复合材料波纹板刚度工程计算方法及其在结构分析中的应用

 将复合材料层合板理论拓展到复合材料波纹层合板,得到了其拉伸、耦合和弯曲刚度的解析表达式。其次,阐述了将波纹板刚度输入到MSC/NASTRAN材料卡中的技巧,以及如何对含波纹板结构进行有限元建模分析。最后,将波纹板的刚度计算方法及建模方法应用于对某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算,得到了结构测点处的位移和应变计算值。同传统的有限元分析结果比较表明,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值：在纯弯工况中,位移和应变计算值相对误差的平均值从9.1%和17.4%分别下降到5.2%和4.1%;在弯扭工况中,相对误差的平均值从10.5%和18.3%分别下降到6.0%和5.7%。     

复合材料波纹板剪切载荷作用下的屈曲试验与分析

复合材料波纹板稳定性是飞机机翼结构设计需要考虑的重要方面,是目前飞机结构设计中的一大难点.为了建立波纹板屈曲的数值分析方法,对复合材料波纹板在剪切载荷作用下的屈曲进行试验、工程算法和有限元方法研究.通过试验,探索了3种不同波长的复合材料波纹板的屈曲载荷和破坏载荷;采用工程算法和有限元方法计算了8种不同波长的复合材料波纹...     

基于Hashin准则的直升机复合材料波纹梁耐撞性分析

对低速冲击作用下直升机复合材料波纹梁的吸能能力进行数值模拟分析。在分析中摒弃了在已有分析中将层合板复合材料简化成理想弹塑性材料的假设,建立了考虑实际铺层结构的复合材料波纹梁的有限元分析模型。采用Hashin失效准则对层合板单元的损伤进行判断,并按照相应的损伤形式对单元刚度进行了相应的折减。基于ABAQUS软件编写了VUMAT材料子程序,实现层合板单元的损伤判定和失效单元的刚度折减。计算结果和试验结果的对比分析结果表明,有限元模拟与试验结果有着良好的一致性,验证了分析方法的有效性。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

ANSYS在风洞天平设计中的应用

用传统的材料力学方法设计应变天平时要作较大的简化。笔者应用有限元分析软件ANSYS对风洞天平进行结构计算，得到天平在各种载荷作用下的应变场和位移分布，从而计算得到天平各测量元件的应变值和刚度，最后将ANSYS计算的各载荷作用下的应变值与材料力学计算值作了比较。     

复合材料波纹梁吸能能力的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,对3组不同尺寸的碳纤维—环氧树脂圆弧形波纹梁的破坏过程、峰值载荷和能量吸收能力进行了数值模拟研究。由于MSC/DYTRAN有限元软件不能直接用于复合材料的吸能分析,分析时采用了等效的方法。比较波纹梁的计算结果与准静态轴向压溃试验的结果可见,两者较为一致。在此基础上分析了波纹梁的耐撞性,得到波纹梁在碰撞过程中的吸能数据,进一步研究了不同薄弱环节设置对波纹梁峰值载荷的影响。说明采用了等效的方法并运用该有限元软件来模拟复合材料结构的吸能能力是可行的。     

波纹板和开口腹板刚度等效计算程序设计及实现

以MSC／PATRAN为平台,利用其二次开发工具PCL语言,并结合FORTRAN语言,通过客户化、增设特定的命令和窗体等技术开发了波纹板等效刚度和开口腹板当量厚度计算程序及相应的用户界面。将等效刚度技术融合于有限元建模过程中,使用户在有限元建模过程中随时调用本程序进行波纹板和开口板的等效刚度计算。实际工程应用结果表明,本程序使用方便,可以提高建模效率。     

复合材料整体化结合界面失效模拟方法研究

复合材料结构界面失效分析有助于复合材料整体化结构细节设计,有必要进行界面失效问题分析.针对复合材料整体化结合界面进行有限元数值模拟失效分析方法研究,对承受不同载荷的结合界面选用不同的建模方法和失效模型.对于层压板失效,在Tsai-Hill判据基础上,增加破坏能判据;对于界面失效,提出基于应力、应变和破坏能的多级判据及其衰减方法.结果表明：本文方法建模简单、计算速度较快、计算结果与试验值吻合性好,可为复合材料整体化结构设计提供工程实用的分析方法.     

