复合材料层合扁曲板的轴压屈曲和初始后屈曲分析

本文分析具有正交模量特性的复合材料层合扁曲板在轴压下的屈曲和初始后屈曲问题。作为应用的例子,分析了两种不同铺层形式的长扁曲板的轴压屈曲和初始后屈曲问题,并得出了一些对工程结构设计有参考价值的结论。     

考虑剪力效应的复合材料层合曲板在侧压作用下的非线性动力稳定性

以无穷长的复合材料层合曲板受阶跃均布侧压作用的非线性动力稳定性问题为研究内容,侧重分析了剪力效应以及不同铺层方向的各向异性效应对动临界载荷参数的影响。指出：①对于抗剪能力较弱的复合材料曲板,横向剪力的影响将显著降低临界载菏的值,因而不能忽略它的效应,否则,所得到的临界值将毫无意义;②纤维的方向对临界载荷的影响非常大,不同的铺层方向可能导致临界载荷参数值相差数倍。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

磁性涂层碳纤维各向异性铺层板的反射率计算

对磁性涂层碳纤维各向异性铺层板反射率的计算是研究其结构吸波材料性能的基础.本文基于磁性涂层碳纤维单向板的电磁特性分析,研究了电磁波在磁性涂层碳纤维复合材料板中的传输特性.首先推导了单层各向异性复合材料板中的传播常数和波阻抗,在此基础上用传输矩阵法进一步推导了适用于带有磁性涂层碳纤维复合材料铺层板的反射特性.利用此计算方法求解了各向异性复合材料铺层板在不同极化入射电场、材料板不同铺层层数、方向、厚度下的反射特性.最终根据以上算法,开发出各向异性复合材料铺层板结构吸波材料反射率的优化设计软件.     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

1-3型压电纤维主动叠层板扭转特性的研究

对4类典型铺层的1-3型压电纤维复合材料主动板的变形模式进行了理论分析。在此基础上对具有扭转变形模式的主动叠层板进行了振动特性分析,得到了该类型主动叠层板在外界电场激励下的稳态解。最后对该类主动叠层板的扭转振动特性进行了深入的研究,包括作用电场强度的大小、频率对扭转特性的影响、压电纤维铺层角和压电纤维体积比对主动叠层板扭转特性的影响等。算例表明本文计算模型和有限元得到的结果符合良好,同时算例结果表明含1-3型压电纤维复合材料主动叠层板具有良好的主动扭转特性。     

复合材料板拉/压-剪复合载荷屈曲相关方程

利用轴向拉伸/压缩和面内剪切载荷构建了一个相互作用函数,并将其通过幂级数展开成二次多项式,利用单轴试验测试的复合材料板屈曲载荷,基于数学原理和合理的假设,推导确定了多项式的各项待定系数,构建了轴向拉伸/压缩和剪切复合载荷下的复合材料板屈曲相关方程,从数学上理性地解决了传统屈曲相关方程不适用于复合材料板（尤其是非均衡铺层板）的问题。利用提出的相关方程预测了4种不同的非均衡铺层复合材料板在轴向拉伸/压缩和剪切载荷作用下的屈曲相关曲线,并与有限元特征值法的模拟结果进行了对比,两者具有很好的一致性,而对于传统相关方程,其铺层的非均衡性越大则预测误差越大。最后通过均衡铺层的复合材料加筋壁板的压剪复合试验进一步证明了提出的相关方程的有效性。     

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。     

复合材料增强铝方管耐撞性数值模拟

基于复合材料增强铝方管准静态轴向压溃试验结果,通过有限元仿真方法研究其耐撞性及压溃吸能特性.建立复合材料增强铝方管双层壳单元有限元模型,进行仿真分析获得其变形失效模式及载荷位移曲线等,通过与实验数据对比验证材料模型及有限元模型的准确性,并进行压溃结果分析.基于验证的有限元模型,研究薄弱环节设置、复合材料纤维铺层角度对其轴向压溃吸能特性的影响.结果表明:顶部设置圆孔薄弱环节比设置45°外倒角更能有效改善吸能特性;随着复合材料纤维铺层角度的增大,其吸能能力会随之增强.     

