细观周期性结构复合材料热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法及有限单元法实现

针对周期性结构复合材料,根据稳态热固耦合平衡方程,将弹性矩阵和导热系数矩阵进行合并,将位移和温度作为空间场量同时进行小参数渐进展开,利用摄动理论和均匀化理论,推导并建立了周期性结构复合材料稳态热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法。将复合材料力学分析从单一物理场推广到热固耦合场,为实现复合材料构件的热固耦合多尺度力学分析建立了基础。根据建立的偏微分方程式,利用变分原理推导得到其有限单元形式,用VC++6.0开发了热固耦合双尺度渐进均匀化分析程序。为验证该方法预测复合材料宏观等效性能的准确性,对纤维体积含量从20%到80%的单向纤维增强复合材料宏观等效参数进行了计算。当纤维体积含量低于65%时,得到的计算值与实验值吻合良好。更加真实地还原复合材料细观结构模型,计算精度将进一步提高。     

复合材料层合板的二次失稳和破坏研究

 本文采用考虑横向剪切效应的三角形拟协调罚函数单元,推导了带有初始挠度的复合材料层合板在后屈曲阶段的增量平衡方程和相应的切线刚度矩阵,以及非线性特征方程,并以数值计算研究了单元的精度和收敛性,二次分支点的存在性和边界条件、加载方式及铺层次序对二次失稳和破坏载荷的影响。     

H型叶栅通道流计算网格的改进

提出一种壁面正交、尾迹区网格节点分布逐渐均匀化叶栅通道网格生成方法。为了研究壁面处网格正交性对数值计算结果的影响，推导出壁面附近流动参数一阶导数离散误差与网格线交角的数学关系。采用N-S方程分别对平板紊流附面层流和叶栅通道流进行计算分析。结果表明：壁面处网格正交性对附面层内流动计算预测精度影响较大，而对势流区流动影响很小；尾迹区切向网格节点逐渐均匀化分布能更准确计算尾迹区流动。     

无网格方法关于导数计算的程序验证

为了提高无网格方法对空间导数的数值计算能力,提出并论证了新的适用于直角坐标系、柱坐标系和球坐标系的空间导数无网格算法。基于数值解与理论解的对比分析,对数值误差和收敛性进行了后验评估。评估结果表明:该算法对函数和导数的估计均为2阶精度,支撑域尺度对数值误差的大小有一定影响,但不影响数值计算的精度等级。在离散尺度h为0.01的条件下,对所选函数及其导数的数值计算相对误差不大于0.65%。      

基于一种新的均匀化实施方法的FRP刚度预测

基于一种新的渐近均匀化(AH)实施方法,预测并讨论了单向纤维增强复合材料(FRP)的宏观等效弹性性能及纤维排列方式对等效力学性能的影响。该方法方便地将有限元分析(FEA)软件作为一个工具箱使用,只需在单胞上施加简单位移周期边界条件开展静力学分析,即可经过简单计算得到等效弹性常数,相比传统均匀化实施方法显著降低了实施难度并简化了计算过程。通过对比不同数值方法的结果验证了该方法的有效性和精确性。数值结果表明:六边形排列下单向纤维增强复合材料呈现横观各向同性,而正方形排列下则呈现宏观正交各向异性,经过刚度平均化过程可得到横观各向异性材料性质,纤维体积含量对两种排列方式下材料等效弹性模量影响显著但有所差别。     

复合材料叠层结构剖面翘曲修正理论

 首先假设复合材料叠层结构的面内位移沿厚度方向为直线分布,然后根据剪切变形进行连续修正,获得逐步升高的各阶翘曲位移分布函数。文中以叠层梁为例,应用最小势能原理导出其静力方程和力的边界条件。在长度方向则采用升阶谱位移函数,进行了数值计算。所得叠层梁的位移和应力分布的数值结果与精确解相比,表明本文方法有很好的收敛性。     

复合材料层合板三点弯曲损伤失效数值研究

建立了一种基于实体单元的损伤计算模型，利用该模型可以对基体失效、纤维断裂和层间分层三种基本损伤形式进行分析。对复合材料层合板三点弯曲失效过程进行数值研究，通过与相关试验结果进行对比，证明该损伤计算方法是合理的。通过分析网格密度和计算步长对最终载荷-位移响应的影响，可以发现网格密度在达到一定水平后。继续细化网格对最终载荷位移曲线不会产生影响；而迭代步长对最终载荷位移响应的影响比较大。     

广义最优准则法研究

 利用函数的二阶Taylor级数展开,将原问题转化为一系列的近似问题,并基于Kuhn-Tucker条件,直接给出了一种新的设计迭代式。该迭代式被证明是二次收敛的。本文所提方法可同时处理各种不同类型约束的结构优化问题,具有广义最优准则法的意义。在结构优化领域,灵敏度分析是重要的研究内容之一。本文利用广义虚载荷概念,建立了应力、位移响应的一阶和二阶导数计算公式。该导数公式对弹性矩阵未加限制,且适用于元素内应力非常值的元素。 本文处理了具有几何约束、应力约束和位移约束的结构优化设计问题。数值结果表明,此方法的计算效率很高,一般仅需2～3次分析迭代便可达工程所需的精度要求,具有实用价值。     

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料，提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵，利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素，说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性，分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率，结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高，而计算量比一般有限元方法大幅度降低。     

高保真气动伺服弹性系统降阶技术研究

采用高保真非定常气动力辨识技术获得的气动伺服弹性(ASE)系统时域模型往往阶次较高,不利于控制系统设计的应用.为了有效降低高阶ASE系统阶次,研究了高保真ASE模型的降阶特性,分别采用平衡截断、奇异摄动以及平衡奇异摄动模型降阶技术,结合BACT系统讨论了各种方法在ASE模型降阶中的应用情况,通过仿真比较得知,平衡奇异摄动法应用于ASE模型的降阶具有一定的优势,可以大幅降低模型阶次,且能够保证降阶模型的精度.     

