基于ANSYS的1-3型压电纤维复合材料结构优化

采用有限元方法,对1-3型压电纤维复合材料macro-fiber composites(MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,而同时夹持应力则相应降低。     

智能结构有限元模型的建立及静态形状控制

本文建立了含有分布压电传感元件和执行元件的板结构的有限元模型，提出了一种新的具有电自由度板弯曲单元，用于分析含有分布传感元件和执行元件的板结构。以此为基础，提出了智能结构静态形状控制的一般方法，即被动控制方法和主动控制方法。最后，提供了两个数值示例，说明本文提出的方法的应用。     

PLZT光致伸缩层合梁的非接触形状控制

以光电层合梁非接触形状控制问题为研究对象,阐述了PLZT光致伸缩驱动器的工作机理,建立了光-电-力-热耦合情况下的光电有限元模型,通过引入加强假定应变模式和假定自然应变法改善了单元的性能。在此基础上,以光致伸缩驱动器所受到的光强大小为设计变量,以光电层合梁的期望形状与控制形状的差值函数为目标函数,应用有限元法和遗传算法建立了求解基于PLZT光致伸缩驱动器层合梁非接触形状控制问题的一般方法。数值模拟的结果验证了该方法有效,表明该方法能够很好地实现光电层合梁结构的非接触形状控制。     

压电框架单元及其在结构振动控制中的应用

重点阐述了含坟电传感器和执行器的复合结构框架有限元模型的建立过程，导出了压电框架单元的压电刚度矩阵和介电刚度矩阵，进而引入基本控制规律用数值例子说明了压电传感器与执行器在结构的振动控制中的具体应用。     

考虑平整性要求的板壳自适应结构静变形控制

基于四节点压电复合材料层合板单元和相应有限分析方法，利用结构位移对电压的灵敏度，对以压电材料为作动器的板壳自适应结构，进行了考虑平整性要求的静力变形控制。根据控制目标和约束限制，由数学规划问题确定结构承载时作动器所需的控制电压，最后以数值算例给出了仿真结果，以验证所提出方法的有效性。     

碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。     

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。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

多粘弹性胶膜夹层约束阻尼梁损耗因子分析

研究了嵌入多粘弹性胶膜夹层约束阻尼梁结构的固有频率及损耗因子分析的一种有限元方法。基于分层离散的Layer Wise理论推导了阻尼梁单元的有限元计算程式。结合模态应变能法,建立了多阻尼层约束梁模态损耗因子的计算方法。将该方法与传统的复合单元计算方法及试验数据进行了比较。结果表明,该方法具有计算精度高、计算耗费小的优点,可应用于复杂多阻尼夹层复合结构的损耗因子分析和阻尼参数优化设计。     

用于薄结构中电磁场计算的三维高精度壳体矢量单元

提出了一种适用于薄结构中电磁场计算的通用三维高精度壳体矢量单元。该类壳体单元在薄结构厚度方向对场矢量采用一阶矢量插值，而在薄结构面方向采用二阶矢量插值，能够很容易地应用于平面和曲面薄结构问题的建模与求解。文中应用该壳体矢量单元与2阶六面体矢量单元对比做了两个算例，结果表明：使用该壳体矢量单元建模计算薄层结构不仅可以达到高的计算精度，而且能节约未知量数目一半以上，节约计算时间达80％以上。     

复合材料层合锥壳非线性稳定性的有限元分析

本文根据稳定性分析的前屈曲完全理论和修正型的Ｈａｈｎ－Ｔｓａｉ非线性本构关系，采用有限元法分析了复合材料层合回转壳的非线性稳定性，讨论了屈曲产壳体法向与面内支承条件和复合材料的横向和剪切非线性性能对壳体结构总体稳定性的影响，为工程结构设计者们提供了一些有益的参考意见。     

