反对称正交铺层层板的热稳定

1.导言 复合材料结构在外载作用下力学响应由于温度的变化,层板的稳定问题的研究才刚开始涉及。热失稳问题在层板结构的应用中可能会产生,比如当宇航器在外层空间飞行时,由于受到太阳的幅射,温度改变而使层板失稳。国外有不少学者已开始这方面的研究,然而大都还限于经典理论范畴。本文提供的层板临界失稳温度控制方程是在Kirchhoff假设基础上考虑横向剪切变形影响后得来的,对于反对称正交铺设层板,可以找到解析解,并将结果与对称正交层板、经典理论结果作了比较,本文的结论对层板热稳定设计有一定     

纤维复合材料刚度设计的力学原理及其应用

针对航空用纤维复合材料,基于纤维与基体的协调变形规律和材料应变能密度的计算,导出了纤维复合材料的刚度表达式,研究了刚度矩阵的基本力学特性,给出了复合材料刚度矩阵元素与基体材料的刚度、纤维束的刚度及铺设方向的关系,提供了平面铺层和三维取向纤维复合材料的基本刚度设计公式和设计方法。最后给出工程应用设计方法的几个具体例子,并与其他理论和实验结果进行了对比。研究结果表明,在考虑材料制备工艺缺陷造成的刚度折减后,本文提出的设计公式及方法可应用于纤维复合材料的优化设计。     

The principle of constructing a computation model of equilibrium ribbed stiffened shells in linear displacement-based FEM analysis

The equilibrium between the rods and panels in the ribbed shells is considered based on the total system of structural mechanics equations as applied to a discrete model. Also shown is an approach to solving the problems that permits the stiffness matrix of shear panels to be obtained with regard for the equilibrium along the boundary with rods. The connection with the standard hybrid method of constructing stiffness matrices is indicated. The solutions for separate elements and examples illustrating the approach being proposed are presented.     

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

电场及双向压缩下含压电层的对称层合圆柱壳体的动力稳定性

 应用一阶剪切变形理论, 分析了简支边界有限长含压电层的对称层合圆柱壳及壳块在谐变电场及双向周期荷载作用下的动力稳定性问题, 并用模态展开的方法得出一阶动力不稳定区。选择几种模态为例说明材料的压电性、壳体几何参数和加载形式对不稳定区的影响。结果表明此类压电复合结构的动力不稳定区主要由结构自身刚度及外载所决定, 而受外加电场及压电效应影响很小。     

基于有限元方法的复合材料层合板自由振动分析

利用有限元分析方法分别研究了正交各向异性、对称角和反对称角铺设的正方形复合材料层合板的线性和非线性自由振动问题.结合一阶剪切变形理论推导出层合板自由振动的有限元方程,构造了三维有限元模型,并对其基频进行计算.数值结果与其他的文献的结果对照表明,用有限元方法求得的基频与用各阶剪切变形理论求得的结果非常接近,但对于厚板结果与经典Kirchhoff的结果有一些差距,对于其他理记是一致的.     

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。     

双轴应力下含裂纹加筋曲板剩余强度的弹塑性有限元计算

 采用考虑了大应变的弹塑性有限元方法,以裂纹尖端张开角为断裂准则,实现了双向受载条件下加筋曲板中裂纹起裂到失稳整个扩展过程的数值模拟计算;还对与加筋曲板有同样尺寸的加筋平板进行了分析和计算。结果表明,所提出的分析方法和所采用的断裂准则适用于对含裂纹加筋结构所进行的剩余强度分析。     

Buckling and post-buckling behavior of titanium alloy stiffened panels under shear load

Titanium alloy has been increasingly applied in aviation industry due to its superior performance. However, the titanium alloy structures are less studied. This work investigates the structural behavior of Ti6Al4V titanium alloy stiffened panels under in-plane shear load by experiments and numerical analysis. After the shear tests, the buckling instability, the post-buckling process and the failure mechanism of the specimen were obtained. The Finite Element(FE) models were established with the subsequent validation verification. A parametric analysis was implemented to study the influence of stringer thickness and stringer height on the behavior of the stiffened panels. The results show that after the initial local buckling on the skin, the buckling mode jumps several times with the increase of load. The stringers twist when the load reaches a certain level, and finally the structure damages due to the plastic deformation and the global buckling. The shear clip has little effect on the buckling and failure loads. Compared to the relatively large effect on the buckling load, the influence of the stringer thickness and stringer height on the failure load is neglectable.According to the parametric analysis, the stringer thickness influences the final buckling mode and failure mode, while the stringer height affects the buckling mode transformation.     