结构静力数学模型的精化

用有限元方法获得的结构初始数学模型受多种因素影响,同真实结构相比存在着误差,直接用初始模型进行破坏载荷与破坏部位预计往往难于准确。重要结构尤其是飞机结构的静力破坏试验需要预估破坏载荷与破坏部位,以便合理安排试验大纲。本文建议从静力平衡方程出发,利用非破坏静力试验结果精化结构有限元初始理论模型,提高应力—应变分析结果的精度,进而提高破坏载荷和破坏部位的预估精度。模拟试验结果证明了本文方法的可靠性和可行性。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

Research on failure criterion of composite based on unified macro- and micro-mechanical model

A new unified macro- and micro-mechanics failure analysis method for composite structures was developed in order to take the effects of composite micro structure into consideration. In this method, the macro stress distribution of composite structure was calculated by commercial finite element analysis software. According to the macro stress distribution, the damage point was searched and the micro-stress distribution was calculated by reformulated finite-volume direct averaging micromechanics (FVDAM), which was a multi-scale finite element method for composite. The micro structure failure modes were estimated with the failure strength of constituents. A unidirectional composite plate with a circular hole in the center under two kinds of loads was analyzed with the traditional macro-mechanical failure analysis method and the unified macro- and micro-mechanics failure analysis method. The results obtained by the two methods are consistent, which show this new method’s accuracy and efficiency.     

发动机吊挂与机翼连接接头强度分析与试验

飞机吊挂与机翼连接接头主要用于传递来自动力装置的载荷,是飞机结构强度设计的关键件。为了精确分析吊挂与机翼连接接头强度及应力应变分布规律,设计了一套接头强度静力试验系统,研究了接头强度有限元建模方法。以总体有限元分析得到吊挂与机翼连接接头载荷为基础,建立了接头的细节有限元模型,分析了对接头强度影响较为严重的两种工况。有限元分析结果与试验结果对比,验证了接头强度有限元建模方法合理,对民机发动机吊挂与机翼接头设计具有应用参考价值。     

复合材料翼面结构的自振和颤振分析及优化设计

 建立复合材料翼面结构的有限元静力分析模型。采用柔度方法作静力模型到动力模型的转变,进行结构固有特性分析,并研究了频率约束下的优化设计。运用亚音速马蹄涡——振荡偶极子格网法计算了谐振翼面的三维非定常气动力,并对两种真实翼面进行了颤振分析,结果令人满意。推导了非定常气动力和颤振响应参数对设计变量的导数,研究了颤振约束下的优化设计。     

复合材料机械连接结构分析中的接触算法适用性研究

采用有限元方法计算复合材料机械连接结构孔边接触应力分布时,需要保证其结果的可靠度。分别以Nastran、Marc和Abaqus为平台,研究小滑移接触检测技术和有限滑移接触检测技术以及拉格朗日乘子法、直接约束法和罚函数法等接触约束施加技术的基本原理与特点,结合复合材料销钉连接结构应力分析实验与数值计算,验证各接触算法的准确性和适用性。结果表明:在复合材料机械连接结构有限元分析中,应当采用有限滑移接触检测技术和罚函数接触约束施加方法以提高计算精度。     

复合材料螺旋桨扭转变形对推力脉动影响研究

本文基于面元法和有限元法,采用Fortran和Python语言混合编程,开发了求解复合材料螺旋桨稳态流固耦合的自迭代算法,并以某碳纤维桨为对象开展了静态加载变形试验和水动力性能试验,对自迭代算法有限元计算精度和水动力计算精度进行了试验验证。在此基础之上以大侧斜的4383复合材料螺旋桨为研究对象,采用该算法对4383复合材料螺旋桨在设计工况下的螺距角变化量和推力系数差值之间的对应规律进行了研究,结果表明大侧斜的4383复合材料螺旋桨能够有效降低推力脉动。     

多钉连接件钉传载荷计算的一个解析方法

对多钉连接件钉传载荷的计算问题提出了一个解析分析方法,推导了求解钉载的线性代数方程组并给出了若干算例。该方法使用方便,并具有工程分析所要求的精度。     

Collaborative force and shape control for large composite fuselage panels assembly

This study proposed a force and shape collaborative control method that combined method of influence coefficients(MIC) and the elitist nondominated sorting genetic algorithm(NSGA-II) to reduce the shape deviation caused by manufacturing errors, gravity deformation,and fixturing errors and improve the shape accuracy of the assembled large composite fuselage panel. This study used a multi-point flexible assembly system driven by hexapod parallel robots. The proposed method simultaneously considers...