裙外铺层改进原壳体结构,有效地约束了屈曲波形,提高了结构承载能力,解决了工程难题。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

航天器复合材料结构的渐进损伤分析

复合材料结构渐进损伤分析是获取复合材料结构极限承载能力、实现基于可靠性的结构定量设计、评估长寿命航天器损伤容限和耐久性的有效方法。文章介绍了复合材料渐进损伤分析的基本原理与方法、用于分层分析的内聚力模型及相应的强度判据和断裂判据,通过典型的用于表征损伤容限的开孔压缩算例,实现了复合材料层内失效和层间分层失效的渐进损伤分析,分析得到的破坏形貌和极限承载能力与试验值吻合良好。     

破片速度对碳纤维层合板冲击损伤的影响

为提升战斗部破片对航空复合材料结构的毁伤效果,采用空气炮冲击、数值仿真、战斗部静爆试验等手段,研究了层合板冲击损伤类型和分层面积随破片速度的变化规律,并分析了损伤机理。研究表明:层合板冲击损伤类型、机理和程度,与破片速度和层合板冲击临界速度(即冲击物穿透层合板的最小速度)的相对大小有关。在本文试验速度范围内,当破片速度小于层合板冲击临界速度时,造成背面裂缝型损伤,分层面积随破片速度增大而增大;当破片速度略大于层合板冲击临界速度时,造成背面炸裂型损伤,分层损伤范围最大;而更高的破片速度则造成切孔型损伤,分层损伤面积随破片速度的增大而减小,并趋近于切孔面积。为提高对复合材料结构的毁伤效果,应使破片着靶速度略大于层合板的冲击临界速度。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成，设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件，并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后，选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测，并将预测结果与试验结果进行比较，结果表明：采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法，15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3％；4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4％；预测的失效形式与试验结果接近，为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

树脂基复合材料壳体固化降温过程的热力耦合分析

以树脂基复合材料壳体固化工艺过程为基础,对复合材料壳体的固化降温过程进行了热力耦合仿真计算,采用实体单元建立纤维缠绕壳体的数值分析模型,对壳体固化降温过程模型内部的温度场、轴向位移、应力进行了分析。结果表明,复合材料壳体和绝热层在固化降温过程中温度不断降低,芯模、空腔、芯轴的的温度先升高后降低,固化降温一段时间后,模型内部不同位置的温差趋于稳定;复合材料壳体在降温过程中沿轴向向外膨胀,前封头与后封头极孔处的轴向位移分别为6.5 mm和4.3 mm,芯模和芯轴沿轴向收缩,通过比对,位移仿真结果与实测数据一致性较好;复合材料壳体应力随固化降温时间的增加不断增大,筒段中部裙内缠绕层之间的层间剪应力大于裙外层间剪应力的值,裙连接段处裙外层间剪应力大于筒段中部层间剪应力的值。     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

带有典型缺陷的金属蜂窝夹层结构的共面力学性能研究

通过对薄壁高温合金蜂窝夹层结构XY面内进行拉伸、压缩宏观实验,并观测不同载荷形式下带有不同类型缺陷的试件的破坏模式和性能曲线,得到了结构在拉伸和压缩载荷下不同的破坏机理及不同缺陷对其力学性能的影响。研究结果表明,结构在XY面内拉伸时断裂均发生于缺陷附近区域且由缺陷尖端处开始扩展;而在XY面内压缩载荷作用下的失效模式主要分为结构屈曲和局部失稳,失效部位多发生在缺陷所在水平区域。结构屈曲为理想破坏模式,局部失稳导致结构抗压强度偏低。所获结论为结构的服役可靠性及其损伤容限体系的建立奠定了必要的实验基础。     

透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂轴压屈曲分析及试验

对透镜式截面四层铺设薄壁碳纤维增强塑料(CFRP)管空间伸展臂进行轴压载荷试验,得到轴压临界屈曲载荷及屈曲特性。利用有限元模型进行线性特征值屈曲分析,并引入屈曲模态形式作为初始几何缺陷进行非线性屈曲分析,得到轴压下屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明初始几何缺陷对CFRP管轴压临界载荷影响较大,给CFRP管加入适当的几何缺陷可更有效模拟实际非完善体的屈曲载荷。进而对其材料厚度、层数和铺设角度进行参数分析,得到各参数对轴压临界载荷的影响程度及敏感性,本文对透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂的设计和深入研究具有重要参考价值。     

