复合材料结构有限元应力分析

本文提出了一种可对复合材料结构进行应力分析的方法。 我们根据复合材料结构,尤其是翼面结构的实际情况,选取了复合材料等轴力杆元、受剪梯形板元及平面应力三角形板元三种元素。文中详细推导了三种元素的刚度矩阵,并给出了相应的应力计算公式。此外,文中还选取HiLL—TSai判据,计算复合材料结构件的剩余强度。 据此方法,我们编制了复合材料应力分析程序FEMV,程序编制后,进行了一系列的考核,除与国外有关文献对比外,还与试验结果进行了对比,考核表明FEMV程序的计算结果与文献及试验结果十分吻合。 FEMV程序已用于复合材料垂尾结构应力分析。     

机身复合材料加筋板壳的稳定性及强度分析系统

随着先进复合材料在飞机主承力结构（如机身结构）中的大量应用,工程上迫切需要大型复合材料加筋板壳的快速建模打样计算、稳定性（刚度）和强度分析的理论和程序支持。基于稳定性理论,并综合复合材料任意加筋板壳有限单元和复合材料层合板壳失效理论等方面的成果,开发了一个机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序(CSSAP)。该程序系统不仅可以进行复合材料（加筋）板壳的线性稳定性和强度分析,还可进行非线性稳定性和强度分析;可对较粗的网格划分,得到临界屈曲应变和后屈曲时的应力。通过一些算例与文献结果的对比,表明本程序系统能够满足工程上的精度要求。并且,通过对实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算,表明本程序系统也可用于飞机工程复杂结构的分析。     

结构分析程序中几个问题的处理方法

JY851程序是一个复合材料、金属混合结构应力分析及强度校核程序。从1986年投入使用以来,已推广到几个厂、所使用,计算了几个型号的机翼、垂尾、方向舵等复合材料结构。现就编写元素刚度矩阵中所遇到的几个问题的处理方法作一简单的介绍。 1.复合材料板弹性模量阵的计算 复合材料板弹性模量阵A、B、D的计算中,关键是求偏轴模量阵[ō],层压板中第     

复合材料加筋叠层板的轴压稳定性分析

本文在文献[1]的基础上,采用板条有限元与解析解相结合的方法,对复合材料加筋叠层板的轴压稳定性作了进一步分析。着重讨论了位移函数,导出了五种不同板元刚度和载荷组合下的位移表达式,并给出了相应的计算公式和解法。由于把求解控制在实数范围内进行,物理意义明确、收敛性很好。 基于此法编了一个通用程序,计算了一些典型构件及帽型加筋复合材料叠层板,计算值与试验结果或现有的解析解都符合得较好。     

复合材料飞机动力学建模研究

在进行复合材料飞机气动弹性、动响应等分析时,需要进行飞机结构动力学建模.为此,基于经典层合板理论进行了复合材料刚度的等效计算,结合结构力学闭剖面理论分析了飞机剖面的弯曲、扭转刚度特性,并根据刚度分布建立了全复合材料飞机的动力学单梁模型.与地面共振试验结果的对比表明,复合材料飞机动力学单梁模型是有效的,且相对板壳模型更接近试验结果.建模方法对复合材料飞机结构设计具有指导意义.     

纤维增强复合材料结构有限元分析方法

本文以强5机的复合材料垂直安定面为工程实例,论述了复合材料结构应用有限元分析的基本方法与步骤,分别介绍了有关元素的刚度特性,并利用计算程序对碳纤维复合材料垂直安定面结构进行了位移,应力计算。计算结果与试验结果吻合。     

铺层对复合材料层合板力学性能影响的研究

为了研究不同铺层角和铺层厚度对复合材料层合板力学性能影响,通过转换复合材料刚度矩阵,得到复合材料层合板等效弹性常数,利用Matlab软件将计算复合材料层合板等效为计算等厚度各向异性板,研究不同铺层角对层合板力学性能影响;基于此等效方法,利用Fortran程序计算机翼剖面刚度,研究不同铺层厚度对层合板力学性能影响。结果表明:铺层角对复合材料层合板有较大影响,其中以45°铺层角作为最外层的层合板力学性能最佳,其次为90°和0°铺层角;随铺层厚度增加,机翼剖面的剪切刚度、弯曲刚度和扭转刚度几乎呈线性增大。研究成果为分析与设计飞机复合材料结构提供参考。     