复合材料层合板的二次失稳和破坏研究

 本文采用考虑横向剪切效应的三角形拟协调罚函数单元,推导了带有初始挠度的复合材料层合板在后屈曲阶段的增量平衡方程和相应的切线刚度矩阵,以及非线性特征方程,并以数值计算研究了单元的精度和收敛性,二次分支点的存在性和边界条件、加载方式及铺层次序对二次失稳和破坏载荷的影响。     

复合材料帽形加筋壁板剪切屈曲性能

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）帽形加筋壁板的剪切屈曲进行了试验、理论分析和数值模拟。根据线弹性理论推导了复合材料帽形加筋壁板蒙皮的应变分布；针对复合材料帽形加筋壁板3种蒙皮板条单元截取宽度和两种边界条件，利用理论公式和半经验公式计算了加筋壁板的剪切屈曲载荷；利用特征值法和几何非线性法进行了剪切屈曲模拟分析；将得到的分析结果与试验结果进行了对比。结果表明：根据线弹性理论得到的蒙皮应变分布与试验结果一致，验证了推导结果的正确性；选择合适的边界条件和蒙皮板条单元截取宽度，利用理论公式和半经验公式可得到加筋壁板较准确的屈曲载荷；利用特征值法得到的屈曲载荷较试验屈曲载荷高，选择合适的几何初始缺陷系数利用几何非线性分析方法可模拟复合材料帽形加筋壁板在剪切载荷作用下的屈曲过程。     

用高阶有限元分析旋转梁的固有振动

本文给出任意阶次高精度有限元形状函数及其有关矩阵的显表达式,并用以计算均匀或分段连续变化的旋转梁的固有振动特性。结果表明,本方法在计算效率、结果精度、程序编制及使用方便性等方面均有相当的优点。     

计及复合材料受剪板后屈曲的薄壁结构分析

 本文提出了一种具有后屈曲复合材料受剪板的薄壁结构分析方法。假定后屈曲受剪板处于半张力场应力状态。以等效受剪板代替上述的后屈曲板,则可利用常规有限元法进行该结构分析。等效受剪板的刚度等于后屈曲复合材料受剪板的增量刚度,而后者系由余虚功原理与最小余能原理决定的。利用常规有限元法确定增量位侈,然后再根据余虚功原理求得后屈曲复合材料受剪板的应力增量和应变增量。     

复合材料曲板缺陷及安装误差对屈曲性能的影响

复合材料曲板的屈曲行为对缺陷十分敏感,研究数值模拟及试验中缺陷对屈曲性能的影响对复合材料曲板的工程应用具有重要意义。应用数值模拟方法研究了常见典型缺陷及缺陷所引起的安装误差对复合材料曲板屈曲性能的影响。建立了理想曲板模型和考虑安装误差的含缺陷曲板模型,缺陷类型包括复合材料曲板在制造过程中易产生的缺陷,如倾斜、厚度不均、翘曲。计算了模型在轴压载荷下的屈曲载荷及应变分布情况,并将含缺陷模型计算结果与理想模型进行比较。研究表明：倾斜对受载曲板的应变分布改变较大,会使试验件屈曲载荷大幅下降;翘曲对受载曲板的应变分布影响不大但会使试验件屈曲载荷大幅下降;厚度不均的缺陷对曲板屈曲性能影响较小。与含典型缺陷的曲板轴压试验结果对比,试验结果与理论研究结果一致。     

一种含分层复合材料层合板高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料县合板高阶弯曲位移模式。此模式考虑了横向剪切的影响,得到一种新的厚板有限元模型。对于含有分层的单元,通过改变其单元内横向剪切应力的分布,达到改变单元刚度的目的。因此,此模型适用于任何厚度的或含有分层的复合材料层合板。     