轴压载荷作用下全复合材料裙与壳体搭接区的结构分析

对轴压载荷作用下固体火箭发动机复合材料裙与壳体搭接区的受力变形情况及承载能力进行了有限元分析,应用板壳理论对搭接区进行了分析,证明有限元计算结果合理可信;对裙搭接长度在40~60 mm范围内进行了寻优计算。结果说明,搭接区裙外铺层是搭接区最薄弱的环节;影响搭接区承载能力的主要结构因素有裙尖厚度、裙外铺层厚度、直段橡胶长度;随裙搭接长度的增大,搭接区承载能力呈现先增大后减小的趋势,存在搭接区承载能力的极大值。该分析方法和结果可供搭接区分析设计参考。     

水分对碳－环氧复合材料Ⅱ型分层韧性的影响

通过研究不同湿热条件下Ｔ３００／９１４Ｃ和Ｔ３００／Ｍ１０两种复合材料的玻璃化转变温度、层间剪切强度和分层断口形貌，分析了水分影响复合材料Ⅱ型分层韧性的机理。结果表明，水分对强界面和弱界面基体体系的作用机理不同，对两类复合材料的分层韧性也有不同的影响。对强界面纤维－基体体系，水分的增塑作用使得其分层韧性增强，而对弱界面体系这种韧性降低。而水分的溶胀作用对两类复合材料的分层韧性都不利。     

基于ABAQUS的复合材料网格筒分层破坏分析

复合材料网格筒结构由于极优的高比强度及比刚度特性,在运载火箭、飞机、卫星等航空航天结构中得到广泛应用。采用ABAQUS对复合材料网格筒结构进行精细化建模,详细分析了复合材料网格筒中的应力分布、分层破坏形式,研究了网格分层破坏出现的位置及对其整体刚度的影响。对网格筒桁条交界处的应力进行详细分析,研究了工艺缺陷对其破坏模式的影响。根据整体分析结果及局部分析结果,设计了承载能力为3500kN,质量为30kg的复合材料网格筒结构。研究成果将为复合材料结构网格筒的分析及设计提供参考。     

复合材料层合板的可靠性分析方法

基于复合材料层合板的一阶横向剪切变形理论,提出了同时考虑层合板面内和分层破坏的可靠性分析方法。该方法考虑了层间应力对层合板分层的影响,结合Tsai-Hill理论和层合板分层判据,给出了安全余量的表达形式,并考虑了各失效模式之间的相关性。在失效分析过程中,采用蔡氏所提出的刚度退化规律进行刚阵的减缩;利用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析,结合改进的一次二阶矩法求解可靠性指标;用改进的分枝限界法寻找主要失效路径;用PNET法计算系统失效概率。计算表明,当考虑分层失效时结构系统失效概率有所增加,这是符合工程实际情况的。因此,设计过程中考虑分层失效是必要的。     

复合材料脱层屈曲的摄动解

用摄动法求解了３Ｄ复合材料中有纤维搭桥的圆形脱层的屈曲问题。搭桥纤维被视为连续分布于脱层屈曲上的线性弹簧，给出了脱层屈曲介载荷，挠度曲线与脱层半径、塔桥因子等的封闭关系式。根据支夹支－边界条件以及脱层只能向一个方向挠曲的约束条件，导出了一个特征长度α＾３，当脱导出α＾＊时，支屈曲时将发生靠近边界区域的接触现象，当脱导 地α＾＊时，地 曲将跨越整个支区域，并随着半径的减小，脱层屈曲的临界载荷将逐渐提     

航天器冲击防护用热塑性仿生复合材料的弯曲性能研究

模仿自然界中甲壳类动物外骨骼内的螺旋铺层微结构,采用3D打印制备得到螺旋铺层仿生复合材料,分析其在三点弯曲载荷下的力学性能并与工程中常见的准各向同性复合材料进行对比。实验结果显示:仿生复合材料的弯曲性能及失效形式明显区别于传统铺层方案,在弯曲载荷下不易产生分层,结构可在受损伤条件下较长阶段内保持一定的承载能力。结合裂纹扩展过程中对裂纹形貌的显微观察,进一步揭示了该仿生复合材料强韧性的机理。研究结果可为该种仿生复合材料的工程应用提供参考。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头拉伸失效实验

对炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头的拉伸失效损伤进行了实验研究,分析了搭接长度、粘接体厚度、胶层缺陷、层合板铺层方式对失效载荷、接头强度和失效模式的影响。实验结果表明,失效载荷随着搭接长度的增加而增大,接头强度随着搭接长度的增加而减小;粘接体厚度增大2倍时,接头强度与粘接体厚度并不成正比关系。在胶层内设置微小缺陷对接头强度影响较小,随着搭接长度的增加,影响变得越来越小;增加层合板单向纤维的铺层数,可提高接头的失效载荷和接头强度;各类型试件主要的失效模式为分层失效,有时并伴随有胶层失效和纤维撕裂现象。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。