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。     

复合材料、蜂窝夹层和/或金属结构有限元分析

本文针对复合材料层钣的特点发展一种新的层钣有限元分析方法,建立了等参体元、超参壳元、体-壳过渡元及元外节点元的刚度矩阵。这些元素适用于各向同性材料、正交异性材料、蜂窝夹层和/或复合材料层钣的有限元分析,可以逼真地描述形状复杂的结构;还可以用来解决当前复合材料层钣研究的重大课题——层间应力计算问题。从工程应用出发,探讨了上述各种结构的最大承载能力,利用增量变刚度法提出一种解决复合材料这一非线性问题的分析方法。文中给出了一些算例,计算结果表明,所述方法是十分有效的。     

高度修正实现刚度等效的梁结构有限元建模方法

民用飞机中对于梁结构的有限元建模,一般采用刚度等效方法将梁建成杆单元与剪切板单元的组合形式,这种有限元简化方法仅能保证截面刚度与真实截面刚度近似等效,但有限元中的截面面积与实际面积却相差较大,致使有限元分析的结果不能准确反映结构严重部位的应力情况。针对传统刚度等效有限元建模方法的不足,提出一种采用高度修正的刚度等效有限元建模方法;将该方法的计算结果与传统建模方法的计算结果、理论计算结果、试验测量结果进行对比。结果表明：本文提出的高度修正的有限元建模方法比传统杆板系建模方法更准确,与试验结果更接近。将该方法用于民用飞机结构有限元建模,能够对真实结构进行更准确地模拟,分析结果也更精确,对民用飞机结构的强度分析和安全保障具有重要的意义。     

复合材料闭剖面加筋薄壁梁刚度系数计算分析

复合材料的可设计性为通过弹性剪裁来获得想要的变形模式带来了优势,其结构的耦合特性如拉扭耦合和弯扭耦合可以利用复合材料的各向异性来实现。以薄壁壳结构力学理论为基础,采用多种理论方法研究分析正交各向异性壳体本构关系,给出适合复合材料层压板矩形闭剖面薄壁梁截面的刚度系数解析表达;采用逐阶近似方法,完整设计复杂闭剖面的刚度系数数值算法;针对两种典型的复合材料铺层的矩形闭剖面梁截面布局构型,进行刚度特性的计算分析与讨论,获得铺层角度对复合材料薄壁梁弯曲、扭转及弯扭耦合刚度特性的定量结果。对分析设计闭剖面薄壁结构刚度条件具有应用价值。     

基于能量等效的直齿锥齿轮时变啮合刚度计算

针对直齿圆锥齿轮啮合刚度的计算问题,从微元思想出发,将变截面齿廓划分为若干等截面微段齿段,基于能量等效建立微段齿段啮合刚度计算模型,并利用积分方法获得单齿啮合刚度。此外,基于力平衡和变形协调条件进一步提出了齿轮时变啮合刚度计算模型,同时根据几何关系导出了相应传动误差计算式。利用有限元分析对解析计算模型进行了验证,并分析了误差来源。结果表明:利用该模型不仅能够将直齿锥齿轮啮合刚度计算精度保证在2%以内,还达到了快速求解的目的。      

缠绕角度对碳/环氧厚壁管件轴压性能影响的有限元分析

建立厚壁缠绕管件的轴压有限元模型,分析相同压缩载荷条件下不同缠绕角度对管件轴压模量,径向形变和剪应力的影响,并对厚壁缠绕管件在轴压载荷下的破坏模式和部位进行了预测分析。结果表明:受轴压管件的缠绕角度宜控制在20°以内,对管件端头进行环向缠绕加强可以提高管件的轴压强度和刚度。     

层状球面弹性轴承刚度设计、仿真与试验

从理论上推导了层状球面弹性轴承各橡胶层的压缩刚度和扭转刚度计算公式,通过具体算例,将层状球面弹性轴承各橡胶层压缩刚度和扭转刚度的理论计算结果与仿真结果进行了对比分析.结果表明:各橡胶层压缩刚度的理论计算结果与仿真结果基本吻合,最大误差为3.98%.各橡胶层扭转刚度的仿真结果与理论计算结果存在一定偏差,从小接头开始的前半部分橡胶层扭转刚度的仿真结果大于理论计算结果,最大误差为33.3%;后半部分橡胶层扭转刚度仿真结果小于理论计算结果,最大误差为32.8%.压缩刚度对压力变化表现的非线性特性不明显,扭转刚度则随扭转角的增大,其非线性特性变得越显著.但通过理论方法、有限元仿真方法得到的层状球面弹性轴承等效压缩刚度和等效扭转刚度与试验结果吻合良好.      

颗粒填充复合材料的应变统计特征与刚度模量

针对填充颗粒体积份数高、随机分布的复合材料,基于一种特定应变分解方式,利用有限元数值分析,研究了任意宏观变形条件下代表性体积单元内应变分布的统计规律,分别得到了颗粒与基体内应变的平均值、应变的涨落值与宏观应变之间的统计关系,并对颗粒填充复合材料的等效剪切模量和等效体积模量进行了预测。     

复合材料壳体与喷管卡环连接结构分析

用大变形接触有限元程序对复合材料壳体与喷管卡环连接结构进行了分析, 计算结果表明卡环连接结构能可靠地连接和密封, 结构应力低, 是可行的。本文还讨论了某些结构参数对密封效果的影响, 通过计算说明在卡环连接结构中应使用潜入式接头。计算还表明将复合材料旋转壳视为等效正交异性轴对称体进行计算, 能得到令人满意的结果。      

整体化结构成形软模对压力传递的影响数值分析

基于层合板理论,给出了纤维增强橡胶软模的等效刚度的预报方法.采用有限元分析方法分析了橡胶软模对复合材料整体化结构固化成型过程中对压力传递的影响.     