双向受载裂纹板的胶接修补效果分析

运用有限元方法,分析了双向受载裂纹板胶接复合材料补片后,裂纹尖端的应力强度因子、补片内的最大拉伸应力和胶层内的最大剪切应力。没有补片时,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子没有影响。而裂纹板经复合材料补片胶接修补后,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子具有耦合效应,并且这种耦合效应的大小与补片的铺层含量有很大的关系。     

基于流固耦合的斜激波冲击作用下曲壁板气动弹性分析

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于临界颤振动压时,曲壁板表现出静平衡状态,且随着动压的增大,壁板变形的非对称性越明显。当动压大于临界颤振动压时,壁板振动位移先增大后减小,最终达到稳定颤振状态,且该极限环颤振并不关于初始位置正负对称的。同时,随着动压的增大,壁板颤振的正向峰谷值、负向峰谷值和振幅均逐渐增大,颤振频率则逐渐减小。壁板振动响应规律并不随着壁板弯曲高度的改变而单调递增或递减,较小的弯曲高度可以降低壁板颤振临界动压值,但是当弯曲高度进一步增大后,由于气动非线性特性增强,准周期无规则运动状态被激发了出来,临界颤振动压迅速升高。     

FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

 为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。     

高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析

高超声速飞行器壁板在非定常气动力、热载荷和噪声载荷构成的多物理场联合作用下,将表现出复杂的非线性气动弹性声振响应,特别是在颤振临界动压附近,受热载荷以及声载荷作用,壁板表现出复杂的跳变运动。基于von Karman大变形板理论,建立了热-声载荷和气动力共同作用下的壁板运动方程,分析了超声速气流中受热壁板的屈曲变形及热屈曲稳定性,借助势阱概念初步分析了壁板跳变运动产生的机理。通过定义“穿零频次”给出了跳变运动定量的分类方法,并计算得到不同温升和动压情况下,壁板发生跳变运动所对应的临界声压级。结果表明：在颤振临界动压之前,随着动压的增加,受热壁板势阱的深度先增大后减小,且受热壁板的势阱深度随着温升的增加而增大。     

基于动态吸振器的高超声速复合材料壁板颤振抑制及其优化设计

研究了动态吸振器对高超声速流中复合材料壁板颤振的抑制作用.将壁板和动态吸振器的相互作用力描述为两者相对位移和相对速度的函数,利用von-Karman非线性应变-位移关系和3阶非线性活塞理论,根据哈密顿原理和牛顿第二定律分别建立了壁板和动态吸振器的运动微分方程.采用模态假设法对系统进行离散并进行数值模拟,对动态吸振器的安装位置进行了优化设计.数值计算结果表明:合理选择动态吸振器参数可使壁板临界颤振动压提高51.7%,同时可降低颤振后极限环振动的幅值.      

Stochastic analysis of two dimensional nonlinear panels with structural damping under random excitation

Stochastic behavior of panels in supersonic flow is investigated to assess the significance of including the damping caused by the strains resulting from axial extension of the panel. The governing equations of motion are based on the Von Karman's large deflection equation and are considered with Kelvin's model of structural damping. The panel under study is two dimensional and simply supported for which the first order piston theory is used to account for the unsteady aerodynamic loading. Transformation of the governing partial differential equation to a set of ordinary differential equations is performed through the Galerkin averaging technique. The statistical response moment equations are generated for two modes using the Fokker–Planck equation with a Gaussian closure scheme. The response moments history and their steady state values are considered. Comparison with previous studies shows that the new nonlinear damping term developed through modeling has a significant effect on the response moments. This is verified through analysis of the effects of external pressure and in-plane force spectral density, air-to-structure mass ratio and structural damping ratio on the mean square value of modal amplitudes.     

