宏/细观一体化多尺度数值分析的进展与应用

以C/SiC为代表的纤维增强陶瓷基复合材料具有多尺度特征，传统的复合材料力学理论和以均匀化假设为基础的常规有限元分析方法难以全面准确地评估其力学行为。因而，近年来以跨微观-细观-宏观为特征的多尺度数值模拟方法被广泛应用于评估复合材料的力学特性，加快了新一代复合材料的研发和推广应用。本文首先从分析策略角度，对目前学术界的多尺度数值计算方法的发展情况进行了分类概述，总结了不同宏/细观多尺度方法的特点。在此基础上提出了新的采用过渡区域的宏/细观一体化多尺度建模计算方法，给出了开孔板和典型连接的算例结果，并探讨了其面临的技术难点及合理应用场景。以热结构最常用的典型盒型件为对象分析了其力学特点，给出了采用这种建模计算的必要性和分析策略。     

复合材料层板超声检测缺陷评定方法分析

碳纤维增强树脂基复合材料的接触式超声检测,对大于探头直径的缺陷常采用半波高法评定大小,但各检测标准均没有对半波高法的基准波进行规定。采用不同基准波评定缺陷可能会造成缺陷评定结果不同,从而直接影响制件验收。本文采用理论分析与实际检测相结合的方法,对复合材料检测中常采用的以底面回波为基准波和以缺陷回波为基准波两种缺陷评定方法进行分析,比较了两种方法测量结果的差异,给出了复合材料层板接触式超声检测缺陷评定方法的建议。     

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系，将宏观复合材料体中的一点赋予了细现结构特征。基于细现结构周期性假设，建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细现位移场，通过对细现单元力学方程的分析与求解，建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细现力学模型，不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细现应力、应变场的分析，而且容易融入常规有限元法中，实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

基于多尺度方法的飞行器结构强度分析

建立了一套飞行器结构多尺度分析方法,能够较为高效、准确地分析飞行器结构的力学行为,确定危险区域以及研究损伤模式。采用层次多尺度法,分别建立了飞行器整体结构、局部舱段结构、单钉连接模型三种有限元模型,对飞行器结构进行分析。建立了宏观变量与细观响应之间的信息传递和反馈。对三向正交碳/碳机织复合材料的宏观刚度和强度性能进行了预测,建立了宏观损伤起始包络线。采用协同多尺度法对单钉连接模型进行渐进损伤分析。研究表明该方法具有良好适用性,能够较为准确地分析结构的损伤模式,为飞行器结构设计提供参考。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

复合材料热结构孔隙缺陷表征与分形维数评价

受制备工艺约束，复合材料热结构内部的基体会存在不可忽视的细观孔隙缺陷。本文基于航天材料及工艺研究所制备的热结构CT图像开发了一种能够识别基体细观缺陷的机器学习模型，通过将注意力机制模块与深度学习框架进行结合，利用注意力机制模块能够关注特定预期分割目标区域的特点，实现对热结构CT图像进行图像分割，试验证实本方法能够识别局部细观孔隙等缺陷，提升图像分割的精度。为了定量分析缺陷的几何形貌，本文提出采用分形维数对其进行表征，最后重点研究热结构制造缺陷的形貌定量分布规律。     

多向层合板中的脱层与超声检测成像

以碳纤维多向层合板结构的脱层现象为对象,本文解决了哪种情况是最有可能脱层,在什么临界条件容易出现脱层以及如何确定临界条件等问题.利用入射超声渡在碳纤维复合材料中产生的反射信息,分析反射回波的时间和回波幅频特性,利用坐标扫查器确定脱层方位,通过逐点扫描记录每一点声波特征,形成矩阵数据,绘成图像显示脱层区域的大小和方位,直观准确地再现了脱层的发生位置及大小.     

三维编织复合材料力学性能分析与预估

本文用细观力学的方法对四步法１：１编织复合材料的力学性能进行了详细研究，导出了它的宏观平均力学性能与编织结构参数、基体和纤维性能的关系，并进行了实验验证，可以用它预估编织复合材料的宏观平均力学性能，作为编织复合材料结构分析的依据。     

先进的超声可视化成像检测技术及其应用

通过先进的可视化成像检测技术可以准确地获取材料及其结构内部缺陷大小、位置以及三维分布特征。在众多的可视化成像无损检测方法中,超声成像检测方法是一种已经在复合材料、焊接等领域得到广泛应用的可视化成像检测技术,通过超声B-、C-、T-扫描以及三维投影成像,可以揭示材料及其结构中缺陷和微结构的三维量化分布。本文介绍了基于超声成像检测方法的典型检测应用及结果。     

钢结构桁架相贯线焊缝超声检测方法研究

本文应用超声波探伤的基本原理和实际探伤经验对钢结构桁架相贯线焊缝的超声波检测进行了研究。运用缺陷反射回波的包络线法，分析了相贯线焊缝缺陷的性质，总结归纳了一些典型缺陷反射回波的规律，对其它类型焊缝缺陷的定性也有参考作用。     