基于有限元仿真的薄壁圆柱壳轴向动力屈曲实验研究

研究薄壁圆柱壳的动力屈曲行为，有助于构造具有高吸能率的抗爆和抗冲击结构。基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法，应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。另外，数值仿真和实验研究表明：轴向冲击下的薄壁圆柱壳，随径厚比的增加，折屈边数有明显增加的趋势。     

充有弹性介质多层复合材料圆筒壳稳定性

本文分析了充有弹性介质的多层复合材料圆筒壳在轴压、侧压与水压作用下的稳定性。所采用的方法是用Galerkin—差分法求介改型的Donnell方程,再根据稳定准则确定临界值。若干算例已在文中列出。计算结果表明:内部介质材料性能和壳体的边界条件对临界载荷有较大影响。本文采用的分析方法和结论可供固体火箭发动机壳体设计工作者参考。     

功能梯度压电材料层状结构中的SH波

基于线性压电弹性理论,利用传递矩阵法,分析了功能梯度压电材料层状结构中的SH波传播特性,研究了压电梯度覆盖层中初始应力对SH波传播的影响。压电覆盖层的材料性能如弹性、压电、介电系数和密度沿厚度方向呈梯度变化。数值分析结果表明,适当的材料梯度分布,可使SH波倾向于沿覆盖层表面传播,由此能够获得更好的机电耦合性能;同时,初始应力使得波传播的相速度减小,但增大了机电耦合系数。文中的分析方法和结论,对固体火箭发动机超声探伤及其压电类传感器的研制和选择有一定的参考意义。     

乙苯脱氢反应器薄壳流道结构的稳定性分析

本文通过有限元计算对乙苯脱氢反应器薄壳流道结构进行了稳定性分析,结果表明,薄壳结构的截面和厚度的变化对失稳载荷的影响很大。在保证工艺要求及满足加工条件的前提下,给出了薄壳流道结构的设计方案。     

用非线性有限元法分析金属基复合材料的叠层板壳

采用通用于复合材料叠层厚、薄板壳的Ｈｅｆｅｒｏｓｉｓ三维退化曲壳元，利用Ｈｉｌｌ屈服准则和层状模型法，对金属基复合材料叠层板壳进行了弹塑性分析。算例结果表明，所用方法是可靠的，精度良好。     

FRP固体火箭发动机壳体的非线性FW线型分析

对纤维增强复合材料（FRP）固体火箭发动机壳体的纤维缠绕（FW）线型进行了简要地分析。鉴于封头曲面上FW线型稳定性对于线型参数变化十分敏感，分析封头FW线型时，本文仍从测地线方面来考虑。依此，两赤道圆处FW角必须以左右封头几何尺寸及测地线FW条件来确定。在对筒身段非测地线FW可行性讨论中，提出了筒身段实现非测地线FW的条件，同时推导出了筒身段非测定地线FW运动控制的一般数学模型。     

固体火箭发动机多层结构壳体的导波频散特性分析

应用全局矩阵法,推导了多层结构壳体的导波频散方程,并分别针对固体火箭发动机四种不同层数的壳体导波频散曲线进行了求解,发现当结构层数和第一层厚度增加时,各模式曲线的间隔缩小．曲线数目增加,并有向零频方向靠拢的趋势。同时研究了粘接质量变化对频散特征的影响,随着胶层质量相对变差,频散曲线总体向左漂移。     

ZL205A合金舱体低压工艺设计及数值仿真应用

针对某ZL205A合金舱体铸件壁薄难充型、壁厚差异大、易产生裂纹等特点,设计了低压底注式浇注工艺。采用立筒缝隙式浇注系统分配充型过程中合金的流量,局部厚大部位放置成形冷铁加快该部位的冷却速度,以控制铸造缺陷的产生。利用ProCast数值仿真软件对工艺进行仿真计算,成功预测了缺陷的产生位置,对工艺方案进行优化,包括倒角过渡、改变型砂使用等,并在优化方案的基础上浇注了舱体铸件,铸件质量良好,没有缩松、缩孔、裂纹等缺陷,符合相关技术要求。