运载火箭/航天器耦合分支模态综合法(下)

将运载火箭作为主结构、航天器作为分支子结构,分别采用自由界面模态展开定理和固定界面模态展开定理,导出分支模态综合法,进行运载火箭/航天器组合模型响应分析。进而,采用界面约束模态质量的界面加速度,导出航天器载荷估计方法,这时的运载火箭与航天器连接界面可以是静定的或静不定的。当仅考虑连接界面是静定的情况,界面约束模态质量将退化为界面刚体质量,导出采用刚体界面加速度的航天器载荷估计的方法,这个方法所导出的公式与Chen的方法完全相同,而Chen方法的公式是由有限元法导出的。提出一种航天器载荷瞬态分析新技术:一个以前的运载火箭/航天器组合系统的载荷分析结果可以用来获得被相同的运载火箭发射的新航天器结构的动态载荷,这种方法比Chen的"恢复瞬态分析"方法更简便。     

基于薄层单元法的螺栓连接结构有限元模型确认

由于螺栓连接结构结合面的粗糙度、预紧力矩和螺栓直径等因素具有不确定性,因此结合面的连接参数也是具有不确定性的,为了获得能描述连接参数不确定性的有限元模型,对螺栓连接结构开展有限元模型确认研究。将复杂的多螺栓结构拆分为简单的单个螺栓结构;先对单个螺栓结构做模型确认分析,采用薄层单元来表征结合面,通过模态试验数据修正获得薄层单元参数及其统计样本,对不确定性连接参数进行量化和传递分析,并采用模型确认准则验证该参数概率分布的合理性;再将考虑概率分布情况的单个螺栓结构的薄层单元参数应用到多个螺栓连接结构对其模态频率进行预测。研究结果表明:所采用的模型确认方法能量化薄层单元参数的不确定性,可建立具有一定可信度的螺栓连接结构有限元模型,由单个螺栓结构能预测多个螺栓结构的动力学特征。     

螺栓连接梁的非线性动力学响应分析

连接界面存在复杂的非线性行为和机理。连接部位是导致结构复杂非线性动力响应的关键所在。传统结构动力学分析中,通常忽略连接或采用线性化的方法来建模,造成无法分析和研究含连接结构的非线性动力行为的困难。文中在分析改进Iwan模型用于连接界面动态力学行为描述的基础上,将改进Iwan模型用于构造非线性连接元,该单元能够反映连接界面在不同载荷幅值下的复杂的粘着-滑动行为特征,能反映出幅变非线性阻尼的特征。进一步,应用该连接单元分析了螺栓连接梁的非线性动力学响应。结果表明,该连接单元能够反映出连接结构动力学响应的非线性特征,可方便地与现有有限元动力计算程序接合,用于含连接结构非线性动力学响应的分析。     

火箭级间段连接螺栓失效数值模拟

火箭级间段采用多个螺栓盘式连接,在高速飞行过程中,箭体受横向异常载荷的作用,导致连接螺栓相继失效.本文利用非线性有限元软件ABAQUS,对单个螺栓的失效进行数值模拟（包括无螺纹单螺栓应力模型和有螺纹单螺栓破坏模型）,计算得到的失效破坏载荷与试验测定的破坏载荷进行对比.考虑火箭全箭飞行过程中遭受的横向异常载荷,对级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟.     

爆炸螺栓冲击载荷作用下的捕获系统力学性能研究

本文对爆炸螺栓冲击载荷作用下的捕获系统(包含捕获器、预紧螺栓)进行强刚度分析,研究捕获系统在不同预紧力矩/同一冲击载荷作用下的力学响应。结果表明,捕获系统在冲击载荷作用下,预紧螺栓、捕获器的力学性能响应随着拧紧力矩的变化而变化,在相同冲击载荷作用下,40N·m拧紧力矩下的捕获器冲击受力面的变形量比0N·m拧紧力矩要小,同时40N·m拧紧力矩下的预紧螺栓和捕获器根部应力水平也较0N·m拧紧力矩有所降低,局部区域已达到塑性变形,存在断裂风险。此次分析研究为后续结构优化提供一定的数据支撑,该技术成果可直接应用于火工品连接—分离结构系统,具有广泛应用价值。     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试，研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响，获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度，可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右，但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法，对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析，预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度，模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的实验研究

