复合材料蜂窝夹层进气道结构优化设计方法

研究了一种以全局响应面算法为基础的复合材料蜂窝夹层结构进气道优化设计技术。该技术以复合材料蜂窝夹层进气道结构为研究对象,以结构重量最轻为目标,结合工程实际生产工艺和复合材料结构设计一般原则,使面板各方向角铺层厚度和蜂窝芯材厚度均选用离散变量,同时约束复合材料蜂窝夹层结构的各种失效模式以及进气道工作环境的频率需求。最后通过算例验证了此优化设计方法的可行性。     

零泊松比蜂窝结构一维变形行为

为满足柔性蒙皮的变形需求,针对一种适用于柔性蒙皮的零泊松比蜂窝结构开展了一维变形行为的研究。首先通过考虑蜂窝胞壁轴向变形及弯曲变形,基于能量法建立了零泊松比蜂窝结构的等效弹性模量理论模型,并分别应用数值分析和试验方法验证了理论模型的正确性。然后分别以铝合金和钢材为基体材料,利用数值分析方法进一步分析了零泊松比蜂窝结构的非线性变形行为,并获得了蜂窝结构的变形量与残余应变的关系。结果表明:蜂窝变形过程中的力学行为与结构的几何参数以及母材的选择有关。因此,可以通过改变蜂窝结构的几何参数,实现蜂窝结构驱动力及残余应变的调节;同时,在选择基体材料时,为兼顾"面内"刚度和"面外"承载能力,不仅应该选用杨氏模量小的材料,减少其驱动力,还应该选用弹性段大的材料,减小残余变形。     

新复合材料夹芯壁板式组合结构等参元计算

飞机副翼采用碳纤维/环氧,Nomex纸蜂窝夹芯壁板与碳纤维/环氧实心梁、肋空间组合结构在国内还是首次。作者结合某改型机副翼的设计进行了应力应变有限元的分析计算,编制了一套通用于翼面的夹心壁板组合结构八节点等参元计算程序,按用于微机IBM-PC及其兼容机编制,从而使计算费用大为降低,将计算结果与原结构数据分析比较证明,计算所得的应力应变分布规律正确,适用于高性能的新型复合材料夹芯结构计算。     

网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计

为完成网格整体加筋贮箱圆筒壳的结构优化设计,本文首先开展了网格整体加筋贮箱圆筒壳的有限元模型参数化研究;然后基于参数化模型,进行了网格加筋角度的优化设计和加筋尺寸与壁面厚度尺寸优化设计,讨论了网格尺寸和加筋角度与结构屈曲稳定性和质量之间的关系;并利用实验设计的方法构造响应面代理模型对网格尺寸和加筋角度进行了优化设计.通过以上参数化建模、代理模型构建和优化设计,得到了一套较为完整可行的网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计方法.最后还对研究过程中发现的问题进行了总结.     

嵌入中空纤维的树脂基复合阻尼材料设计

文章对一种耦合了中空纤维原材料阻尼特性和中空结构缓冲作用的嵌入中空纤维的树脂基复合阻尼新材料进行了研究.分析了各影响因素对三层中空纤维层合(3-HL)、带约束层的单层中空纤维夹心(2-CSLH)、带约束层的中空纤维蜂窝夹心结构(2-CSHC)这三种结构复合材料阻尼性能的主次影响规律,且前两者中阻尼最优试样与2-CSHC试样阻尼值大于0.54的阻尼平台区较宽,△Hz分别为5Hz-112Hz,7Hz-200Hz;阻尼峰值分别可达0.56和0.59;结构设计优越性为2-CSHC>2-CSLH>3-HL.     

材料和尺寸参数对Rainbow型压电换能器发电能力的影响

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型压电换能器材料、尺寸参数对其发电能力的影响,根据压电材料的机电耦合方程和对换能器的力学理论分析,建立了Rainbow型压电换能器开路电压与输出电能的数学模型.对开路电压模型进行了仿真验证,仿真结果与理论分析一致.对输出电能理论模型的数值模拟分析表明,金属基片的宽度与厚度、换能结构初始曲率半径的增大将会引起换能结构两片压电薄膜输出电能的降低;金属基片长度、压电薄膜宽度的增大将会引起两片压电薄膜输出电能的增加;压电薄膜长度、厚度的增大将会使得两片压电薄膜输出电能先增加后减小;铍青铜基片换能器要优于钢基片换能器;换能器弧形内侧压电薄膜的输出电能都要大于外侧压电薄膜.最后,结合Rainbow型压电换能器的力学分析给出了分析结果的合理解释.     

Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析

基于自动铺丝工艺,为获得良好的蜂窝夹层结构自动铺放成型质量,建立了Nomex蜂窝芯在压辊压力下的屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法。采用线性屈曲分析法(特征值分析法)对蜂窝单元进行屈曲分析,得到一阶屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;引入初始结构几何缺陷,采用非线性屈曲分析法(弧长法)对Nomex蜂窝单元后屈曲行为进行分析,输出参考点RP-1的载荷-位移曲线,得到弧长法计算的屈曲载荷以及极限载荷值。通过对比试验结果与两种屈曲分析法得到:对于分析临界屈曲载荷,特征值法较弧长法更精确;而弧长法可以更好模拟结构的后屈曲行为,计算结果与试验数据基本吻合,为Nomex蜂窝夹心结构自动铺放成型过程中铺放压力的选取提供参考。     

楔形蜂窝板的稳定温度场问题

本文研究非对称加热情况下楔形蜂窝板的稳定温度场。以R·T·Swann[1]的蜂窝板稳定温度场理论为基础,对不同厚度和直径的蜂窝板进行热传导试验,并根据试验测得的结果,推导出楔形蜂窝板稳定温度场的计算公式。 本试验通过红外线幅射加热和水冷却来保持蜂窝结构非对称稳定温度场,用EA微型热电偶测定楔形蜂窝板的稳定温度场和有效热阻。     

皱褶结构芯格构型的几何设计方法

夹层结构具有较高的抗弯刚度质量比,较好的吸音、隔音、隔热和耐疲劳性能,被广泛应用于航空航天领域。夹层结构的芯材是具有一定抗剪刚度的轻质材料。从理论上讲,可以制造出各种不同构造型式的芯材。但由于工艺方法以及制造成本的限制,目前结构上常用的是由金属或非金属材料制成的六角蜂窝芯材。本文介绍了将平面板材通过按一定有规律的线系进行皱褶,从而形成各种不同构造型式、不同几何尺寸的等高度、变高度或曲面构型等复杂形状的芯材,用以满足各种不同的结构和功能性要求。而且,这种方法具有很好的工艺性。     

结构界面约束的模态参数变换方法

试图对以试验模态分析的结果作为参考基进行不同边界条件之间的结构模态参数的变换问题进行一些探讨。给出了利用自由界面的结构模态参数得到固定界面和弹性连接界面的结构模态参数的计算方法，并讨论了参数变换方法应用的有关问题。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

含缺陷铝蜂窝道面板弯曲和疲劳特性

为了研究面板厚度及不同类别、不同程度的先天缺陷对铝蜂窝夹芯结构道面板疲劳性能的影响,对7组铝蜂窝夹芯道面板试样进行三点弯曲静载试验和三点弯曲疲劳试验。结果表明:面芯脱焊缺陷对铝蜂窝道面板的疲劳性能影响最大,含10%和30%面芯脱焊缺陷的试件疲劳性能分别降低了76%和92%,说明防止面芯脱焊缺陷至关重要。经分析,铝蜂窝道面板弯曲疲劳特性服从威布尔分布,相关系数超过0.95以上。对完好试样和含不同类别、不同程度先天缺陷的试样分别建立了反映应力水平和疲劳性能关系的威布尔方程。     

整体中空夹层复合材料力学性能的实验研究

研究了整体中空夹层复合材料的复合成型工艺,制作了满足要求的实验件。对整体中空夹层复合材料经、纬向的侧拉、侧压、平拉、平压、双层剪切和4点弯曲等性能进行了实验研究,获得了该种材料的主要力学性能参数,并与类似的蜂窝夹层材料部分力学性能进行了对比。分析了整体中空夹层复合材料经、纬向性能的差异以及材料的失效形式,得到了一些有益的结论,为该种材料的结构设计和性能分析奠定了重要的基础。     

复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究

采用两种有限元模型和工程方法分别对复合材料蜂窝夹层结构在压缩、剪切载荷作用下的总体稳定性进行了计算,根据各计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:对于承受压缩载荷的结构,采用工程计算法能够较好的预估结构的屈曲临界载荷,而对于承受剪切载荷的结构,采用三维有限元法能较好的计算结构的屈曲载荷。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

新型碳纤维格栅夹层结构模拟研究

新型飞行器机体构件的设计要求在所允许的有限重量下实现结构超轻型化。格栅夹层结构是当前国际上最有前景的新一代材料结构之一,已开始应用于航天结构。为分析三角形点阵格栅结构的受力性能,本文通过解析分析,用连续体模型模拟平板状格栅结构,得到各种不同尺寸下格栅结构的解析通解。经与ABAQUS有限元软件模拟试验对比,这种方法可将误差控制在较小范围内。与在相同重量条件下传统的蜂窝夹层结构相比较,进行三点弯曲模拟试验,三角形格栅结构具有更高的抗弯性能。     

开孔壁蜂窝器整流特性实验研究

蜂窝器是安装在风洞稳定段中用来提高风洞试验段气流均匀性、降低气流偏角及湍流度的重要整流装置。普通的实壁蜂窝器需要通过提高蜂窝器单元的长径比来达到提升整流特性的目的，但同时带来了损失系数增加等问题。设计了一种在蜂窝单元壁面开孔的蜂窝器，通过蜂窝器壁面上的开孔，实现了蜂窝器单元之间的旋涡和压力的传递，可以有效地提高蜂窝器的整流效果。在0.55m×0.4m低噪声航空声学风洞闭口试验段中，在不同来流速度条件下，使用热线风速仪对普通蜂窝器和开孔壁蜂窝器下游的速度及湍流度分布特性进行了试验研究。实验结果表明，与普通的实壁蜂窝器相比，开孔率为50%的开孔壁蜂窝器下游的湍流度可降低13.8%，蜂窝器下游的速度分布得到了改善，局部气流偏角也明显减小。在风洞设计中，使用优化后的开孔壁蜂窝器可以减少阻尼网的层数或收缩段的收缩比，从而降低风洞的运行能耗，并减少风洞的建设费用。