基于Miura折纸的蜂窝材料共面缓冲性能研究

针对当前铝蜂窝材料在共面缓冲性能方面的不足,基于已有的内凹六边形蜂窝和Miura折纸单元,提出了一种改进型内凹六边形蜂窝材料。利用有限元软件,建立了3种有限元模型并进行了共面和异面方向的准静态压缩模拟,获得了3种模型在2种工况条件下的变形模式和表征缓冲性能的平台应力值。基于所提蜂窝材料,设计了一种折纸型二级缓冲结构并进行了有限元分析。分析表明,提出的改进型内凹六边形蜂窝具有三维负泊松比特性,该性能使蜂窝在共面压缩时具有更高的平台应力;二级缓冲结构满足飞行器在正常着陆工况和特殊严苛着陆工况的不同缓冲性能要求。     

复合材料编织带平面承力层结构有限元模型

为准确地对编织式复合材料编织带所构成的承力层进行仿真模拟,基于编织带的力学特点,建立了薄膜单元与混合单元2种具有不同承力性能的编织带壳单元接触模型,以模拟平面柔性编织带承力层的应力与变形,对比分析了在常规压力载荷作用下,有限元模型选择对承力层应力与变形的影响。结果表明,相互交错布置的编织带承力层,在局部均匀压力载荷作用下,因相互之间的接触而使编织带呈现特殊的力学特性;承力层有限元模型只考虑薄膜应力会过高估计编织带的承载能力,混合单元有限元模型可更真实地模拟编织带承力层结构的力学特性。     

几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元

 为了方便合适地选取单元进行工程分析,本文基于开放式结构有限元分析系统SiPESC.FEMS,提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元程序计算框架。此框架利用组合的方法,考虑平面壳单元中板、膜单元之间的关系以及程序编制过程中的重用性、灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的复合材料层合板壳单元。本框架具有一定的通用性和可扩展性,能够处理复杂荷载、边界条件及三维空间不同材料铺设方向的层合板壳的结构分析问题。基于此方法实现了5种复合材料层合板壳单元,通过数值算例分析对比讨论各单元性能,显示了本框架具有简单实用等特点以及采用组合方法构造单元的优势。     

基于热载荷和索张力的平面薄膜边界形状优化

针对平面薄膜相控阵天线受器件热以及边界索张力不确定的影响,提出一种平面薄膜相控阵天线边界形状优化方法。首先,考虑到天线单元的热效应,建立了平面薄膜天线热-结构有限元分析模型。其次,在确定范围内的任意索张力组合下,将薄膜边界形状视为3次B样条曲线,以曲线控制点位移为设计变量建立平面薄膜天线优化模型,通过优化实际结构索膜应力与参考应力偏差,实现对薄膜边界形状的优化。最后,通过数值模拟验证了该方法的有效性。与目前薄膜天线边界形状相比,该方法可实现任意曲线形状优化。     

沉积参数对磁控溅射镀金膜膜层残余应力与微观形貌的影响

残余应力直接影响镀膜膜层的稳定性与可靠性。为减小薄膜的残余应力,提高镀膜膜层的可靠性,在不同溅射气压、不同镀膜温度条件下,在熔融石英基底上进行了直流磁控溅射镀金膜试验。通过基片曲率法得到薄膜的残余应力,采用激光平面干涉仪对基片的形变进行测试,对不同工艺参数下膜层的残余应力进行分析,并采用扫描电镜对膜层的表面形貌进行测试。通过试验可知,磁控溅射镀膜膜层的残余应力随镀膜温度的升高而升高,在一定工作气压范围内（0.2Pa~0.6Pa)随溅射气压的增加而降低。电镜测试结果表明,常温镀膜晶粒的尺寸约为30nm,180℃镀膜晶粒的尺寸增长至近100nm。镀膜温度越高,薄膜的微观结构越致密。     

矩形薄膜和充气管的屈曲及后屈曲行为分析

 对矩形薄膜及充气管的屈曲及后屈曲过程进行了分析。首先基于矩形薄膜褶皱区域的应力平衡关系,得到了矩形剪切薄膜褶皱的波长及幅度的表达式,并考虑了微小的初始张力的作用。基于稳定性理论建立了薄膜褶皱的数值分析方法,通过实验的方法对分析结果进行了验证。分析表明矩形剪切薄膜的屈曲过程是分枝点平衡问题。对于充气管的分析是基于张力场理论建立了其扭转临界扭矩的表达式,并与数值分析的结果进行了对比分析,分析表明充气管的屈曲过程是极值点平衡问题。通过对比分析,两种结构形式的分析结果与数值分析的结果基本符合。建立的分析方法能够有效地进行薄膜结构的屈曲及后屈曲过程的分析。     

