基于几何非线性的复合材料加筋壁板分析

对复合材料加筋壁板进行了试验和理论分析,其计算结果与试验吻合良好,在此基础上进行了线性和几何非线性对比分析,结果表明,几何非线性可提高加筋壁板刚度18.2%和强度19.1%,通过对比线性结果和几何非线性计算结果可知,结构的刚度、结构形式均会对几何非线性计算结果产生影响,在大变形工程计算中需要考虑几何非线性,以获得足够的计算精度。     

大型飞机机身整体壁板纵向裂纹止裂分析

针对大型飞机机身整体壁板纵向裂纹损伤容限试验件进行剩余强度计算与裂纹止裂分析，经有限元建模计算得到两跨内不同直裂纹长度下的应力强度因子及卜应力，应用线弹性断裂力学准则得出整体壁板剩余强度曲线，对裂纹扩展至两跨时的止裂特性进行分析。依据计算与分析结果，提出了供设计人员参考的壁板修改建议。最后应用线弹性二阶裂纹转折理论对裂纹能否在扩展至两跨长度前发生转折进行了分析。     

某机身壁板结构环向裂纹扩展分析与试验对比

对于机身加筋壁板结构,获取较为准确的应力强度因子是进行裂纹扩展分析的基础,其核心工作是计算结构的几何因子。本文结合T.Swift提出的机身加筋壁板结构几何因子计算方法,编制了相关分析工具,计算获得某机身壁板结构环向裂纹几何因子,将计算结果与采用有限元法计算获得的几何因子进行对比。最后,将几何因子输入Nasgro软件进行裂纹扩展寿命分析,与试验结果进行对比,吻合较好。该方法计算效率高,可节省大量计算时间,具有较强的工程应用价值。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

含多处损伤未加筋铝合金-壁板的剩余强度

 进行了含多处损伤（MSD）的未加筋LY12CZ铝合金壁板的剩余强度试验。用0.12的钼丝切割预制裂纹,在垂直于裂纹面的方向施加单调增加的拉伸载荷,直至壁板破坏。得到了含不同裂纹几何的未加筋壁板的剩余强度。试验结果表明随着主裂纹长度增加,未加筋壁板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,主裂纹和相邻的MSD裂纹之间的距离b减小,平板的剩余强度也减小。用5种失效准则分别计算了每个壁板的剩余强度。与试验结果的比较表明,净截面屈服准则和表观断裂韧性准则的误差较大,塑性区连通准则预测的平均误差为22.17%,改进的表观断裂韧性准则的平均误差为16.98%,而改进的塑性区连通准则预测的平均误差为8.27%,改进的塑性区连通准则大大提高了预测结果的精度。     

带环状裂纹圆棒的J积分评价方法

通过有限元解析方法分别研究了轴向或扭转载荷下带环状裂纹圆棒试样的J积分的评价方法。首先模拟计算得到了一系列带有不同深度环状裂纹的中碳钢圆棒试样的载荷-位移关系,然后分别利用单试样的简单评价法和多试样的能量评价法计算J积分值。结果发现,当圆棒试样的裂纹深度足够深或位移足够小时,两种评价方法计算的J积分值相当一致。      

机身加筋壁板复合加载损伤容限性能试验

为研究机身加筋壁板裂纹扩展规律和剩余强度特性,按照机身壁板承受内压和轴拉载荷边界条件的要求,设计并制造试验装置,通过静力试验验证了试验方案的正确性和合理性。损伤容限试验结果表明:纵向裂纹沿直线扩展,左右两侧裂纹扩展对称性较好,半裂纹长度小于80mm时呈缓慢裂纹扩展特性,该裂纹可检性好,检出概率较高;纵向裂纹失稳扩展导致最终破坏,在最远的框处呈现"T"字状的裂纹扩展破坏模式。研究结果可为新型客机机身结构损伤容限分析与设计提供数据支持。     