基于模糊理论的复合材料超声检测缺陷类型识别

本文以复合材料常见缺陷分层、孔隙、疏松的超声波检测缺陷信号为研究对象,选取缺陷波的时域及频域特征,考虑到各特征量之间的不可避免地存在耦合关系,而且对缺陷区分的重要性、敏感度也有很大的差别,采用加权多面体隶属度概念构造隶属函数,依据最大隶属原则进行模式识别,从而区分复合材料缺陷类型。     

基于面元的数值化概念机模型几何特性估算

为了获取三维数值化概念机模型的浸润面积和横截面积等几何特性．本提出了一种基于离散化面元的估算方法。在以大量的离散面元表示每个部件曲面的前提下．通过累加不被其他任意部件曲面所遮挡的面元的面积来估算一个部件曲面的浸润面积。离散出的面元还被用于求取全机这样的组合曲面在某一站位处的横剖面多边形．而横截面积则用累积多边形不被其他任意部件遮挡的各边与参考轴间的梯形面积予以近似。该方法在一个计算机辅助飞机概念设计系统中的实际应用表明,它可以方便地应用于不同类型的概念机模型．且估算精度满足概念设计阶段的需要。     

散乱点云数据的曲率估算及应用

提出一种直接在散乱数据点云上计算曲面的局部微分性质，包括平均曲率、高斯曲率和主曲率。首先，计算各点的邻近点集，选取合适的局部基础曲面。把邻近点集投影到相应的局部基础曲面。然后，在以局部基础曲面内投影点的参数化代替空间邻近点集的参数化的基础上。用二次参数曲面逼近空间邻近点集，从而计算出各点的法矢，再对不协调的法矢方向进行调整。最后，利用曲率公式计算出各点的曲率。试验表明这种方法可以较好反映曲面的特征。运用该曲率算法对海量数据进行了简化。     

Global Tool Path Fairing Algorithm for Automated Fiber Placement

A global energy fairing method,applied to automated fiber placement(AFP)tool path,was proposed.The main purpose was to improve the adaptability of AFP path towards part with sharp curvature variation as well as product quality.The relation between path geometric property and manufacturing property was discussed and a series of experiments were carried out.Based on cubic B-Spline global fairing method,the AFP tool path was faired which decreased the tool path curvature and curvature changing rate.Compared with initial ones,the path faired by the proposed method was relatively flat and smooth,which contributed to layup efficiency and reducing bulking defects.The method was demonstrated potentials in application for AFP manufacturing,especially for aeronautic and aerospace industry practice.     

平面非规则曲线匹配的一个判定条件

在平面非规则曲线匹配问题中，扫描平面非规则曲线而可以得到一系列不连续的点，如何尽量准确地求取这些点的曲率是一个难题。把相邻3个不连续点看作一段圆弧上的3点，在此基础上提出了一种求取3点中中间插值点切线的斜率的一种算法，并把这个斜率用到三次Hermite插值曲线中．求取插值点的曲率，每个插值点的曲率由相邻的4个点决定。两条平面非规则曲线上时应点的曲率相等则这两条曲线匹配。最后用扫描碎纸片的几组数据进行了实验，实验结果表明该算法是可行的。     

远场涡流三维缺损检测机理的有限元分析

本文依据远场涡流检测中场的分布特点对远场涡流模型进行了合理的简化,建立了有限元分析模型,并完成了二维及三维有限元数值分析,给出了缺损附近的磁场、涡流及波印亭矢量的分布,预估了远场技术中三维探头的缺损响应,结合实验结果初步解释了由实验观察到的而至今未被理解的一些远场现象。最后着重分析了周向缺损与轴向缺损的探头信号的差异,并对远场技术缺损的检测机理作了较为细致的探讨,得到了一些重要结论。     

碳纤维加筋板的超声相控阵C扫描检测可靠性研究

碳纤维加筋板结构在现代航空器中被大量应用,超声波相控阵C扫描技术是这类结构在役环境下的有效检测手段之一,被广泛应用。对于同一个损伤,在实际检测中会出现从不同的方向检测结果不一致的现象;这种现象在传统单点超声波C扫描检测中是不会发生的。本文从试验件表面曲率、缺陷特性等方面对这种不一致性进行了分析和探讨,并给出了避免这一类不确定性发生的建议。     

基于螺旋襟翼的喷流偏转实验研究

基于阿基米德螺旋线理论,通过逐渐增大曲率半径的方法,设计了一种新型的流动控制襟翼——螺旋襟翼。研究了螺旋襟翼的起始半径、对齐半径等关键控制参数对上表面喷流偏转的影响规律,并与传统基本襟翼的控制效果进行了对比,对二者的控制机理进行了分析。结果表明:所设计的螺旋襟翼最大平均推力偏转角约为19.6°;与基本襟翼相比,螺旋襟翼在大落压比下的平均推力偏转角更大,推力效率更高,这说明改变曲率型面可以促进喷流的流动附着,提高上表面吹气系统性能。