压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

基于渐进损伤理论的复合材料开孔拉伸失效分析

为研究碳纤维复合材料在受载情况下损伤的萌生、扩展及材料失效行为,采用三维Hashin失效准则预测材料的初始失效,基于渐进损伤理论提出了一种用于材料损伤后的刚度折减方案。利用编写的UMAT用户子程序对碳纤维复合材料板开孔拉伸进行数值分析,并将数值计算结果与碳纤维复合材料板开孔拉伸实验结果进行对比分析,结果表明数值分析对极限载荷的预测和失效过程的预测结果与实验结果吻合较好。     

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。     

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法（FEM）预测结果进行了对比。结果表明：模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。     

复合材料结构分层损伤研究

对复合材料层压板、复合材料夹层板以及复合材料整体加筋层板试用解析法或有限元分析法进行分层损伤稳定性分析,并在理论分析的基础上,对某机复合材料机翼的整体壁板应用联合开发的程序进行了稳定性计算。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

波纹板和开口腹板刚度等效计算程序设计及实现

以MSC／PATRAN为平台,利用其二次开发工具PCL语言,并结合FORTRAN语言,通过客户化、增设特定的命令和窗体等技术开发了波纹板等效刚度和开口腹板当量厚度计算程序及相应的用户界面。将等效刚度技术融合于有限元建模过程中,使用户在有限元建模过程中随时调用本程序进行波纹板和开口板的等效刚度计算。实际工程应用结果表明,本程序使用方便,可以提高建模效率。     

复合材料结构分层损作研究

对复合材料层压板,复合材料夹层板以及复合材料整体加筋层板试用解析法或有限元分析法进行分层损伤稳定性分析,并在理论分析的基础上,对某机复合材料机翼的整体壁板应用联合开发的程序进行了稳定性计算。     

复合材料厚板双轴非线性刚度特性分析

基于非线性本构关系与厚板理论,研究了一种采用增量步迭代法对复合材料厚层合板渐进失效过程进行双轴刚度特性分析的方法。以三维Hashin失效准则为单层板失效判据,当层合板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。采用有限元软件MSC.Patran自带的编程语言PCL,编写了计算程序。应用该程序分别对不同材料和不同铺层的层合板算例进行非线性刚度计算,给出了不同的铺层和材料组合下层合板在不同载荷比下的应力-应变曲线,展示了层合板渐进失效过程中应力-应变的变化关系,为复合材料厚板失效分析过程中的刚度变化提供理论与计算依据。     

波纹夹芯加筋板和波纹腹板的刚度工程计算方法及其应用

研究了波纹夹芯加筋板刚度的计算方法,并将该方法拓展到计算复合材料波纹层合板的拉伸、耦合和弯曲刚度,得到了其解析表达式。阐述了将波纹板的刚度输入到MSC．Nastran材料卡中的技巧,以及对波纹板有限元建模分析的方法。将波纹板的刚度计算技术及建模方法用于某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算中,得到了结构测点处的位移计算值和应变计算值,并同试验测量值和传统的有限元分析方法得到的计算值进行了比较。结果显示,同传统的对结构细化的有限元建模分析方法相比,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值,位移计算值相对误差的平均值从原来的9％下降到5％,应变计算值相对误差的平均值从原来的17．4％下降到4．1％。     

复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法

在建立复合材料加筋壁板刚度等效模型的基础上,总结了加筋板局部、总体失稳和筋条扭转失稳的理论计算方法,并将三类屈曲的临界屈曲载荷与设计载荷相等作为优化设计准则,得到了一种适用于不同筋条截面形状的复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法。将该方法的优化结果与有限元分析结果进行对比,结果表明,该算法用于复合材料加筋壁板优化设计具有较高的准确性和效率,能够较好地满足工程需求。     

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.     

2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测

通过提取2.5维C/SiC复合材料经纱边界曲线,采用鲁棒最小二乘拟合得到了经纱轴向函数表达式,对拟合后的曲线进行合理简化,建立了参数化的2.5维C/SiC复合材料的有限元模型.采用双尺度模型对2.5维C/SiC复合材料进行刚度预测,分别为考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度和考虑经纱/纬纱/孔隙的单胞尺度模型,刚度预测的方法采用刚度平均法和能量法.最后讨论了微观尺度的孔隙率对2.5维C/SiC复合材料弹性模量的影响.结果表明,刚度平均法和能量法的计算结果差异较小,考虑微观孔隙率后,计算结果与试验结果吻合得更好.