客舱地板斜撑杆对民机典型机身段耐撞性能的影响

针对一类具有客舱地板下部斜撑杆的民机典型机身段,研究了斜撑杆对机身段耐撞性能的影响。建立了客舱地板及其下部结构的有限元模型,客舱地板以上的框段结构、乘员质量和座椅被简化为刚性质量块。分析了斜撑杆为开孔/不开孔开剖面结构、斜撑杆剖面尺寸变化以及无斜撑杆和刚性斜撑杆情况下,机身段在坠撞速度为7m/s时的冲击特性。对比分析了各种情况下座椅位置处的加速度-时间历程曲线、机身段的破坏模式和能量吸收情况。结果表明存在合适刚度的斜撑杆,使该类型机身结构具有良好的耐撞毁性能,而增加或减少斜撑杆刚度均有可能产生多次高过载。     

复合材料机身框轴向压缩屈曲分析与研究

通过试验研究了复合材料机身框承受轴向压缩载荷下的失效模式,并与工程理论计算、有限元分析进行对比。试验研究的框构型包含"C"型框和"Z"型框,试验结果显示,复合材料机身框与蒙皮结构在承受沿框方向的轴向压缩载荷时,首先蒙皮发生局部屈曲;随着载荷的增大,框腹板和内缘也发生局部屈曲,最终导致整个框截面的破坏。对蒙皮局部屈曲采用两加载边简支、两侧边固支的层压平板屈曲工程分析方法,分析结果表明,工程理论计算与试验数据吻合良好,并且理论值具有保守性。对于框腹板及框内缘这类薄壁结构,其边界支持作用弱于简支,导致工程理论计算结果不保守。为了获得框腹板与框内缘更准确的局部屈曲结果,必须采用几何非线性有限元建模分析。     

缠绕角度对碳/环氧厚壁管件轴压性能影响的实验研究

文摘采用缠绕工艺制备了20°、30°和40°三种缠绕角度的碳/环氧厚壁管件,通过轴压实验研究了缠绕角度对厚壁管件的轴压模量和轴压强度的影响,并对轴压破坏模式进行了分析。实验测得轴向模量值比有限元模型计算值偏小,破坏模式为纤维层向外崩裂破坏与有限元分析结果一致。     

复合材料开口结构参数化建模技术研究

基于MSC.Patran软件,运用PCL语言编写了参数化建模程序,实现了多种开口形式和加强形式的复合材料开口结构二维模型快速化、自动化建立。运用刚度等效原理将复合材料任意截面形式的筋条等效成各向同性矩形实心筋条,解决了目前有限元软件中没有提供复合材料一维梁单元的问题。结合复合材料开口结构刚度计算与优化设计实例,验证了建模方法的准确性与实用性。     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

一种基于超导的重力梯度敏感结构分析

 为了构建小型化全张量重力梯度测量系统,提出一种轴向分量与交叉分量同时敏感的基于超导的重力梯度敏感结构。基于螺旋理论分析两分量敏感结构的自由度,利用自由空间的运动螺旋系与互逆原理得到约束螺旋系,进一步得到具有冗余约束的对称约束构型,并选择柔性元件构建并联机构形式的两分量敏感结构,利用柔性虎克铰的横向与竖向柔性铰链实现等效球铰的功能。然后分析转臂质量沿轴移动与绕轴转动时柔性元件的变形,根据几何关系与功能定理得出两分量敏感结构的沿轴移动刚度与绕轴转动刚度。通过实际参数的计算,明确了各参数对结构刚度的影响,仿真结果验证了分析过程的准确性。     

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接件挤压强度研究

由于连接技术是复合材料连接结构设计中的关键环节,所以本文通过试验研究了干涉配合对复合材料单钉双剪连接件挤压强度的影响作用,并建立了能预测复合材料连接件挤压强度的三维有限元数值模型.该模型考虑了钉孔接触、渐进损伤以及大变形理论,并采用了Hashin失效判据以及Tan材料性能退化准则,研究了不同干涉量(0％,0.5％,3％)配合方式对连接强度和刚度的影响作用.结果表明适量的干涉能提高连接挤压强度,而3％的过量干涉配合降低了连接挤压强度,却有较高的挤压弦向刚度,与试验结果相比,吻合较好.     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理，建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略，根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为，通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态，并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上，分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程，研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化，探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比，该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为，以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明，二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的；横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

作动器输出机构刚度优化设计与仿真分析

作动器输出机构的变形可以看作是输出轴体扭转变形与摇臂变截面悬臂梁变形的综合。从材料力学的角度出发,详细推导了作动器输出机构机械刚度的理论计算方法,并以此理论为依据对作动器输出机构的结构进行优化设计。通过仿真对比确定优化设计的正确性,为工程应用提供了有力的理论支撑。