复合材料翼盒弯扭耦合效应的研究

通过对翼盒弯扭耦合本构方程的研究,介绍了弯扭耦合系数的概念及数学表达式,分析了复合材料铺层的偏转角和铺向角对弯扭耦合效应的影响,并可以得到出现最大弯扭耦合效应时铺层结构的偏转角和铺向角.应用ANSYS软件对复合材料翼盒结构进行有限元的数值仿真.结果表明,得到的偏转角和铺向角的理论解与数值解具有良好的一致性.     

基于精确参数化定义的复合材料桨叶剖面 扭转刚度计算

在系统地对桨叶结构设计流程、结构分析计算方法进行研究的基础上,通过对桨叶组件参数化定义及桨叶铺层三维几何建模方法的扩展,自动获得各桨叶剖面相关组件的几何和材料信息,并基于闭口薄壁梁理论,给出了复合材料桨叶剖面扭转刚度的高效计算方法.该方法一方面充分考虑了复合材料蒙皮铺层的复杂结构以及梁、肋等组件的细节几何模型,避免了三维几何模型简化误差;另一方面,提出了铺层块、等效厚度以及长厚比概念,并采用解析表达,将模型几何解构完全集成于桨叶设计过程自动完成,十分便于工程应用.实例验证表明:提出的方法能够快速、可靠地完成桨叶剖面扭转刚度计算,显著提高设计分析效率.      

复合材料弯扭耦合机翼结构分析模型研究进展

本文将复合材料弯扭耦合机翼结构分析模型分为二维板模型和薄壁梁模型,对复合材料弯扭耦合机翼结构分析模型进行了系统回顾和综述,对比分析了其优缺点,并总结了相关研究方法和成果.     

大展弦比复合材料机翼失速颤振分析

研究了大展弦比复合材料机翼在较大迎角状态下的失速颤振特性,探讨了结构几何非线性和由复合材料剪裁产生的刚度耦合效果对机翼失速颤振特性的影响.首先,将复合材料机翼建模为转角和位移均可为有限值的非线性薄壁单闭室截面Euler梁,并在综合考虑结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响的基础上,建立机翼的运动微分方程.然后,使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程,采用ONERA半经验的非定常失速气动力模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性失速颤振分析方程.最后,利用谐波平衡法求解并判定机翼颤振稳定性.通过算例,首先验证了算法的正确性,然后研究了几何非线性对失速颤振的影响,并讨论不同的复合材料铺层方式导致机翼失速特性的改变.     

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.     

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。     

1-3型压电纤维主动薄壁梁扭转特性

从薄壁梁理论出发,在考虑扭转翘曲影响的情况下,推导了1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁的几何方程、本构方程和静力学控制方程。在此基础上,采用该理论分析了4类典型铺层方式的主动薄壁梁在控制电压作用下产生的主动力和变形模式。分析指出,采用适当的铺层方式,可以使得1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有主动扭转能力,特别是纯扭转能力。算例同时分析了主动薄壁梁主动扭转能力随压电纤维的体积比、铺层角、外界电场强度以及薄壁梁的长度等因素的变化规律。算例结果表明,本文分析方法具有较好的精度,1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有良好的主动扭转特性,这将大大扩大主动结构的自由度控制范围,特别是扭转自由度的控制范围。     

复合材料连接结构刚度匹配性研究

复合材料蒙皮通过框梁提高结构强刚度,框梁与蒙皮之间存在附加载荷,该载荷会引起结构失效。而结构刚度匹配性设计,可减小连接载荷,本文对某复合材料蒙皮与金属框连接典型结构进行了分析,并对金属框截面尺寸、复合材料铺层角度进行了优化,使连接载荷随复合材料刚度增加而减小,复合材料安全裕度呈抛物线变化。     

基于自由尾迹方法的复合材料无铰式旋翼气弹稳定性分析

基于有限元理论及自由尾迹方法,建立了一套适用于各向异性复合材料无铰式旋翼的气弹稳定性分析方法.为了模拟复合材料旋翼气弹特性,截面特性参数采用二维线性有限元方法分析得到,展向一维梁则采用考虑剪切变形的23自由度非线性梁单元模拟,并将自由尾迹分析模型用于计算旋翼非均匀诱导速度场,基于升力线模型构建了一个高效且较为精细的气动分析模块.在此基础上开展了无铰式旋翼气弹稳定性分析,算例计算及验证表明建立的模型能有效地用于复合材料旋翼非定常气动载荷预估及进行气弹稳定性分析.最后细致分析并获得了复合材料铺层角对无铰式旋翼气弹稳定性参数的影响规律,结果表明:算例在小拉力系数(0.0025)下,截面竖直铺层角在10°到25°会发生气弹稳定性问题,这在真实型号设计中应当注意避免.      