复合阻尼结构梁动力特性分析

提出一种基于Layerwise层合理论的复合阻尼结构梁单元用于计算嵌入多阻尼层的复合阻尼结构梁。通过与NASTRAN软件的计算结果进行对比，证明该梁单元满足层间位移、应力连续条件并避免了剪切自锁，并且具有单元数量和节点数量少、计算精度高的优点。     

FL-9低速增压风洞主体结构有限元分析与气压试验

FL-9低速增压风洞是“十五”国家批准建设的大型航空基础设施，笔者简要介绍了该风洞基于有限元方法的应力、变形和模态分析，并与风洞气压试验结果进行了对比。结果表明：有限元计算中所采用的单元类型、模型简化、边界约束等处理方法合理可行，应力计算值与实测值比较一致，最大薄膜应力为147．6MPa，低于许用值42．1％，风洞结构具有较大的安全裕度。风洞的前六阶模态分析为风洞安全运行提供了参考依据。     

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

薄膜应力测量方法及影响因素研究进展

随着薄膜电子器件的尺寸不断减小,薄膜应力成为薄膜器件失效的重要原因。薄膜应力不仅影响薄膜结构而且与薄膜光学、电学、力学等性质相关,因此,薄膜应力逐渐成为薄膜材料研究领域的热点之一。本文综述了薄膜应力的最新研究进展,对比分析了基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等常见的薄膜应力检测方法,概括了薄膜成分比例、基底类型、磁控溅射工艺参数(溅射功率、工作压力、基底温度)和退火等影响薄膜应力的因素。发现基底曲率法适合测量绝大部分薄膜材料,而X射线衍射法、拉曼光谱法只适合测量具有特征峰的材料,纳米压痕法需与无应力样品作对比实验。在薄膜制备和退火过程中,薄膜应力一般发生压应力和张应力的转化,且多个工艺参数共同影响薄膜应力,适当调节参数可使薄膜应力达到最小值甚至无应力状态。最后,结合薄膜应力当前的研究现状提出了未来可能的研究方向,即寻找不同材料体系薄膜应力的精确测量方法以及薄膜应力检测过程中面临的检测范围问题。     

Topology optimization of turbine disk considering maximum stress prediction and constraints

For the stress-constrained topology optimization of a turbine disk under centrifugal loads, the jagged boundaries of the mesh and the gray densities on the solid/void interfaces could make the calculated stress field inconsistent with the actual value. It may result in overestimating the maximum stress and thus affect the effectiveness of stress constraints. This paper proposes a new method for predicting the maximum stress to overcome the difficulty. In the process, a predicted density is newly defined to obtain stable boundaries with thin layers of gray elements, a transition factor is innovatively proposed to evaluate the effects of intermediate-density elements, two different stiffness penalty schemes are flexibly used to calculate the elastic modulus of elements, and a linear stress penalty is further adopted to relax the stress field of the structure. The proposed approach for predicting the maximum stress value is verified by the analysis of a structure with smooth boundaries and the topology optimization of a turbine disk. An updating scheme of the stress constraint in the topology optimization is also developed using the predicted maximum stress. Some key ingredients affecting the optimization results are discussed in detail. The results prove the effectiveness and efficacy of the proposed maximum stress prediction and developed stress constraint methods.     

Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析

给出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构.为研究Rainbow型压电单膜片换能结构材料、尺寸参数、负载电阻对其输出功率的影响,根据压电材料的机电耦合方程和弹性力学理论,建立了Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压及输出功率的理论模型.对所建理论模型进行了数值计算和验证测试,理论计算结果及测试结果具有较好的一致性,...     

复合材料层压板稳态湿度场及应力场分析

1.前言 复合材料湿热效应问题一直困惑着设计人员。60年代末到70年代中期,发表大量有关复合材料湿热效应的文献。近年来仍有不少这方面的研究资料,但具有工程实用价值的资料不多见。本文提供的复合材料层压板稳态湿度场及应力场分析方法,向工程实用化迈出了可喜的一步。     

真实爆震载荷作用下爆震室动态响应分析与壁厚优化

针对一内径为60mm的爆震室,建立其有限元模型并通过加载实验获取真实爆震载荷,计算分析了多循环工作条件下不同因素对爆震室等效应力的影响,并以此为基础对等壁厚爆震室进行了壁厚优化.研究发现:爆震室后段的等效应力峰值较前段平均高出20MPa;温度因素对爆震室等效应变影响显著,30Hz时最大等效应变较不考虑温度场情况增加51.2%;与材料、温度因素相比,爆震室壁厚对等效应力影响较大,室温条件下,壁厚为0.95mm时,最大等效应力达200MPa,已经基本达到材料的屈服应力极限(205MPa);通过更换模型材料进行计算对比发现,选择具有较高屈服应力极限、弹性模量和较低密度的材料会降低爆震室工作时的等效应力.      

