新复合材料全高度变厚度夹芯组合结构等参元分析

新复合材料结构的发展要求用较精确的计算方法代替过去较粗裢的工程计算法分析结构的应力应变。本文结合 X-X 改型飞机操纵面的改进,针对全高度变厚度 Nomex 纸蜂窝芯、碳纤维面板夹芯翼面与实心碳纤维梁、空心前缘组合结构,讨论了计算原理、分析方法、介绍了计算模型和程序编制方法,并编制了计算程序,按用于微机 IBM-PC 及其兼容机编制,使计算费用大为降低。此程序可广泛应用于复合材料平面或曲率不大的夹芯结构,如翼面、地板、舱盖等。文中以调正片为例进行了计算,与原试验结果对比表明,应力、应变和变形分布正确,精度达到航空工程实用要求。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

多孔夹芯多层复合板的总传递矩阵及其吸隔声分析应用

以多孔夹芯多层复合板新材料为研究对象,在推导验证多孔材料传递矩阵和均质材料传递矩阵的基础上,建立了可随叠层顺序任意组合的总传递矩阵,借助matlab编制了相关程序软件,对多孔夹芯多层复合板的隔声量和吸声系数进行了理论分析计算,探讨了不同材料参数,不同叠层组合对复合材料的隔声量、吸声系数的影响,该总传递矩阵及其总隔声量与吸声系数理论计算公式的建立为研发新型轻量化多层复合吸隔声板提供了有效手段。     

无传载紧固孔的疲劳寿命估算

本文根据紧固件与紧固孔的间隙配合、平滑配合或干涉配合情况具有的不同接触应力和干涉应力、应变分析特点,研究了用Neuber方程分析孔边局部应力、应变等循环参数和用Manson-Coffio应变疲劳寿命方程估算无传载紧固孔的痨劳寿命方法。例举的紧固件与紧固孔不同配合试验件的疲劳寿命试验结果与本文利用应力严重系数法分别计算的结果对比表明,本文所述的无传载紧固孔疲劳寿命估算方法与试验结果是比较一致的。这一循环参数分析和疲劳寿命估算方法为典型机翼下壁板结构的疲劳寿命估算建立了基础。     

石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板剪切后屈曲性能研究

针对石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板,研究其在剪切载荷作用下的极限承载能力,分析其损伤破坏模式。使用二维Hashin准则和二次名义应力准则作为混杂复合材料加筋壁板的层内和层间失效判据,建立了考虑渐进损伤的剪切破坏分析模型,并在ABAQUS有限元软件平台进行建模与求解。开展了石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板剪切试验,测量其破坏载荷,获得其典型破坏模式。仿真结果与试验结果的屈曲载荷和破坏载荷相对误差均在15%以内,破坏模式一致,验证了该建模分析方法的可行性与有效性。     

钛合金蜂窝壁板隔热性能试验研究

针对钛合金蜂窝夹层结构的隔热性能进行试验研究。试验中研究了在300 ℃稳态条件下，蜂窝芯格尺寸、芯格高度和芯格壁厚等参数对隔热性能的影响规律；分析了各几何参数对隔热性能的敏感度；测试了不同温度条件下钛合金蜂窝夹层结构壁板的等效导热系数。试验结果表明：增大蜂窝芯格尺寸和芯格高度，减少芯格壁厚均有利于提高蜂窝壁板的隔热效果；不同几何参量对钛合金蜂窝夹层结构隔热效果的影响敏感程度从大到小依次为：芯体高度、芯格尺寸和芯体壁厚；钛合金蜂窝壁板的等效导热系数随温度的升高而增大，相同温度下钛合金蜂窝壁板的等效导热系数约为钛合金材料的3%~5%。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

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.     

复合载荷作用下飞机机身壁板快速优化设计方法

建立了飞机机身壁板在剪切、弯矩和扭矩复合载荷作用下的安全裕度之计算公式,编写了满足强度要求的优化迭代算法,应力计算结果与有限元分析结果吻合良好。不需要借助有限元软件即可实现应力分析、强度计算与优化迭代一体化流程,缩短了机身壁板优化设计周期。本文流程和方法同样适用于异形剖面机身壁板的参数优化设计,应用范围广。     

基于CFD/CSD耦合技术的复合材料机翼操纵效率分析

以某无人机大展弦比复合材料机翼为背景,依据计算流体力学(CFD)与计算结构力学(CSD)的弱耦合方法开展副翼操纵效率影响因素研究,其中对带有间隙的流场进行多块处理分割出不同的流场以提高网格质量和实现快速建模。主要研究了不同的副翼偏转角、飞行马赫数和迎角对副翼操纵效率的影响,并分析了不同飞行状态下机翼升力、机翼结构弹性变形与副翼操纵之间的关系。结果表明:副翼操纵效率的改变与机翼结构变形有关,增加机翼的扭转刚度可以减小操纵效率随着飞行状态加剧而下降的幅度。     

AD200玻璃纤维蜂窝夹芯结构强度的建模与分析

提出了AD200 双座轻型飞机玻璃纤维纸质蜂窝夹芯结构有限元分析的建模假设,利用试验测得的玻璃纤维(0/90°),(±45°)材料基本性能数据,按复合材料层合板理论得到了实际结构不同组合铺层的材料弹性常数。用通用有限元程序对AD200 飞机实际结构进行了强度分析,并与静力试验结果进行比较,两者吻合很好。结果表明,模型简化合理,材料试验数据可靠     