考虑非线性扭转影响的薄壁梁翘曲特性分析

 考虑翘曲和大扭角变形的影响,研究薄壁梁结构轴向与扭转非线性耦合弹性变形问题。忽略高阶非线性的影响,结合升阶谱有限元方法,形成对称的非线性几何矩阵,从而建立一个稳定的非线性方程数值解模型。针对矩形截面薄壁梁结构,通过与线性结果对比,分析非线性对截面翘曲正应力、自由端转角的影响。     

复合材料加筋圆柱壳稳定性的非线性有限元分析

 本文应用全拉格朗日列式法,对具有纵、横向加筋的叠层圆柱壳进行了非线性有限元稳定性理论公式的推导及求解过程的探讨。文中应用Sander's壳体理论的几何非线性及横向剪切,推导了矩形壳元及与该壳元变形相协调的直梁元与曲梁元的刚度矩阵,编制了FORTRAN计算程序。计算了柱、曲拱、曲壳拱,碳纤维加筋圆柱壳均匀轴压下的前后屈曲。也可用于计算加筋筒壳的弯曲、压-弯及外压等情况。     

大展弦比复合材料机翼的非线性颤振分析

大展弦比机翼在气动力作用下产生较大变形,颤振速度和颤振频率随之发生明显变化,线性理论难以获得比较合理的解答。综合考虑了结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响,将复合材料机翼建模为非线性薄壁单闭室截面梁,建立机翼的运动方程,并使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程。采用Theodorsen非定常气动理论构建气动模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性颤振方程,并利用v-g法判定机翼颤振稳定性。通过算例演示了一些非线性颤振的特点,讨论了铺层角、展弦比、机翼线密度等参数对颤振速度的影响,并与线性理论得到的结果进行对比。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

大展弦比复合材料机翼结构建模与气动弹性分析

建立了具有任意截面形状的大展弦比复合材料翼的结构模型。研究了机翼的两种铺设方式：即周向均匀刚度配置（CUS）和周向反对称刚度配置（CAS）。对于复合箱梁情形,目前的结构建模方法正确性通过ANSYS有限单元软件得到了验证。为了研究具有NACA0012翼型的大展弦比复合材料机翼的气动弹性问题,利用线性ONERA空气动力模型来描述小攻角情形下的非定常空气动力载荷。最后,利用U—g法预示了机翼在各种复合层铺设角度下的颤振速度。     

蜂窝填充薄壁盒式梁的约束扭转

在刚性剖面假设的基础上分析具有蜂窝芯材薄壁盒式梁约束扭转问题。应用分离变量法,建立并求解了两个常微分支配方程。边界条件可以精确满足,同时,解答是用本征函数展开式表达的。扭矩图是由三角级数表示的,并用于决定上述本征函数展开式的待定系数。计算结果给出了蒙皮正应力与剪应力以及蜂窝芯材剪应力沿翼弦和翼展的分布规律。     

A double integral method for quantitative evaluation of influence on thin-walled casing response caused by bearing uncertainties

Bearings in a gas turbine engine are the key connecting components transmitting force and motion between rotors and thin-walled flexible casing. The bearing stiffness and damping of squeeze film damper (SFD) nearby bearings are easily affected by many factors, such as assembly process, load condition and temperature variation, resulting in uncertainties. The uncertainties may influence the response of the measuring point on the casing. Hence, it is difficult to carry out the fault diagnosis, whole machine balancing and other related works. In this paper, a double integral quantitative evaluation method is proposed to simultaneously analyze the influence of two uncertain dynamic coefficients on the response amplitude and phase of casing measuring points. Meanwhile, the coupling influence of stiffness and damping accompanied by dramatic changes with rotational speeds are essentially discussed. As an example, a typical engine bearing-casing system with complex dynamic characteristics is analyzed. The impact of uncertain dynamic coefficients on the unbalance response is quantitatively evaluated.     

蜂窝填充薄壁盒式梁的约束弯曲

在刚性剖面假设的基础上分析具有蜂窝芯材薄壁盒式梁约束弯曲问题。应用分离变量法,建立并求解了两个常微分支配方程。边界条件可以精确满足,同时,解答是用本征函数展开式表达的。剪力图是由三角级数表示的,并用于决定上述本征函数展开式的待定系数。计算结果给出了蒙皮正应力与剪应力以及蜂窝芯材剪应力沿翼弦和翼展的分布规律并显示了附加应力的衰减情况。     

复合材料桨叶振动特性分析的一种新方法

 本文研究了复合材料桨叶振动特性的分析方法。基于连续介质力学理论,提出了一个新的等参曲梁单元,详细推导了梁上任意一点的形状函数,讨论了复杂翼型剖面的积分技术。算例表明,本文的计算结果与实验结果非常吻合。     

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。     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题，基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子，基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程，求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性，构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型，预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明，提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近，因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。