复合材料帽形加筋壁板剪切屈曲性能

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）帽形加筋壁板的剪切屈曲进行了试验、理论分析和数值模拟。根据线弹性理论推导了复合材料帽形加筋壁板蒙皮的应变分布；针对复合材料帽形加筋壁板3种蒙皮板条单元截取宽度和两种边界条件，利用理论公式和半经验公式计算了加筋壁板的剪切屈曲载荷；利用特征值法和几何非线性法进行了剪切屈曲模拟分析；将得到的分析结果与试验结果进行了对比。结果表明：根据线弹性理论得到的蒙皮应变分布与试验结果一致，验证了推导结果的正确性；选择合适的边界条件和蒙皮板条单元截取宽度，利用理论公式和半经验公式可得到加筋壁板较准确的屈曲载荷；利用特征值法得到的屈曲载荷较试验屈曲载荷高，选择合适的几何初始缺陷系数利用几何非线性分析方法可模拟复合材料帽形加筋壁板在剪切载荷作用下的屈曲过程。     

翼身融合民机典型PRSEUS受压壁板屈曲及渐进损伤分析

由NASA和波音公司共同提出的拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），由于具有优异的抗压稳定性和止损/止裂等承载优势，已成为解决翼身融合布局民机非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题的主要途径。本文针对典型PRSEUS受压壁板结构，开展了线性/非线性屈曲及渐进损伤分析；提出了综合考虑蒙皮、止裂带、长桁翻边、隔框翻边等一体化缝合元件贯穿支撑构型几何关系和偏置参考面的建模方法，提高了PRSEUS受压壁板有限元模型的精度；提出了综合考虑屈曲特征值、非线性屈曲载荷等多影响因素的网格收敛性分析方法，提高了PRSEUS受压壁板屈曲分析的计算效率；提出了最小屈曲特征值、几何节点偏移以及最小屈曲特征值-几何节点偏移组合式等3种初始缺陷引入方法，提高了PRSEUS受压壁板损伤分析的计算精度；完成了基于纤维与基体损伤本构关系的典型PRSEUS受压壁板非线性屈曲损伤分析，通过与试验结果对比，给出了针对PRSEUS结构的非线性屈曲渐进损伤演化分析方法。为翼身融合布局民机PRSEUS结构的稳定性/损伤分析和设计提供了方法和技术支撑。     

机翼壁板随机裂纹扩展统计分析

依据某运输机机翼壁板等疲劳裂纹扩展的试验结果进行统计分析,给出了一种壁板可靠性分析的工程模型及数值结果,文中采用了Weibull分布获得给定置信度下的P-da/dN-△K曲线,进而又对相同可靠度下不同壁板刚度比的疲劳裂纹扩展速率进行了比较,这些结果可为飞机结构耐久性损伤容限及可靠性设计提供依据。     

整体壁板损伤容限特性与修理技术研究

用有限元和断裂力学方法分析大型飞机机身整体壁板的破损安全特性。以一个十四桁条的铝合金整体加筋板为例,计算了裂纹从中部蒙皮向两侧均匀扩展并跨过筋条的应力强度因子,并和相同构型的铆接壁板进行了结构对比。应用ANSYS对整体壁板及损伤后双面修补壁板进行有限元分析。研究不同厚度补片对损伤壁板、修补长桁、内外补片受力的影响。选取典型位置研究局部刚度加大对整体壁板传力特性的影响。     

整体加筋壁板中三维裂纹扩展过程模拟

基于有限元法和线弹性断裂力学理论,使用通用商业软件ABAQUS模拟了三维裂纹在飞机整体加筋板结构中的扩展过程,考察了一种典型的开裂模式,提出了一种对三维裂纹问题边界效应的修正方法,重点分析了裂纹在结构倒角附近区域的扩展规律。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

含裂纹铆接加筋板应力强度因子的计算

本文提出了选择复连通域边界(多环路)计算J积分的一种新方法,成功地解决了单连通域内有铆接点时计算J积分的问题。文中还提出了一种“虚设铆钉法”,采用这种方法,可利用同一网格有限元模型计算不同裂纹长度下裂纹尖端的应力强度因子,这大大简化了模型准备工作并减少了计算结构总刚度矩阵的工作量。本文采用刚度导数法、J积分法及能量释放率法,计算了含裂纹铆接加筋板的应力强度因子,通过计算结果对比,对各种方法作了粗浅的评价。     