含面芯脱粘边缘闭合蜂窝壁板压缩稳定性研究

基于有限元软件ABAQUS,分别建立了无损伤和含板芯脱粘缺陷的边缘闭合蜂窝壁板的三维有限元模型。利用3种建模方法对比研究了边缘闭合蜂窝壁板在压缩载荷作用下的屈曲载荷规律和失稳模式。采用夹芯板理论将蜂窝芯等效为正交各向异性结构,板芯之间的胶层使用cohesive单元进行模拟。研究结果表明:随着脱粘尺寸的增加,蜂窝壁板的屈曲载荷呈现下降趋势;当30 mm≤D≤80 mm时结构由混合屈曲过渡到局部屈曲;两种等效模型发生局部屈曲后,无论是结构的屈曲载荷规律和屈曲载荷值还是失稳模式,均近似接近原始模型结果。     

机身整体壁板在轴压载荷下后屈曲计算及结构优化

以民机机身组装壁板为基准,设计了等重量的整体壁板结构,并分别建立了两种壁板的有限元模型.通过组装壁板轴压试验结果与非线性、大变形的有限元计算结果比较,对有限元模型进行了验证,两者结果吻合很好.在此基础上,有限元计算分析得出了组装壁板与整体壁板在轴压载荷下的破坏形式与承载能力的差异.结果表明,整体壁板承载能力比现有的组装壁板承载能力提高了18.4%.最后基于有限元模型与二次响应面模型对整体壁板尺寸进行优化,优化后壁板轴压承载能力不变,结构重量减轻了8.7%, 故为整体壁板设计提供了很好的依据.     

空间智能天线夹芯结构热变形力学分析

空间智能天线夹芯结构是一种集承载、维形和微波通讯于一体的多功能结构。该结构将微带天线阵列植入复合材料夹芯结构蜂窝芯体中,既满足了结构力学和热力学性能要求,又满足了被植入天线的电性能要求,实现了空间结构的多功能化,降低了系统综合质量。本文针对低地球轨道的空间热环境,选取低热膨胀系数、低密度、高强度、高模量、耐高温及透波性好的复合材料,基于复合材料力学经典理论分析设计了面内热膨胀系数接近于零的复合材料蜂窝夹芯结构面板,并且对空间智能天线夹芯结构在低地球轨道典型空间环境下的结构热力学响应进行了有限元分析。结果表明,该空间多功能智能天线夹芯结构可以满足在轨空间温度环境下结构变形指标要求。     

起圈织物泡沫夹芯复合材料Ⅰ/Ⅱ型断裂韧性研究

夹芯复合材料在受到弯曲、剪切和冲击等载荷作用下易发生脱层损伤。脱层损伤程度与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性密切相关。起圈织物由于在其厚度方向引入环状纤维束，增强了与芯层的结合能力，使其在抗分层方面性能优良。本文主要研究起圈织物泡沫夹芯复合材料的Ⅰ/Ⅱ型界面断裂韧性。根据试验标准分别制作了平纹织物泡沫夹芯复合材料和起圈织物泡沫夹芯复合材料。采用双悬臂梁试验（Double cantilever beam, DCB）和末端缺口挠曲试验（End notch flexure, ENF）对上述试验件的增韧机理进行了研究。研究表明，环状纤维束的引入大大提高了界面性能。起圈结构相较于平纹结构的Ⅰ型断裂韧性GⅠC提高了434%，Ⅱ型断裂韧性GⅡC提高了400%。通过建立有限元模型，采用内聚力模型来描述裂纹的扩展，数值结果与试验结果吻合较好。     

基于辐射和传导耦合的蜂窝夹芯结构传热性能分析

对防热系统的蜂窝夹芯结构,采用全灰体假设同时考虑热传导和热辐射两种传热形式对温度场的耦合作用,利用稳态时热流量守恒建立了蜂窝芯层温度场的非线性积分方程.离散化后利用数值方法得到方程组的数值解,计算结果与美国兰利研究中心的实验结果吻合得较好.利用计算结果, 讨论了下面板、柱体层的灰度、蜂窝结构长径比对结构温度场的影响.     

基于CFD/CSD/CAA耦合的声气动弹性仿真技术在壁板颤振中的应用

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学/计算气动声学（CFD/CSD/CAA）耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算。采用D’Alembert原理和有限元方法建立了二维简支壁板在超声速流作用下的非线性动力学方程,并在时域内进行求解。其中几何非线性采用Von Karman大变形理论描述。以二维弹性壁板作为研究对象,研究了超音速流场中噪声、气动力、和壁板之间的相互作用所产生的非线性颤振现象。     

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。     

预测疲劳裂纹形成寿命的局部应力应变方法之评述

本文较为详细地综述了预测疲劳裂纹形成寿命的局部应力应变法，分析评论了各种算法的优劣，分析了三个试验和计算的结果，结果表明，瞬态应力-应变曲线和等效应变-寿命曲线的组合算法精度最好。     

复合材料帽型加筋壁板轴压稳定性研究

本文的主要目的是研究复合材料加筋壁板的失效模式与屈曲稳定性。根据真实飞机结构,采用了帽型加筋壁板试验件构型。在本文中,通过试验方法来研究帽型加筋壁板的稳定性,分析了壁板端部设计与端部加载夹具等因素。同时,提出了一种计算帽型加筋壁板的屈曲载荷的工程方法。计算结果与试验数据吻合的非常好。