本文详细描述了复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的测试过程。着重探讨载荷传递的测试方法以及连接的迭层顺序对载荷分配的影响。4钉螺接试件系纤维增强碳/环氧复合材料制成,各螺栓串联排列并沿钉孔的中心连线方向施加拉伸载荷。本文通过对螺栓位移量的测量,得以确定连接中各钉承载的百分比,发现多钉连接的载荷分配对迭层板中±45°铺层含量相当敏感,±45°纤维含量的增加将加剧多钉螺接载荷分配的不均。受载最严重螺栓的承载百分比亦随迭层板中±45°纤维含量的增加而呈上升趋势。     

复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展

螺栓连接具有承载能力强、可靠性高等优点，成为复合材料结构常用的连接形式之一。对碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳问题研究进展进行综述。阐述了复合材料机械连接结构的几种基本类型，总结了螺栓连接在疲劳载荷下的失效过程和破坏形式，从复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷和环境因素等方面重点论述了碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳性能影响因素的研究进展，最后对未来复合材料螺栓连接结构的疲劳性能研究方向进行了总结和展望，以期对未来连接结构的研究和应用提供建议与参考。     

基于VDI2230标准的螺栓连接载荷系数仿真计算与试验验证

在根据VDI2230标准进行螺栓连接强度校核的过程中，涉及到部分经验参数选择以及经验公式计算，其误差大小会影响最终的校核结果。本文以载荷系数作为研究对象，利用有限元与试验方法开展了一系列分析研究，首先验证了利用有限元方法计算载荷系数的精度范围和可行性；然后基于有限元方法对VDI2230标准中载荷系数经验公式的准确度进行了分析，得到了经验公式在部分情况下的相对误差大小。     

全套管全回转钻机中螺栓强度分析

联接螺栓的安全使用是全套管全回转钻机平稳可靠高效运行的前提,钻机作业工况复杂,影响因素众多。以钻机中立柱压盘与下回转支撑间的联接螺栓为例,阐述了承受轴向载荷或横向载荷作用时的高强度螺栓强度校核分析方法,螺栓静强度及疲劳强度计算分析方法,并对相关步骤做了较为详细的介绍,可为工程结构的整体设计及校核螺栓联接提供理论依据和技术支撑,具有积极意义。     

纵向无垫圈螺栓连接系统的密封性分析和轻量化设计

纵向无垫圈螺栓连接系统在工程中有着广泛的应用。然而,由于受到较多的设计变量和安装边间复杂接触状态的影响,其密封性分析和轻量化设计依然是一个难题。本文系统地分析了设计变量与密封失效的关系,有效地降低了设计变量的数目。通过适当修改Ma等人~([11])的螺栓连接等效力学模型,能够准确预测螺栓孔处密封失效时的临界状态。最后,本文提出了纵向无垫圈螺栓连接系统轻量化设计的优化列式,并进行了数值实现和三维有限元验证。     

随积冰历程的机翼蒙皮载荷实验研究

积冰改变了翼型的气动外形和绕流流场,使得机翼气动载荷分布产生动态变化。蒙皮作为气动载荷的承受及传递对象,会在气动载荷的动态作用下产生不同的振动响应。以某大弯度翼型为研究对象,提取了典型积冰增长过程中尾缘上下蒙皮振动特征,采用载荷谱方法研究积冰全历程的蒙皮振动及流场变化特性,并分析了不同材质的蒙皮在结冰不同阶段的响应及结构稳定性。结果表明:不同材质蒙皮对冰致脱体涡及后缘分离涡具有不同的载荷感知特性;刚性蒙皮载荷谱及其能量相对集中,柔性蒙皮载荷相对分散;随着积冰增多、冰角增长,脱体涡主频逐渐前移,冰角表面小冰枝引起宽幅高频振动;前缘脱体涡与尾迹掺混造成翼型后缘绕流载荷能量增加。     

联轴器螺栓紧固件循环载荷作用下的应力分布

循环载荷作用下联轴器螺栓紧固件的应力状态对联轴器的失效分析具有重要意义。本文采用螺纹精确几何结构建模方法以及商用有限元软件ANSYS对联轴器的螺栓螺纹进行了有限元建模,对螺栓循环载荷作用下的自松弛进行了分析,并进一步分析了循环载荷作用下的螺栓头接触面应力分布及变化情况,通过试验进行对比验证。本文研究揭示了螺栓自松弛的原因及机理,为深入研究联轴器螺纹螺栓的预紧可靠性提供了参考。     