Suppressing nonlinear aeroelastic response of laminated composite panels in supersonic airflows using a nonlinear energy sink

This paper proposes using a Nonlinear Energy Sink (NES) to suppress the nonlinear aeroelastic response of laminated composite panels in supersonic airflows. Relevant aeroelastic equations are established using Hamilton’s principle and a finite element approach, drawing upon Von Karman’s large deflection theory and first order piston theory. The idea of the NES suppression region is proposed and the effects of NES parameters on the NES suppression region are studied in detail. The results show that the nonlinear aeroelastic responses of the panel can be completely suppressed by the Transient Resonance Capture (TRC); the appropriate NES parameter values can increase the critical dynamic pressure for flutter and suppress the nonlinear aeroelastic response effectively. Increasing the mass ratio of the NES can improve the NES suppression region; the nonlinear stiffness coefficient and damping of the NES within a specific range can suppress the nonlinear aeroelastic response. The most effective installation position for a NES is in a specific region behind the center-line of the panel in the direction of the airflow.     

粘弹壁板颤振的非线性动力特性

研究粘弹材料壁板在超声速气流作用下颤振时的分岔及混沌等复杂动力学特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立壁板的动力学方程,通过线性活塞理论建立气动力模型。利用迦辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,并使用Gear的BDF方法进行数值求解。通过数值模拟研究了该系统在粘弹阻尼作用下的动力学行为以及粘弹阻尼的影响。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统表现出丰富的动力学行为,其二次分岔特性很复杂。随着粘弹性阻尼的增大,系统的稳定解区域在减小,而静态屈曲解几乎不受影响,同时发现混沌运动区域也随着粘弹阻尼的增大而减小。     

热弹性复合材料层合板的响应分析

利用混合变分原理,考虑了热平衡方程与导热方程中变量的对偶关系,通过增加非齐次正则方程的维数,成功地将热弹性体机一热耦合问题的非齐次Hamilton正则方程转化为能独立求解的齐次Hamilton正则方程．所以大大简化了问题的求解。并通过数值实例研究了在温度栽荷和动力栽荷作用下及考虑阻尼的四边简支复合材料层合板的响应问题。     

Aeroelastic stability analysis of heated flexible panel subjected to an oblique shock

The critical conditions for aeroelastic stability and the stability boundaries of a flexible two-dimensional heated panel subjected to an impinging oblique shock are considered using theoretical analysis and numerical computations, respectively. The von-Karman large deflection theory of isotropic flat plates is used to account for the geometrical nonlinearity of the heated panel, and local first-order piston theory is employed in the region before and after shock waves to estimate the aerodynamic pressure. The coupled partial differential governing equations, according to the Hamilton principle, are established with thermal effect based on quasi-steady thermal stress theory. The Galerkin discrete method is employed to truncate the partial differential equations into a set of ordinary differential equations, which are then solved by the fourth-order Runge-Kutta numerical integration method. Lyapunov indirect method is applied to evaluate the stability of the heated panel. The results show that a new aeroelastic instability (distinct from regular panel flutter) arises from the complex interaction of the incident and reflected wave system with the panel flexural modes and thermal loads. What’s more, stability of the panel is reduced in the presence of the oblique shock. In other words, the heated panel becomes aeroelastically unstable at relatively small flight aerodynamic pressure.     

压电热弹性体开口壳的响应分析

根据广义的Hamilton变分原理推导出了压电热弹性体非齐次的Hamilton正则方程。结合压电热弹性体平衡方程和热平衡方程,成功地导出了压电热弹性体机、电、热耦合问题的齐次状态方程。将非齐次方程转化为齐次方程不仅使问题变得大为简化,同时也减少了数值计算的工作量。数值实例研究了温度载荷和力载荷作用下压电热弹性材料四边简支层合开口壳的响应问题。