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

Research on the Plane Multiple Cracks Stress Intensity Factors Based on Stochastic Finite Element Method

Taylor stochastic finite element method (SFEM) is applied to analyze the uncertainty of plane multiple cracks stress intensity factors (SIFs) considering the uncertainties of material properties, crack length, and load. The stochastic finite element model of plane multiple cracks are presented. In this model, crack tips are meshed with six-node triangular quarter-point elements; and other area is meshed with six-node triangular elements. The partial derivatives of displacement and stiffness matrix with respect to all the random variables obtained by Taylor SFEM are derived. Meanwhile, the mean and variance expressions of SIF under uncertain factors are also derived. Parallel double-crack illustrative example of using the proposed method is given. The calculation results indicate that the uncertainty of SIF is influenced by the distance of the cracks, the smaller the distance of cracks is, the greater the SIF uncertainty is, and the uncertainties of material elastic modulus, load and crack length markedly affect the uncertainty of SIF; and the Poisson ratio of material has little influence. Among the variables, the elastic modulus has the greatest effect on SIF uncertainty. The next is external load. The crack length has lower effect on SIF uncertainty than both the elastic modulus and external load.     

Thermal protection mechanism of heat pipe in leading edge under hypersonic conditions

Sharp local structure, like the leading edge of hypersonic aircraft, confronts a severe aerodynamic heating environment at a Mach number greater than 5. To eliminate the danger of a material failure, a semi-active thermal protection system is proposed by integrating a metallic heat pipe into the structure of the leading edge. An analytical heat-balance model is established from traditional aerodynamic theories, and then thermal and mechanical characteristics of the structure are studied at Mach number 6–8 for three refractory alloys, Inconel 625, C-103, and T-111. The feasibility of this simple analytical method as an initial design tool for hypersonic aircraft is assessed through numerical simulations using a finite element method. The results indicate that both the isothermal and the maximum temperatures fall but the von Mises stress increases with a longer design length of the leading edge. These two temperatures and the stress rise remarkably at a higher Mach number. Under all investigated hypersonic conditions, with a 3 mm leading edge radius and a0.15 m design length, the maximum stress exceeds the yield strength of Inconel 625 at Mach numbers greater than 6, which means a material failure. Moreover, both C-103 and T-111 meet all requirements at Mach number 6–8.     

固体推进剂动态储能模量主曲线计算应力松弛模量

基于一维线性粘弹性理论中动态储能模量与应力松弛模量的关系,导出了一种利用动态储能模量主曲线计算固体推进剂修正应力松弛模量的方法。通过两类固体推进剂修正应力松弛模量与实测应力松弛模量主曲线对比发现:虽然计算值大大高于实测值,但二者的比例系数随时间单调递减。根据这种关系,利用固体推进剂动态储能模量主曲线可以计算一定时间内的应力松弛模量。最后,对该方法在发动机药柱应力松弛模量监测中的应用进行了初步探讨。     

基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正

为了研究具有复杂接触界面拉杆转子系统的动力学特性,发展了基于薄层单元的拉杆转子接触界面动力学建模及修正方法。采用线性本构关系的薄层单元模拟转子部件的复杂接触关系,基于模态试验数据,运用分层模型修正方法对预紧状态下拉杆转子部件接触面的连接刚度进行识别,通过识别的薄层连接参数建立拉杆转子动力学预测模型。将拉杆转子动力学预测模型的结果与试验数据进行对比分析,结果表明:采用线性本构关系薄层单元能够模拟拉杆预紧状态下接触界面的力学特性,修改薄层单元弹性模量能够模拟接触界面的法向刚度和切向刚度;修正后转子模型与测试结果的最大频率误差为0.6%,平均频率相对误差为0.25%,修正后模型能预测实际结构的振动响应。      

带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的有限元计算分析

主要对带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的三维应力进行计算分析。通过计算分析发现 ,带孔复合材料板在受单向拉伸时 ,在相同载荷 (面应力 )作用下 ,复合材料板的厚度对板的强度影响不大 ,随着厚度的增加 ,板上最大应力值变化不大 ;对于带孔板而言 ,孔的形状对孔周边应力集中程度影响比较大 ,孔为椭圆孔 ,并且长轴方向与载荷方向平行时 ,孔边应力集中程度比较小 ;而当椭圆的短轴与载荷方向平行时 ,应力集中程度最大 ;孔为圆孔时 ,应力集中程度介于上面两种形状之间。对于多孔复合材料板计算发现 ,多孔板在受拉作用下 ,各个孔周围应力分布与孔的位置有关 ,在距离板边沿越近的孔 ,其周围最大等效应力值越大 ;对螺栓连接板而言 ,螺栓的材料参数对板的应力分布影响不大 ,板上最大应力都位于孔的右端稍偏下位置 ;螺栓连接复合材料板在相同的载荷作用下 ,板上最大等效应力值随螺栓的弹性模量的增大也相应增大