复合材料壳体的应力和稳定性分析

一、引言 在现有的文献中,复合材料壳体的稳定性计算,大都采用环元针对轴对称分布载荷的轴对称旋转壳进行的。但是在实际结构中有大量的非轴对称壳体,壳壁大都是变厚度,实际载荷也大多是非轴对称分布,并且往往还有由温度改变而产生的热应力,或称它为“热载”。为了解决这些更为广泛的实际问题,开展了这项研究工作。     

一个非线性拟协调退化壳有限元

 根据非线性协调有限元列式方法,构造了几何非线性拟协调9结点四边形退化壳有限元。首先给出9结点四边形退化壳单元的几何描述和位移模式;接着讨论了非线性协调有限元列式方法;假设应力和应变;然后用所构造的壳单元,进行了方板、圆拱、球壳和圆柱壳的数值分析,并同精确解以及其他单元的解答进行了比较。结果表明本文壳单元是准确的和有效的。     

含内热源球壳的复合传热特性及其表面温度均匀性研究

应用计算流体动力学方法,对带内热源的空腔球壳所涉及的含导热、自然对流和辐射换热的耦合传热问题进行了数值建模,得到了球壳空腔内、外侧流体的温度场、速度场。在数值模拟基础上,提出并试验验证了能有效提高球壳外表面温度均匀性的电加热绳方案。     

一种半球谐振陀螺谐振子动力学建模方法

准确完备的半球谐振陀螺（HRG）谐振子动力学模型是陀螺误差分析的基础。为建立半球壳谐振子动力学模型,基于弹性力学薄壳理论,提出了一种谐振子动力学建模方法。首先,在薄壳的弹性力学几何方程基础上,推导了半球壳谐振子的变形几何方程。其次,在提高受力分析计算精度的基础上,推导了半球壳谐振子的物理方程。然后,分析了谐振子中面的受力平衡关系,推导了谐振子的平衡微分方程。最后,基于以上对整个谐振子的动力学分析,建立了谐振子动力学方程。根据谐振子的不同外载荷形式,利用布勃诺夫-伽辽金法求解得到谐振子2阶谐振状态动力学模型,并得到了谐振子比例系数和2阶谐振频率的表达式。通过对比验证可以看出,参数计算值与实测数据结果一致,证明了所建立的动力学模型的准确性。     

A technique for calculating rational design parameters of a sandwich shell with account of thermoforce loading

A technique of determining the rational design parameters for a heated sandwich cylindrical shell under the action of external pressure impulse is presented. The load-carrying capacity of the shell is analyzed based on the nonlinear theory of thin elastic shells. The design parameters are optimized using the methods for nonlinear programming.     

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。     

基于固体壳单元的功能梯度材料板壳主动控制模拟仿真

基于假定自然应变法和加强假定应变法,推导了一用于压电层合FGM壳静、动态主动控制模拟的固体壳单元,该单元既可用做实体单元,又可模拟薄曲壳结构,在厚跨比非常小的情况下也能获得令人满意的精度.FGM壳的性能沿厚度方向按一定体积分数幂指数分布,并具有温度相关性,通过改变幂指数n,研究了组分材料体积分数对FGM壳力学性能的影响.采用闭环速度反馈控制算法来模拟压电层合FGM壳的静、动态响应的主动控制,算例表明了算法的有效性.     

Nonlinear deformation and stability of discretely reinforced elliptical cylindrical shells under transverse bending and internal pressure

A finite element formulation of solving the stability problems for the discretely reinforced noncircular cylindrical shells is presented taking into account that their subcritical stress strain state is instantaneous and nonlinear. The author-developed finite elements for a natural-curved shell and the beam elements of reinforcements are used. A numerical algorithm to study the nonlinear deformation and stability of shells was developed. The stability of a stringer-stiffened cylindrical shell with an elliptical cross-sectional contour under transverse bending and internal pressure is examined. We also investigate the effect of internal pressure, ellipticity and nonlinearity of deformation, as well as of reinforcement discreteness and heterogeneity.     

基于滑窗包络线法辨识复合圆柱壳结构的模态阻尼

由于复合圆柱壳阻尼机理的复杂性,目前还没有通用而有效的方法辨识该类结构的模态阻尼,因此提出一种基于滑窗包络线法的模态阻尼测试方法.首先,详细说明了滑窗包络线法测试复合圆柱壳阻尼的原理和总体思路;然后,提出了具体的测试复合圆柱壳结构模态阻尼的流程;最后,以局部涂敷约束层阻尼材料的复合圆柱壳为研究对象,对其阻尼特性进行了测试,并讨论了激励幅度对模态阻尼的影响.测试结果表明,所提出的方法获得的前5阶阻尼结果对应的方差最大不超过0.02%,具有较好的可重复性,从而确保具有较高的测试精度.      