斜削梁协调元素族及其在梁固有振动分析上的应用

本文给出了位移函数为三次、五次、七次幂多项式时斜削梁元素刚度与质量矩阵的显表达式以及计算任意奇次幂高阶斜削梁元素族刚度与质量矩阵显表达式的一般方法。然后应用高阶协调元素计算了六种线性斜削梁在悬臂支持、二端简支、二端固支等情况下的头五阶固有频率及振型。结果表明,在所有情况下,与低阶元素相比,高阶元素均显出有较好的收敛性。但若施加以力的边界条件,则在使用少量元素和梁的斜削度较大的情况下,高阶元素的结果反而不如低阶元素的结果好。     

一种加速的参数化模型降阶方法

参数化模型降阶(PMOR)方法离线阶段训练数据的过程比较耗时,因此提出了一种加速方法。在基于矩阵插值的PMOR方法的基础上,采用组合近似的重分析技术对基于振型向量的模型降阶(MOR)过程进行加速,利用初始刚度分解矩阵生成迭代计算基向量以对系统矩阵降阶,通过降阶矩阵生成参数化模型的振型向量,对参数空间上的采样点重复整个加速计算过程生成离线数据库。并以电磁振动台动圈为例,采用普通方法和加速方法对均布采样样本点展开仿真研究,结果表明,在保证所构建的离线模型数据库准确度的前提下,此方法能减少80%以上的MOR计算时间,且随着采样点的增多,增速越明显,可以大幅度提高参数化降阶模型离线训练效率。      

A new analysis model for the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress

The paper deals with the analysis of the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress as used, e.g. in aircraft fuselages. An important criterion for sizing and certification of aircraft fuselages is the local and global buckling behaviour. For optimisation of stiffened metallic panels it is necessary to know the buckling and postbuckling behaviour as accurately as possible. Due to the fact that nonlinear FE analyses of a whole aircraft fuselage are too time consuming, a very fast quasi nonlinear FE analysis with a coarse mesh under consideration of semi-empirical methods for the effective skin-stiffness are used. At this point the effective stiffness method derived in this paper is used. Admittedly previous semi-empirical methods like the effective width method [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (only for pure compression load) or the method of Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (only for pure shear load) have disadvantages for the general combined compression and shear load case. This is improved in the current method.The first part of the paper deals with the realisation of the compression and shear test facility in a finite element model. The verification of the finite element model is important for subsequent parameter variations. The second part of the paper presents the approach of how to assess the effective skin-stiffness. In comparison to the paper in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] many new parameters have been analysed. Therefore the new approach for the geometrically nonlinear analysis derived from the finite element results for combined compression and shear stress is considerably improved. At the end of the paper the great benefit of the new approach is shown. The results of very fast quasi nonlinear FE analyses under consideration of the new approach for the effective skin-stiffness on a coarse panel mesh agree well with the results of time expensive nonlinear FE analysis on a very fine panel mesh. Further studies are necessary to expand the new method to the influence of plasticity.     

铝锂合金加筋壁板剪切屈曲性能

为研究剪切载荷下2A97铝锂合金加筋壁板的屈曲与后屈曲行为,设计了加筋壁板和夹具,完成了壁板的剪切试验;得到了加筋壁板的失稳载荷、破坏载荷以及破坏模式;采用受剪板屈曲与张力场理论计算了加筋壁板的剪切屈曲失稳载荷;建立有限元数值计算模型对加筋壁板屈曲行为进行计算分析,并将数值结果与试验结果对比。结果表明：加筋壁板的屈曲模式为筋条间蒙皮的局部屈曲;加筋壁板的破坏模式为沿加载对角线方向蒙皮的凸起,破坏原因为蒙皮的塑性变形、撕裂以及筋条的扭转变形;利用张力场理论可以得到较准确的屈曲失稳载荷,与试验误差为6.56%;数值模拟得到的屈曲与破坏模式与试验吻合,失稳载荷和极限载荷与试验结果误差分别为1.22%和11.52%。     

一种确定模型误差位置的方法

本文首先由解析有限元模型的模态矩阵,得到未测量自由度与已测量自由度模态之间的变换关系,利用该关系对解析模型进行缩聚。然后针对缩聚后的特征方程,利用解析刚度矩阵和质量矩阵以及实测的模态参数确定模型误差位置。模拟结果表明,该方法可行。