复合材料裙级间连接结构强度预测

针对复合材料裙级间螺栓-柱销连接结构试件,建立了三维有限元逐渐损伤模型。该模型可模拟试件损伤起始、发展及最终破坏的整个过程,并能较好预测试件破坏的模式和强度。该模型包括应力分析、失效判定准则和材料性能退化3个步骤,采用该模型对试件进行了损伤扩展分析和强度预测,计算结果与实验结果较吻合。     

T800碳纤维/PEEK热塑性复合材料的拉伸与剪切失效行为研究

采用T800碳纤维/聚醚醚酮(T800/PEEK)预浸料，以高温、模压方式制备了热塑性单向复合材料，通过拉伸、面内剪切试验方法对其模量和强度进行了测试分析，得到了不同载荷形式作用下的宏观失效破坏模式。针对T800/PEEK复合材料的微细观结构特点，建立了有限元代表性体积单元模型(RVE)和碳纤维、PEEK基体以及纤维/基体界面三种材料的本构关系，基于渐进损伤失效模型和内聚力模型得到了单轴拉伸/压缩、面内剪切载荷作用下单元模型的应力应变曲线和微细观失效模式。相比于试验测试结果，有限元模型预测得到的拉伸模量/强度相差最大为11%,剪切模量/强度相差最大为5%。     

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。     

薄壁加筋壳强度变差系数仿真预估方法研究

针对运载火箭结构价格昂贵,通过试验获取强度变差系数困难问题,提出了基于产品实测数据仿真预估强度变差系数方法。以轴压载荷作用下的1 m直径薄壁正交网格加筋圆柱壳试验件为对象,开展了实现技术途径及试验验证研究。测量并统计试验产品材料性能、结构尺寸及几何形貌不确定性;应用双重傅立叶级数对实测几何形貌表征,将其引入到结构理想有限元分析模型,实现极限强度精确仿真分析;采用混沌多项式展开(Polynomial Chaos Expansion, PCE)代理模型,实现考虑关键参数不确定性的极限强度高效模拟打靶和强度总体变差系数预估;并开展了3个试验件的轴压强度破坏试验验证。结果表明,预估的强度变差系数可很好包络试验样本变差系数,具有较高可靠性的同时,相对历史统计数据有较大降低,对实现结构可靠性安全系数的精确量化设计,挖掘现代先进结构承载潜力有重要意义。     

L型复合材料机械连接接头承载能力与失效行为研究

L型复合材料连接结构已应用于运载火箭结构的端框设计,但目前对于该结构的承载能力和破坏模式缺乏研究。将典型的L型连接端框简化为无弧度的平直L型接头片段,通过单向对拉试验,对6 mm和8 mm两种厚度L型机械连接接头的承载能力和破坏模式进行了研究。由承载能力试验结果表明:L型接头在拉力作用下呈现出明显的A、B、C三个阶段,其中A阶段的拉力最大值可作为该类接头结构的极限承载能力。采用有限元方法分析接头的破坏模式,仿真与试验结果的误差为2.5%,取得了较好的一致性。由数值分析表明:拉力作用下L型接头的承载能力主要取决于螺栓压紧区附近和直角拐角区域的层间强度和基体强度;在原铺层信息基础上增加0°层数和降低90°层数,对接头承载能力提升效果不明显。研究结果可为L型复合材料连接结构的设计提供参考。     

双轴太阳电池阵驱动机构动强度分析方法

针对长寿命、小型双轴太阳电池阵驱动机构动强度分析中轴承连接建模难的问题,首先,提出并实施了基于历史产品试验数据和理论公式在设计阶段确定装配状态下轴承刚度的方法;然后,建立了整机动强度分析模型,计算得到的模态频率和试验结果相一致,提高了仿真精度;随后开展发射与展开过程动态载荷作用下的强度分析,给出了整机结构在随机振动和冲击载荷下的动应力分析结果。以上研究可为在设计阶段进行整机动强度安全性评估提供参考。     

运载火箭动力系统试验承力环的静力试验

建立了某型号运载火箭动力系统试验用承力环的非破坏性静力试验方案,以评估该承力环的强度和刚度。为模拟发动机关机时的载荷冲击,将静力试验最大载荷设定为发动机额定总推力的2倍,包含水平和垂直两个分量,均分为8个载荷步加载。在承力环上设置了27个三向应变测点和12个轴向位移测点,以监测一些关键点的应力和位移。测量结果显示,在最大载荷下,当量应力达到303 MPa,低于材料屈服强度;轴向变形达到3.16 mm,低于设计许用变形;应力最大点位于支腿销孔处。对销孔孔距的变化进行了测量,并对附近的钢板表面进行了MT探伤。数据结果表明,该承力环在两倍的动力系统试验额定载荷下有足够的强度和刚度,可用于该试验。     

复合材料格栅结构的强度分析(英文)

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。对ANSYS软件进行了二次开发,分别采用层合板和层合梁单元模拟复合材料格栅结构的蒙皮和肋。根据复合材料格栅结构的几何特征及其载荷分布特征,采用周期对称有限元模型,分别以最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则和Chang刚度退化准则对轴压载荷作用下的复合材料格栅结构破坏过程进行了强度预测,计算结果表明采用蔡-吴准则预测并结合Chang刚度退化准则的计算结果与试验结果的一致性较好。     