蜂窝夹芯旋转壳的屈曲分析

蜂窝夹芯复合材料旋转壳是航天器中的重要部件,且常常与其它部件互相联结,联结区局部高应力往往诱发复杂的局部屈曲模态,为此发展了一套有限元求解方案。针对蜂窝夹芯层合壳体构造了一种基于相对自由度技术的32节点三层壳元,这种单元避免了传统壳元的转动自由度,易与三维实体单元连接,使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。同时运用旋转周期结构有限元技术对大规模的空间蜂窝夹芯层合结构成功实施了屈曲分析。数值算例表明了计算策略的有效性和优越性。     

复合材料锥壳螺旋向铺层自动铺带成型方法

提出了一种基于两步法的复合材料锥壳螺旋向铺层自动铺带的成型方法,对锥壳螺旋向铺层几何原理进行了分析并对预浸带的预切割进行了设计和验证,对预切割装置进行了原理方案设计并利用CATIA软件进行了自动铺带验证。结果表明:两步法锥壳螺旋向铺带成型技术方案合理可行,预切割装置可以实现预浸带的切割、转录,采用通用铺带头即可以完成螺旋向铺层的自动铺带过程,采用锥壳等厚度铺叠、均匀加压和降低废料率等措施,大大提高制品质量并降低了构件加工成本。     

基于变厚度壳单元的旋转叶片固有特性分析

针对1个扭型、变截面旋转叶片,基于ANSYS有限元软件,采用变厚度壳单元来模拟真实叶片的方法建模,并与实体单元模型对静频和固有振型进行对比,验证了该建模方法的准确性;在此基础上分析了科氏力、旋转软化、离心刚化以及三者耦合对叶片动频特性的影响规律;基于壳单元动频数据,对现在常用的动频系数经验公式的适用性进行了简单评价。研究结果表明：2种模型的动频规律一致,对系统影响由大到小依次为离心刚化、旋转软化和科氏力;叶片A0振型的动频系数吻合较好,A1振型的反之     

确定壳体结构外压临界载荷的非破坏实验方法

本文给出了一种确定壳体结构外压临界载荷的非破坏实验方法,这是一种以壳体结构的法向挠度作为控制变量的逐步逼近法。运用这种方法,对九件由LY12-CZ铝合金制成的具有周向Ω-型筋条的柱形曲板和某机机身的3号至6号油箱内壁作了非破坏屈曲试验,准确地确定了壳体的临界压力,初步研究了周向约束对加筋柱形曲板屈曲的影响。试验结果表明,这种非破坏屈曲试验方法是成功的。     

A technique for calculating large deflections of nonshallow elastoplastic shells of revolution under nonaxisymmetric loading

A technique for calculating the geometrically and physically nonlinear stress strain state of nonshallow shells of revolution under the nonaxisymmetric wind-like loading is proposed. The calculation results for a semispherical shell with the central hole and rigidly fixed edges depending on the loading nonaxisymmetry, material characteristics and thickness are presented. We demonstrate not only quantitative but also qualitative influence of taking into account the factor of joint nonlinearity on the process of shell deformation.     

复合材料层合板、壳结构的承载能力

本文以有限单元法研究了复合材料层合板、壳结构的承载能力,所采用的单元是考虑耦合效应的高精度的离散性克希霍夫（Kirchhoff）假定层合板和层合壳三角形单元,非线性迭代采用变步长的载荷增量法以及等刚度和变刚度相结合的交替迭代法,编制了计算机程序DDJ-FZJF,并以多例证明该程序和算法是有效的。     

旋转薄壳自由振动的精确解法

提出一种计算具有齐次边界条件的旋转薄壳的特征值和特征函数的精确解法。这一方法仍需借用数值法求解８阶行列式所对应的频率方程。其精确意义是与用数值法求解梁的超越频率方程而获得梁振动频率精确解意义等同的。用此方法,本文给出了两端简支（ｓｓ）、一端固定一端自由（ｃｆ）以及一端固定一端简支（ｃｓ）柱壳的自振频率随柱壳长细比的变化,并与解析解（ｓｓ）、试验值（ｃｓ）及其它方法进行了比较。     

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺，具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点，可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质，而且具有抗高过载、量程大的特点，这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件，金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展，从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论，并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

随机噪声载荷作用下薄壳结构的随机振动实验研究

为研究薄壁壳结构在随机噪声激励下的随机振动响应特征,本文设计了一套针对薄壁壳在内部随机噪声作用下的振动问题进行研究的实验方案,同时对噪声载荷和薄壳振动加速度响应进行测量,并对实验结果进行初步的定性分析,了解噪声载荷在频率域上的分布特征和薄壁壳在内部随机噪声作用下的振动响应特征,获得在噪声激励的频率范围内能激起薄壳该频率范围内所有模态共振等结论,为薄壳结构在内部噪声作用下随机振动响应的计算方法的研究提供依据。      

云纹方法中一种新的试件栅拷贝技术

 本文介绍了一种新的试件栅拷贝技术,结合空间虑波,条纹倍增及光学图像处理技术,可以测定轴、旋翼、柱壳及锥壳等曲表面裂纹尖端附近弹塑性应变场。该方法甚至还可以适用于转动的轴、飞轮和旋翼等表面应变场的测量。