考虑筋条扭转弹性支持的轴压复合材料加筋板局部屈曲分析方法

考虑筋条的扭转弹性支持作用,采用里兹能量法建立了轴压复合材料加筋壁板蒙皮局部屈曲问题的理论模型。考虑筋条下缘条对蒙皮的影响,对该理论模型提出了一种改进计算方法。对典型复合材料加筋平板轴压局部失稳临界载荷进行算例分析,通过理论分析结果、试验结果和有限元仿真结果的比较,验证了本文方法的合理性。同时实验结果表明,采用本文方法可显著提高蒙皮局部屈曲载荷计算结果的精度。本文方法可用于复合材料加筋壁板蒙皮局部稳定性前期分析设计中。     

长桁与蒙皮脱粘对复合材料加筋板承载能力影响分析

复合材料结构在制造和使用过程中,难免产生分层损伤,这些损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。针对复合材料加筋板,采用有限元动态显式分析方法,分析长桁与蒙皮脱粘面积对加筋壁板结构屈曲和后屈曲承载能力的影响。在ABAQUS商业化有限元分析软件及其二次开发平台上,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,实现加筋板轴压载荷作用下的渐进式失效分析。建立了脱粘面积与结构承载能力之间的关系,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲分析

为了建立复合材料加筋壁板承受压缩载荷下屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法,对复合材料加筋壁板进行了压缩稳定性试验和有限元分析研究。采用特征值分析法对加筋壁板进行了屈曲分析,得到加筋壁板的屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;根据加载端的载荷-位移曲线采用弧长法(Riks),得到了弧长法的屈曲载荷及后屈曲承载路径;引入失效准则,得到后屈曲直至破坏的承载能力。对比两种有限元分析法与试验结果可以得到:加筋壁板的后屈曲承载能力很大,特征值法分析屈曲载荷较弧长法更精确,而弧长法可以更好模拟后屈曲行为,建立的分析法与试验结果吻合较好。     

民机大型加筋曲板在剪切载荷下失效破坏试验

对民用飞机机身加筋曲板在剪切载荷下承载能力进行了试验和工程算法研究,深入探索了机身壁板的各种破坏模式,进行了工程算法评估,并且把试验结果与计算结果进行了对比.给出了壁板剪切许用值与桁条、框剖面积和蒙皮厚度的关系曲线;按照材料性能参数修正后计算得出的壁板剪切许用值最符合试验结果;在误差控制范围内蒙皮厚度的偏差不会影响壁板的剪切强度.     

复合材料壁板筋条斜削区失效分析

研究了复合材料加筋板筋条斜削区的失效过程并预测了结构的承载能力.利用非线性有限元软件ABAQUS粘接单元模拟筋条与蒙皮的脱层界面.分别使用三维体单元和连续壳单元进行数值模拟计算.采用强度与能量准则预测脱层扩展与结构的失效载荷.计算结果与实验数据比较表明,本文建立的基于粘接单元的分析模型可以很好地模拟筋条斜削区的脱层扩展过程.在此基础上,对不同斜削长度对结构承载能力的影响进行了参数分析.结果表明,增加筋条斜削区长度可以延缓脱层的起始.     

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。     

轴压铆接加筋板局部屈曲弹性支持分析方法

考虑铆钉连接对筋条扭转弹性支持作用的影响，利用三角函数构造筋条在铆钉连接情况下的扭转支持刚度，采用里兹能量法建立轴压铆接加筋平板蒙皮局部屈曲问题的弹性支持理论分析模型及分析方法。分别采用试验方法、有限元方法、工程简化分析方法和本文分析方法对典型轴压金属Z形铆接加筋平板的蒙皮局部屈曲临界应力进行算例分析，验证了本文分析方法的合理性。在此基础上进一步研究了不同的铆钉间距和铆钉连接方式对加筋板蒙皮局部屈曲临界应力的影响。结果表明：在Z形加筋板结构形式、尺寸、铆钉间距皆为工程常用范围的前提之下，若铆钉连接方式不变，改变铆钉间距对屈曲临界应力影响不足1%；若铆钉间距不变，单排连接改为双排或者交错排可以提高屈曲临界应力约11%。     

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。     

复合材料加筋板高速冲击的损伤研究

针对航天器保护材料遭受碎石冲击的问题,提出采用对复合板进行加筋处理的方式提高复合材料层合板抗弹体高速冲击能力的方法。该方法利用ABAQUS建立有限元模型,对加筋板底层层合板内部引用cohesive模拟出层间分层,将弹体设置为离散型刚体。模拟弹体对加筋板的垂直高速冲击。通过分析弹体冲出板体的剩余速度研究复合材料加筋板的防弹效果。结果发现当弹体冲击点位于加筋条上时能很好地降低弹体的冲击速度。并发现较小的筋条间距、较大的筋条厚度可以有效增加复合材料加筋板的抗冲击能力,而筋条间隔不同对复合材料加筋板的抗冲击能力的影响可以忽略不计,本文为后续航天器抗弹体高速冲击能力研究提供了支撑。     

