炭／环氧三维多向编织复合材料圆管相贯接头承载有限元分析

对三维多向编织复合材料圆管相贯型接头进行材料设计。从采用微观力学反算法确定组分材料性能出发,由刚度平均化方法基于单胞模型确定复合材料的本构特性,利用Patran/M arc对炭/环氧三维多向编织复合材料圆管相贯型接头的承载性能进行有限元应力分析,讨论细观结构形式和编织角对接头结构受力变形行为的影响。结果表明,大编织角三维六向编织复合材料的特性更接近各向同性,有利于提高接头的承载性能均衡性,该分析方法和结果为三维异型整体多向编织复合材料结构的材料设计提供参考。     

碳/环氧编织复合材料热膨胀特性分析

采用理论与试验相结合的方法,研究了碳/环氧三维编织复合材料的热膨胀特性。通过试验方法获得了不同规格的三维编织复合材料在编织方向的热膨胀系数,并基于均匀化理论建立了编织材料热弹性性能的分析方法,对数值结果与试验值进行了比较。研究表明,三维编织复合材料在编织方向上具有典型的负膨胀特性;与三维四向编织结构复合材料相比,三维五向编织结构复合材料具有较小的负膨胀系数;三维编织复合材料编织方向的负膨胀系数随着纤维体积含量的增大而减小,随着编织角的增大而增大;基于均匀化理论的热弹性数值分析方法可有效地预报三维编织复合材料的等效热膨胀系数,数值计算值与试验结果吻合较好。     

形状记忆四枚缎纹编织复合材料拉伸力学性能试验研究

为研究形状记忆四枚缎纹碳纤维编织复合材料的力学性能,对其进行了单轴拉伸强度试验和低周循环拉伸试验,得到了材料的拉断强力、应力-应变曲线、弹性模量和滞回环面积及力学行为特征。针对具有波纹状表面的编织材料,提出了用每根纱线能承受的拉断强力表征材料强度。分析结果表明:编织密度4.5+4.0,5.5+5.0的两种材料经向纱线拉断强力分别为412.3,403.1牛/根,稳定弹性模量分别为43.9,31.6GPa;纬向纱线拉断强力分别为434.6,539.9牛/根,稳定弹性模量分别为53.1,30.4GPa;材料的拉伸强度、弹性模量与编织密度(即纱线束的卷曲度)有关,同时也与复合材料的成型工艺有关;试验结果具有一定的离散性,对此类有大尺寸结构单胞的编织复合材料,试件制作和试验方法等需与传统层合复合材料有所差异。研究对大尺寸结构单胞编织复合材料的力学性能研究及航天器结构机构工程应用有一定的参考价值。     

柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

基于均匀化方法的三维编织复合材料等效弹性性能预测

由于三维编织复合材料具有复杂的空间拓扑结构,其力学性能分析通过宏观有限元方法往往因为占用大量的计算机内存而难以实现。从细观结构入手,计算材料的等效弹性模量可大大降低计算量。现建立了等效弹性模量的均匀化列式及有限元求解方法,运用该方法对三维编织复合材料的等效弹性性能进行了预测,并提出了三种单胞模型的周期性边界条件的施加方法。通过该方法得到等效弹性模量与实验结果较为吻合,从而有利于进行下一步的细观应力场计算。     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

基于共享铺层融合技术复合材料层压板铺层顺序优化设计

基于丢层结构复合材料层压板的处理技术——共享铺层融合技术和遗传算法,提出了一种新的复合材料层压板铺层顺序优化方法。首先,针对复合材料层压板力学特性,探讨了基于层压板刚度的优化设计原理;然后,介绍了适用于工程结构优化设计的共享铺层融合技术,并将其与遗传算法相结合,在保证层压板面内刚度和弯曲刚度的前提下,提出了含丢层复合材料层压板铺层顺序优化设计方法;最后,通过实例验证了该方法在含丢层复合材料优化设计中的有效性。     

三维五向编织复合材料宏细观力学性能分析

基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元,采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。模型数值结果与拉伸试验数据基本吻合,说明模型可用于该材料的宏观力学性能预测。经分析其细观应力分布及变形,表明基于胞元分析的力学模型能有效预测含周期性结构材料的细观力学响应。由于该模型能给出较为合理的细观应力应变场,为进一步开展三维五向编织复合材料的失效分析奠定了基础。
     

芳纶/炭混编三维编织复合材料力学性能实验

基于三维五向和三维六向编织结构,设计并制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,对比分析了芳纶/炭纤维混编方式(混编比)对三维五向和三维六向编织复合材料纵向拉伸性能、纵向和横向弯曲性能的影响。结果发现,同一种混编方式下,芳纶/炭三维五向编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能均高于三维六向编织复合材料,而其横向弯曲性能均低于三维六向编织复合材料;同一种编织结构下,炭纤维为轴纱/六向纱的芳纶/炭混编三维编织复合材料纵向拉伸和弯曲性能较高;炭纤维为编织纱、芳纶纤维为轴纱的三维五向编织复合材料和芳纶纤维为编织纱、炭纤维为轴纱/六向纱的三维六向编织复合材料的横向弯曲性能和抗裂纹扩展能力明显提高。通过设计芳纶和炭纤维的混编方式,可进一步实现三维编织复合材料性能的可设计性。     

碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证

针对碳纤维复合材料壳体轴压稳定性问题,提出了理论推导、数值模拟和试验验证相结合工程计算方法,获得了铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。基于层合板理论,计算了碳纤维复合材料壳体的等效弹性常数;以150 mm碳纤维复合材料圆筒为研究对象,通过壳体破坏性轴压试验,验证了理论计算和有限元数值模拟的正确性;计算了碳纤维缠绕角及增加0°铺层对复合材料弹性常数的影响规律。研究结果表明,通过引入修正系数k=0.4,理论计算结果与实际轴压破坏载荷较为接近;通过增加0°铺层数,能够大幅度地提高壳体刚度,且对刚度提升的贡献远大于所引起的重量增加。复合材料刚度是决定壳体临界轴压载荷的关键因素,固体发动机设计过程中增加材料刚度可有效提升其轴压稳定性。     

层合复合材料的损伤刚度分析

渐近均匀化方法是一种便于同时求解复合材料细观与宏观性能的有效方法。本文在均匀化方法的基础上，通过层合结构的均匀化基元，建立相应有有限元方法，对层合板进行损伤刚度分析。与其它方法和实验结果的比较显示其具有良好的精度和直观方便的优点。最后应用上述方法对固体发动机壳体材料ＡＰＭＯＣ纤维复合材料的损伤刚度性能进行了分析。     

基于均匀化方法的轴编C/C复合材料性能预测

把均匀化理论与有限元法相结合,应用于轴棒法多维编织C/C复合材料的性能预测,通过对该材料有效模量的计算和实验验证,表明本方法可以得到较准确的材料刚度性能,为该材料的设计提供了性能预测方法.     

扭簧驱动构架式空间展开天线结构分析

首先仔细分析了扭簧驱动构架式空间展开天线结构的工作机理与构造特点，据此提出分析建模假设。采用静力缩减方法，由平面梁单元弯曲平衡方程推导出两端扭簧的杆件宏单元缩减刚度矩阵。根据梁的弯曲理论和位移形函数，直接导出宏单元的相容一致质量矩阵，这两个矩阵可用于这类结构在各工况下的结构特性分析。最后给出了一个数值分析算例，证明方法的有效性。     

空间充气展开结构的材料成型固化技术综述

空间充气展开结构的体积小,质量轻,可用于构建大型空间结构,在航天领域具有广阔的应用前景。空间充气展开结构需要采用柔性材料,通过充气展开成型固化使柔性材料具有足够的强度和刚度。成型固化是研制空间充气展开结构的关键技术之一,文章介绍了四种成型固化技术：铝／聚合物薄膜成型固化技术、热成型固化技术、热塑性／形状记忆成型固化技术和紫外线成型固化技术。通过分析,认为在目前条件下铝／聚合物薄膜成型固化技术更接近于空间充气展开结构的实际应用。     

增韧剂含量对国产高强中模炭纤维环氧复合材料耐冲击性能的影响

采用国产CCF800H高强中模炭纤维增强高温固化环氧制备了复合材料,研究了不同热塑粉料含量对复合材料抗低速冲击及冲击后压缩性能的影响。研究表明,采用层间增韧方式,随着聚芳醚酰亚胺含量的提高,层合板的损伤阈值载荷值(DTL)逐步提高,而DTL峰值与谷底之间的载荷差值逐渐降低,内部损伤区域逐渐减少,显示冲击阻抗提高,而损伤形式由大面积的分层逐渐转变为树脂基体开裂与增强纤维断裂的模式,冲击后压缩强度(CAI)获得显著提升,证明采用层间增韧技术获得的高韧相结构能够大幅提升层合板耐低速冲击性能。     

空间梁板结构可靠性优化的全局最优解

基于可靠性分析理论,用改进的一次二阶矩法给出了空间梁板结构安全余量对各设计变量敏度分析的表达式,由PNET法给出了结构系统可靠性函数对设计变量的一、二阶敏度表达式,以及Hessian矩阵中各元素的具体形式,据此能确定结构系统可靠性函数的凸凹性,为判断基于结构系统可靠性优化所得解是否为全局最优解提供了理论基础。算例表明,对空间梁板结构系统基于可靠性的结构优化问题,可靠性指标合理的解多为全局最优解。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.     

国产芳纶纤维增强环氧复合材料的压缩性能

采用不同弹性模量的环氧树脂基体与国产芳纶Ⅲ纤维制备了复合材料,研究了复合材料压缩性能及其影响因素,分析了环氧树脂模量、芳纶纤维束张力、压缩测试方法等因素对复合材料压缩强度测试结果的影响规律。研究表明,环氧模量、纤维束张力的提高有利于压缩强度的提高,正交铺层的压缩测试方法有利于表征复合材料压缩本征性能。同时,探讨了芳纶纤维压缩失效的机理,提出了提高芳纶纤维复合材料压缩性能可能的途径。     

Space optical payloads, new application area for high temperature composites

High temperature composites have been extensively developed in order to produce thermal protection systems of reusable re-entry vehicles and launchers. This development effort covers all aspects including sizing, design, manufacturing processes characterization, non destructive inspection, and all industrial facilities which have also been installed. Strong interest recently appeared for these materials to meet requirements for different space applications. In particularly, for more stringent optical payloads, new materials with high performance requirements have appeared. In the field of high dimensionally stable structures for telescopes, materials have to meet severe requirements, such as low coefficients of thermal expansion, good specific modulus, long-term stability (moisture and chemical insensitivity), etc. Carbon/carbon (C/C) composites can meet these specifications. To demonstrate this capability a structure has been designed, manufactured and will be submitted for complete testing (work supported by ESA/ESTEC). The main available results (part feasibility, characterizations, analysis and stability performance budgets) are presented. For future telescope mirrors, silicon carbide is already known as a good candidate. However, an innovative concept based on silicon carbide sandwich honeycomb technology, which allows optimized design, has been developed. The first characterization results and manufacturing capabilities are presented.