考虑应变依赖性的硬涂层复合结构有限元分析

在简要介绍硬涂层材料应变依赖性的基础上,推导了用迭代有限元法求解硬涂层复合结构动力学特性的原理,进一步提出了求解硬涂层复合结构固有频率和振动响应的计算流程,即由振动响应值来修正硬涂层材料参数,进而迭代求解硬涂层复合结构的动力学参数.最后以一个涂敷MgO+Al₂O₃硬涂层的悬臂梁为例进行了实例研究,在考虑MgO+Al₂O₃硬涂层材料应变依赖性的基础上,获得了不同激励幅度下悬臂梁的固有频率和振动响应,并与线性计算结果进行了比对.结果表明;该硬涂层复合结构悬臂梁具有软式非线性,同时,对应于不同的激励幅度,迭代计算获得的共振响应相对于线性计算值减少了29%~48%,说明硬涂层材料的应变依赖性会进一步增强硬涂层的减振效果.      

基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预报

针对传统有限元建模黑箱操作多、计算成本大、不具有自主知识产权等问题,基于经典层合板理论,随机振动理论和Miner线性积累损伤准则,建立了基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预测的解析模型。基于应力模态法,推导了纤维增强复合薄板的应力频响函数,在考虑随机激励的基础上,得到了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。通过Dirlik、Bendat和Benasciutti-Tovo三种频域模型对应的概率密度函数,成功求解了相应的振动疲劳寿命。另外,采用ANSYS与nCode软件对模型及其预测结果的正确性进行了验证,研究发现该模型寿命计算结果相对于商业软件计算结果的偏差不超过14.8%,但计算效率提高了17%～33%。因此,该模型可为预测随机激励下各向异性复合薄板的振动疲劳问题,提供一种思路和工具。     

悬臂边界下纤维增强复合薄板固有频率计算及验证

采用理论与实际相结合的方式,对悬臂状态下纤维增强复合薄板的固有频率进行了计算及验证.首先,针对纤维增强复合薄板的结构特点,考虑了纤维方向的影响,对其进行了理论建模.然后,基于正交多项式法来表示振型函数,并通过Ritz法对该类型复合薄板的固有频率进行求解.最后,搭建了该类型复合薄板结构的固有特性测试系统,并以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为例,对其固有频率进行了测试.验证结果表明:基于正交多项式法的纤维增强复合薄板固有频率计算结果与实验结果的相对误差在2.2%~9.7%之间,进而验证了所提出的固有频率计算方法的正确性.      

纤维柱增强泡沫夹芯板的压陷行为研究

为了研究纤维柱增强复合材料夹芯结构静态压陷力学行为,通过李兹方法与叠加原理相结合,建立全新的纤维柱增强复合材料夹芯结构的压陷力学模型,该模型回避了计算结构应变能的困难。通过理论计算可以得出,与传统泡沫夹芯结构相比,纤维柱增强复合材料夹芯结构很大程度上限制了压陷区的扩展,降低了结构的压陷损伤,有效提高了结构的剩余强度。     

SiC/TC4复合材料轴结构力学性能分析及试验验证

为了对连续纤维增强金属基SiC/TC4复合材料轴结构进行结构完整性研究,利用复合材料力学性能半经验公式、经典层合板理论与层合轴结构本构关系,建立与复合材料轴结构验证模型尺寸相同的有限元仿真计算模型,对连续纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的力学性能及响应进行预测与试验验证;并在验证的基础上对复合材料轴结构进行了力学性能进行了分析。结果表明:仿真计算结果与试验数值之间误差在5.7%以内,说明分析中使用的理论、方法与模型可靠;在复合材料轴结构总厚度4.5mm与铺层数不变的情况下,±45°交替铺层更有利于扭转刚度的提升,且复合材料层位于轴结构厚度的中间时,复合材料轴结构具有更高的结构效率。     

泡沫铝填充薄壁管复合结构压缩与吸能性能

采用填加造孔剂法制备泡沫铝,将其填充入6061铝合金薄壁管中制备填充复合结构,通过准静态压缩实验研究填充间隙、黏结方式以及薄壁管的壁厚等参数对泡沫铝填充管力学和吸能性能的影响,确定最佳制备参数。通过准静态压缩实验和落锤冲击实验,研究在不同应变率下单一与复合结构的力学和吸能性能特点。结果表明:在准静态压缩实验中,当应变为60%,泡沫铝填充管的吸能量是泡沫铝与薄壁管二者数值加和的122%;在冲击实验中,和单一结构相比,复合结构的冲击载荷更加稳定,且具有更高的平均冲击载荷,吸能能力更强;相对于单独的泡沫铝,泡沫填充薄壁管在压缩和冲击吸能方面均有较大的提升。     