复合材料帽型加筋壁板轴压稳定性研究

本文的主要目的是研究复合材料加筋壁板的失效模式与屈曲稳定性。根据真实飞机结构,采用了帽型加筋壁板试验件构型。在本文中,通过试验方法来研究帽型加筋壁板的稳定性,分析了壁板端部设计与端部加载夹具等因素。同时,提出了一种计算帽型加筋壁板的屈曲载荷的工程方法。计算结果与试验数据吻合的非常好。     

复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。     

复合材料机载天线罩有限元内力计算和屈曲稳定性分析

本文用有限元法计算了复合材料机载天线罩的内力,并对其进行了稳定性分析,得到了均布载荷作用下天线罩的内力和稳定性临界载荷及屈曲模态。文中选用轴对称截锥单元来离散天线罩,在应变向量阵中引入了横向剪切应变,从而考虑了剪切影响。为了避免剪切自锁,刚度的计算采用一点高斯积分法,几何刚度的推导采用Stricklin法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明,对于复合材料旋转壳,横向剪切变形使其临界载荷降低;天线罩内力较大的区域集中在头部附近,失稳发生在根部附近,增加根部的厚度可改善天线罩的稳定性。     

An Efficient Method for Local Buckling Analysis of Stiffened Panels

The local buckling of stiffened panels is one of possible failure modes and concerned by engineers in the preliminary design of lightweight structures. In practice,a simplified model,i.e.,a rectangular plate with elastically restrained along its unloaded edges,is established and the Ritz method is usually employed for solutions. To use the Ritz method,however,the loaded edges of the plate are usually assumed to be simply supported. An empirical correction factor has to be used to account for clamped loaded edges. Here,a simple and efficient method,called the quadrature element method(QEM),is presented for obtaining accurate buckling behavior of rectangular plates with any combinations of boundary conditions, including the elastically restrained conditions. Different from the conventional high order finite element method(FEM),non-uniformly distributed nodes are used,and thus the method can achieve an exponential rate of convergence. Formulations are worked out in detail. A computer program is developed. Improvement of solution accuracy can be easily achieved by changing the number of element nodes in the computer program. Several numerical examples are given. Results are compared with either existing solutions or finite element data for verifications. It is shown that high solution accuracy is achieved. In addition,the proposed method and developed computer program can allow quick analysis of local buckling of stiffened panels and thus is suitable for optimization routines in the preliminary design stage.     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

含压电传感器和驱动器的复合材料中厚板有限元分析

基于变分原理和一阶剪切理论，本建立了一种新的机电耦合矩形有限单元．该单元具有四个节点20个位移自由度．电自由度为单元中的压电铺层层数。通过静态控制方程推得的旋转位移表达式中含有横向位移的三次导数．从而该单元不仅能分析薄板的变形．而且还能分析中厚板在电载荷和外力载荷作用下的变形。然后．根据所建立的有限单元．结合相关方程．编写了有限元分析程序并对一些算例进行了数值模拟．通过将所得结果与有关献的结果进行对比．验证了本单元的有效性。最后对压电非均衡复合材料在电载荷作用下的变形进行了分析。结果表明．当复合材料中正的铺层角和对应的负铺层角的厚度比改变时。在相同电载荷作用下对结构的变形有较大的影响。     

钻柱非线性螺旋屈曲准静态加载模型的数值验证

采用有限元法对等曲率井中钻柱非线性螺旋屈曲准静态加载模型的控制微分方程进行了求解,对准静态加载模型的合理性进行了数值验证,力学模型中考虑了钻柱的重力,澄清了钻柱螺旋屈曲特征值问题和准静态加载问题的理论基础。分析表明,等曲率井中钻柱的螺旋屈曲过程是一个稳定的加载过程,将等曲率井中钻柱的螺旋屈曲问题作为一个准静态加载问题来分析是合理的,采用准静态加载模型计算得到的钻柱初始失稳载荷与钻柱正弦屈曲线性特征值问题的分析结果吻合。     

受压脱层层板的有限元分析

受压复合材料脱层层合板的局部屈曲,在脱层尖端引起很大的应力集中,导致脱层扩展而发生破坏。本文利用一阶剪切的直线层板理论和折线层板理论,建立了一维受压脱层层合板的分析模型,进而根据虚裂纹闭合技术,得出了脱层尖端能量释放率各型分量G_Ⅰ,G_Ⅱ,G_Ⅲ的一维有限元计算表达式,并且验证了该方法的正确性。通过数值计算,讨论了外载、脱层长度和层板纤维铺层方向对能量释放率的影响。结果表明,脱层的扩展取决G_Ⅰ和G_Ⅱ,而C_Ⅲ的影响可以忽略不计。对于外载较大时发生的脱层扩展,很可能诱发层板的整体失稳,脱层的扩展将变成破坏性的快速扩展。