高压金属软管应力及参数敏感度分析

某型号发动机热试车考核中高压金属软管多次出现破坏。通过建立软管有限元模型,采用非线性有限元分析了软管应力分布和各部分承载特点,判断波峰处轴向应力是影响软管结构强度的主要因素,有限元计算结果和试验破坏部位一致,表明有限元模型的合理性。在此基础上,通过参数化建模、设计中心复合实验和进行参数敏感度分析,得出影响波峰处最大轴向应力的敏感参数,为结构参数优化提供了依据。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

运载火箭连接强度有限元分析研究（英文）

The strength of the connection structure has always been a key issue in the structural design of a launch vehicle. In this paper, the finite element analysis method is used for the strength of typical connection structures of a new launch vehicle. The research scope includes the inter-stage connection structure and the bundle connection structure. Aiming at establishing the strength of these two connection structures under flight conditions, we built a refined finite element model, simulated the bolt tensile test and obtained a calculation criteria, and carried out finite element analysis of the connection structures under flight conditions. As a result, we not only established the analysis and evaluation method of the connection structures based on the refined finite element modeling analysis, but also provided a fast numerical simulation design method for the development of the launch vehicle's connection structures, which greatly improved the design efficiency and reduced the design risk.     

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

基于虚温定义的粘弹性有限元方法

基于NARAYANASWAMY提出的虚温定义,用虚温表示的温度变化产生的折算应变率替代Swanson模型中的应变率修正函数,获得了基于虚温定义的粘弹性材料的应力应变本构方程,并导出基于虚温定义的粘弹性非线性有限单元法计算公式。计算结果验证了此基于虚温定义的粘弹性分析方法的正确性。     

橡胶"O"形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。     

滚动球窝喷管接触应力分析

叙述了滚动球窝喷管在设计中许用接触应力的选择依据及方法,并根据以往的经验公式及其试验数据对影响许用接触应力的几个因素进行了分析。采用有限元法对某固体火箭发动机滚动球窝喷管的接触应力进行了预估,给出了接触应力有限元的基本计算方法,获得了阴、阳球体和钢球的应力分布和位移变化情况,计算结果与实测结果基本一致,对滚动球窝喷管的设计及其接触应力的计算具有一定的参考价值。     

舱段结构热振耦合环境下仿真分析

针对武器装备对环境适应性要求不断提高的现状,以某舱段结构为研究对象,基于高加速应力筛选试验(HASS)条件,研究了结构在温变-振动耦合环境下的失效机理。首先,结合HASS试验剖面,确定了载荷条件,建立有限元模型;其次,采用ANSYS Workbench软件分析得到结构温度场分布及应力响应,确定了结构危险位置,并对其疲劳寿命进行计算分析,为舱段结构的失效分析及HASS试验剖面的合理制定提供依据和指导。     

基于精确建模的横向振动工况下螺栓松动机理研究

横向振动是引起螺栓连接结构松动的重要原因。利用Hypermesh软件进行参数化建模,在建立带有螺纹升角的螺栓连接结构六面体网格精确有限元模型基础上,基于ABAQUS显式动态分析模块,通过接近实际工况的转角法拧紧螺栓,并施加横向正弦位移载荷,对横向振动下的螺纹连接结构松动情况进行多阶段、全过程有限元仿真分析,并设计了螺栓松动试验台进行螺栓松动实验,验证仿真方法的准确性。主要研究了横向振动前期螺栓扭转变形对螺栓松动情况的影响。结果表明,横向振动时的完全滑移先发生于支撑面处;在螺栓扭转变形完全回弹之前,预紧力的下降主要是塑性变形引起的,螺纹啮合处相对滑动不明显,此后,预紧力的下降主要是螺母回转引起的,螺纹处产生明显相对滑动,并提取了螺栓扭转变形回弹为0的节点。通过仿真和实验相结合的方法使分析结果更为准确。     

基于三维有限元模型的弹翼胶接结构胶层应力分析

目前对复合材料胶接修理结构中胶层的模拟多采用二维平面单元,不能有效模拟胶层在外载荷作用下的真实应力状态。考虑某飞行器弹翼修理时形成的复合材料双面胶接结构承受载荷后处于三维应力状态的情况,建立了该修理结构的三维有限元模型,计算出单向拉伸条件下胶层的剪应力,并与Hart-Smith解析解进行对比。分析结果表明三维有限元模型正确、合理。利用所建立的模型分析胶层的剪应力和剥离应力的分布特点,得出胶层破坏的失效顺序,为胶接修理结构的承载能力分析以及结构改进提供参考依据。     

变厚度弹性件柔性接头的非线性分析

结合试验数据,采用Mooney-Rivlin模型模拟了柔性接头的弹性件材料;根据非线性理论,采用混合插值有限元法对某一摆角状态下的柔性接头进行了大变形非线性弹性分析,并在此基础上初步探讨了厚度不均匀弹性件对层间应力的影响。计算结果表明,弹性层减薄到一定程度时,层间剪切应力沿宽度方向分布变得均匀,应力值仍集中在2 MPa以下;层间法向应力分布变化较小,呈二次曲线分布,最大值有所降低;其中,接近后法兰的弹性件厚度不均时,对各项应力最大值影响较大。     

空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验

对某天文卫星的可见光望远镜载荷CCD焦面工作温度需求进行了分析计算。为满足CCD焦面 -65℃ 的工作温度需求,设计了主动制冷焦面结构。采用有限元方法分析了工作温度下热电制冷器和导热胶产生的热应力,结果表明热电制冷器最大应力为14Mpa,导热胶最大剪切应力为1.2Mpa,均处于许用安全应力内。研制的焦面组件模拟件顺利通过了真空热试验,验证了焦面组件的制冷性能与安全性。