光纤布拉格光栅应变传感特性研究

利用铝合金标准梁和复合材料标准梁的纯弯实验,标定了光纤布拉格光栅（FBG）的应变灵敏度系数,与理论灵敏度系数进行了对比,检验了布拉格光栅中心波长的变化与应变的线性关系及重复性。研究结果表明：布拉格光栅监测金属和复合材料的应变具有良好的重复性和线性关系,可以用于结构关键部位的应变监测。     

基于行波与模态的混合方法对Timoshenko梁进行振动主动控制

 基于Timoshenko梁理论，采用波控制和独立模态空间混合方法，对悬臂梁的振动控制问题进行研究。采用波控制方法实现对Timoshenko梁结构的一点或多点的横向位移的振动控制。首先,基于结构的整体运动,采用模态坐标控制方法，对结构振动进行整体控制设计。而后，基于结构的局部性质，采用波方法吸收结构振动中的高频能量并求出Timoshenko梁中波的反射因数和透射因数。理论上研究了单位力扰动下的悬臂梁的振动。考虑的具体方法是将PD反馈波控制与基于极点配置法设计的模态控制相结合。最后给出数值结果。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

基于PAM-CRASH的蒙皮典型结构高速冲击仿真

以典型蒙皮结构为研究对象，分别对由2024－T3铝合金和碳纤维复合材料交替层压而成的FMLs以及2024－T3铝合金蒙皮进行高速冲击有限元仿真，并进行了损伤对比。其中，铝合金层和碳纤维层均采用最大应变准则。利用碰撞模拟分析软件PAM-CRASH以及采用SPH弹体对冲击模型进行仿真，结果显示在相同冲击能量下，加了支承结构的蒙皮在损伤抗性方面有了明显提升，并在此基础上分析不同的纤维铺层角度和铺层方式对FMLs蒙皮性能的影响。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法

提出了基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法。基于非线性压缩变换构造了理论分析信号,并推导获得了复合结构系统非线性阻尼的表达式,明确了从时域测试角度获取非线性阻尼参数的理论原理。编写了Matlab算法,并用数值算例证明了该算法的正确性。总结并概括出一套合理、规范的测试流程,并对TC500碳纤维/树脂基复合薄板进行了实际测试。实践证明,利用所提出的方法可以有效获得复合薄板在不同衰减时刻对应的阻尼参数,该方法可以用来定量评价不同振动幅值及频率下复合结构的非线性阻尼特性。      

短纤维增强铝硅合金中共晶硅形貌的SEM观察

利用挤压铸造制备了氧化铝短纤维增强铝硅合金复合材料，在sEM上观察了复合材料中的共晶硅形貌。结果表明，复合材料中的氧化铝短纤维可作为硅相非自发形核的衬底，并且在铝硅共晶体的共生生长过程中，可触发孪晶，导致纤维附近的共晶硅呈变质形态。     

一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件，而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁，现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数，提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明，本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时，具有较高的计算精度，能够准确预测层合梁的分层。另外，该模型预先满足横向剪应力层间连续条件，无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少，不含横向位移的一阶导，便于C⁰梁单元的构造。     

利用多普勒原理测量微机电系统中微结构的动态特性

介绍了将显微扫描激光多普勒测振仪与基础激振法相结合的微结构动态特性的非接触无损测量方法、扫描激光多普勒测振仪的工作原理、设计的基础激振器及其驱动信号.并给出典型微结构--微悬臂梁的测量结果.测量结果与理论计算及有限元仿真结果相符,验证了该方法的有效性.     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题，基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子，基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程，求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性，构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型，预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明，提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近，因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的数值模拟

应用基于应变能的有限元方法研究了纤维增强复合材料的阻尼特性,此方法从单向复合材料的阻尼性能参数出发,通过有限元模态分析得到复合材料结构的模态损耗因子,与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性。该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。本文将该方法应用于一种复合材料等间距正交网格加筋板的阻尼特性分析,考察了加筋对复合材料层合板阻尼特性的影响。