双偏心螺栓组件力学性能分析研究

针对多偏心螺栓组件在飞机上的连接需求以及多重偏心状况影响的研究缺失,本研究结合传统偏心螺栓分析步骤与多重偏心极限位置分析与简化方案,提出了一套新型多重偏心螺栓组件分析流程。根据该流程计算分析了某型飞机上双偏心螺栓组件的偏心特性,综合考虑了多种偏心状况对该组件力学性能的影响,并且根据极限应力状况下的工况对结构参数完成了优化分析。结果表明,在小偏心状况下对于结构整体受力影响不显著;在组件大偏心情况下,当组件偏心方向与载荷方向相垂直时偏心结构会出现极限应力状态。该研究充分说明了新型多重偏心螺栓组件分析流程的技术可行性,也为实际的飞机零部件装配提供了较好的参考。     

外伸梁弯曲法确定薄膜界面力学性能

为了研究用外伸梁弯曲法确定薄膜/基体界面强度的可行性,采用零厚度内聚力单元来模拟薄膜/基体界面结合层的剥离失效。对外伸梁施加“加载-卸载”的载荷历程,利用加载过程中的界面开裂引起的能量耗散来表征界面能量释放率。采用二次名义应变准则和Benzeggagh-Kenane断裂准则来定义界面损伤演化和失效。研究结果表明,外伸梁弯曲法可以有效地测量薄膜杨氏模量和界面强度。文中提出的方法简便有效,具有一定的工程应用价值。     

航空发动机机匣的强度振动分析与评估

针对某高涵道比涡扇发动机高压压气机机匣的设计需求,采用有限元方法,从静力学角度出发,根据温度载荷和气动载荷求解机匣的温度场和压力场分布,分析机匣的应力和变形分布,以及椭圆度;从动力学角度出发,根据机匣的固有频率,结合各级转子叶片数目及工作转速,分析机匣的共振频率,从以上两方面对机匣强度振动特性进行计算分析与评估。研究结果表明:在温度场载荷和气动载荷作用下,机匣具有足够的强度储备系数;机匣共振的安全裕度满足动力学设计要求。     

运载火箭/航天器耦合分支模态综合法(上)

将运载火箭作为主结构、航天器作为分支子结构,分别采用自由界面模态展开定理和固定界面模态展开定理,导出分支模态综合法,进行运载火箭/航天器组合模型响应分析.进而,采用界面约束模态质量的界面加速度,导出航天器载荷估计方法,这时的运载火箭与航天器连接界面可以是静定的或静不定的.当仅考虑连接界面是静定的情况,界面约束模态质量将...     

机械螺栓连接状态监测和辨识方法研究进展

螺栓连接广泛存在于机械装配结构中.振动环境下螺栓连接的状态会发生滑动、分离甚至松脱等现象,从而严重影响结构的功能性和安全性.监测和辨识机械螺栓连接的状态是结构健康监测研究的前沿热点.首先,对螺栓连接非线性动力学问题的研究现状进行了分析,指出针对复杂螺栓连接结构的非线性动力学问题的深入研究是建立可靠的状态检测和辨识方法的基础.然后,讨论了基于振动分析的两类结构健康监测方法在机械螺栓连接中的研究进展,重点综述了基于机电阻抗的状态监测方法的原理、应用现状和不足.最后,讨论了基于非线性系统动力学理论的状态监测方法及其在螺栓连接中的研究应用情况,指出了该技术进一步发展应用的若干关键技术.     

爆炸螺栓盒的爆炸模拟与冲击强度计算

采用非线性有限元软件LS-DYNA，模拟剪切式爆炸螺栓中炸药爆炸及爆炸冲击波对爆炸螺栓盒中的冲击破坏作用，校核盒盖的动强度。计算结果表明，盒盖变形、破坏形式、压力峰值和脉宽都与试验结果吻合较好。根据对计算结果的分析，提出爆炸螺栓盒的三种改进办法，并通过分析计算确定了最佳方案。