整体壁板三维裂纹应力强度因子计算与分析

近年来,整体壁板成为飞机结构设计上一个新的研究方向。针对典型的飞机整体壁板,应用有限元软件ABAQUS建立了含裂纹整体壁板的参数化模型,对裂纹在凸台和筋条中的扩展轨迹进行三维裂纹扩展模拟。分析了裂纹在扩展过程中,凸台、筋条、蒙皮中裂纹应力强度因子的变化情况以及凸台、筋条的止裂性能。研究结果对整体壁板的损伤容限设计和评定具有一定的指导意义。     

舰载机壁板剪切后屈曲承载能力预测与试验验证

舰载机着舰撞击对机翼盒段产生巨大的扭矩，蒙皮以剪切形式承受扭矩，这是机翼壁板的重要设计工况。为准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，采用MSC.NASTRAN软件MRIKS弧长法，将线性屈曲分析的一致模态缺陷位移作为扰动引入后屈曲分析。考虑材料和几何双重非线性，对整体加筋壁板剪切试验件的后屈曲破坏过程进行模拟、对承载能力进行预测。根据剪切试验结果，进行对比分析。结果表明：有限元模拟的加筋板初始屈曲发生在蒙皮上，长桁足够大的相对刚度使得长桁与蒙皮连接线上出现屈曲节点，随着载荷增大，加筋壁板整体"坍塌"，与试验现象一致。有限元分析（FEA）得到的初始屈曲载荷与试验结果的误差为1.25%，预测的极限承载载荷与试验破坏载荷的误差为2.4%。表明引入缺陷后的MSC.NASTRAN弧长法非线性后屈曲计算能够准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，为加筋壁板剪切试验和强度设计提供了分析方法。     

整体壁板结构弹塑性弯曲中性层位置分析

中性层位置是壁板结构设计和分析及其弯曲成型工艺的重要参数,工程上将截面形心作为弹塑性弯曲中性层位置的方法存在很大误差。通过弹塑性分析,考虑了材料塑性强化效应,建立了一种便捷的计算整体壁板结构弹塑性弯曲中性层位置的方法,并和数值仿真结果进行了对比,分析结果表明:弹性弯曲时,中性层位于截面形心;而进入塑性弯曲阶段,中性层位置随着弯曲半径的减小向蒙皮方向显著移动;在整体壁板常用的相对弯曲半径下(ρ/t≥10),壁板的变薄可以忽略不计,应力中性层和应变中性层几乎重合。     

铆接加筋板应力强度因子计算中几个问题的研究

给出了采用J积分法计算加筋板应力强度因子时选择积分回路的方法;同时给出了采用刚度导数法计算加筋板应力强度因子时刚度导数的计算方法;另外,还对模拟铆钉连接作用的3种方法进行了初步研究。     

裂纹参数和筋条布局对共振九宫板动态应力强度因子的影响

由于裂纹的出现会改变振动结构的断裂行为,本文建立了含中心裂纹九宫板结构的有限元模型并采用模态叠加原理快速求解出该结构在共振条件下的裂纹尖端应力强度因子（SIF）,然后分析并讨论了裂纹参数（偏转角度和裂纹长度）及筋条布局对应力强度因子的影响。结果表明：随着裂纹偏转角度的增加,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型应力强度因子最大值分别表现出不同的变化趋势（单调增加、无显著变化、先增加后减小）;裂纹长度同时影响应力强度因子最大值和裂纹类型;对于裂纹参数相同的九宫板,筋条布局改变了结构的模态振型,从而导致不同裂纹类型出现;特别地,当九宫板中央区域为正方形时,应力强度因子最大值和裂纹类型对裂纹偏转角度不敏感。     

二维广义J积分

 本文从总位能差率出发推导出了在非均匀温度场中承受面力与体力的变厚度板的广义J积分,并证明了广义J积分的守恒性。