复合材料波纹板轴向压溃仿真及机身框段适坠性分析

飞机结构适坠性是航空安全的重要关注点之一,通过材料性能试验和复合材料波纹板准静态压溃试验,获得了T700/3234复合材料力学性能参数及波纹板压溃吸能结果;基于试验数据验证了复合材料波纹板有限元模型和材料模型的正确性;建立了机身框段有限元模型,将复合材料波纹板用作机身下部吸能结构,分析机身框段有限元模型在7m/s时的坠撞动态响应。仿真结果表明:在试验条件下,建立的复合材料波纹板模型可以准确模拟渐进失效过程;复合材料波纹板布局机身框段破坏过程较为稳定,其加速度值在人体耐受极限范围内,能够有效改善飞机结构的适坠性能。     

用于变体飞行器的波纹板等效强度模型及其优化设计

变体飞行器的结构既需要改变气动外形，也需要传递载荷。针对一种变体翼尖的设计需要，使用能量方法，构建了等效力学模型。在实现对波纹板刚度特性等效替代的同时，获得了波纹板整体应变与结构内局部应变的转换关系，从而可以通过对波纹板局部材料进行失效判定，实现对波纹板整体失效应变的预测；经过实验验证，该等效力学模型的解析解与实验值相比平均误差在10%以内。通过对波纹板几何尺寸进行参数分析，获得了单元几何参数对波纹板失效应变和等效刚度的影响关系。最终，针对变体飞行器承载与变形的设计需要，对波纹板进行了优化设计，进一步评估了波纹板结构的强度与刚度特性，为变体翼尖的设计提供了依据。     

复合材料开口结构参数化建模技术研究

基于MSC.Patran软件,运用PCL语言编写了参数化建模程序,实现了多种开口形式和加强形式的复合材料开口结构二维模型快速化、自动化建立。运用刚度等效原理将复合材料任意截面形式的筋条等效成各向同性矩形实心筋条,解决了目前有限元软件中没有提供复合材料一维梁单元的问题。结合复合材料开口结构刚度计算与优化设计实例,验证了建模方法的准确性与实用性。     

航空发动机金属波纹封严环性能分析

为提高航空发动机用金属波纹封严环的密封性能,通过利用有限元方法对金属波纹封严环进行有限元分析,对不同断面形状的封严环轴向刚度变化、径向尺寸变化和应力分布情况进行了对比,得到了基于波节的金属波纹封严环外形尺寸的初步优化设计方案。通过对金属波纹封严环应力的观察分析,结果表明：圆弧波节的应力分布比较均匀,合理优化圆弧波节的外形尺寸以减小径向变形和轴向刚度,可较大地提升金属波纹封严环的稳定性和使用寿命,对航空发动机金属波纹封严环的理论研究及优化设计与制造具有一定参考指导意义。     

基于等效等时应力应变曲线的金属材料多工况蠕变分析

为了在工程设计阶段评估涡轮叶片在多工况下的蠕变变形,基于单工况的等时应力应变曲线,提出了一种等效等时应力应变曲线的方法,并与发动机持久试车实例进行了分析比较。结果表明:基于等效等时应力应变曲线方法所计算的涡轮叶片卸载后的残余变形与发动机持久试车结果的相对误差的平均值为15.30%,而通常所采用的基于二维梁理论和基于时间步的三维有限元分析方法所计算的相对误差的平均值分别为45.35%,31.14%,表明该种方法具有较好的工程应用性。     

纤维增强复合材料结构有限元分析方法

本文以强5机的复合材料垂直安定面为工程实例,论述了复合材料结构应用有限元分析的基本方法与步骤,分别介绍了有关元素的刚度特性,并利用计算程序对碳纤维复合材料垂直安定面结构进行了位移,应力计算。计算结果与试验结果吻合。     

高度修正实现刚度等效的梁结构有限元建模方法

民用飞机中对于梁结构的有限元建模,一般采用刚度等效方法将梁建成杆单元与剪切板单元的组合形式,这种有限元简化方法仅能保证截面刚度与真实截面刚度近似等效,但有限元中的截面面积与实际面积却相差较大,致使有限元分析的结果不能准确反映结构严重部位的应力情况。针对传统刚度等效有限元建模方法的不足,提出一种采用高度修正的刚度等效有限元建模方法;将该方法的计算结果与传统建模方法的计算结果、理论计算结果、试验测量结果进行对比。结果表明：本文提出的高度修正的有限元建模方法比传统杆板系建模方法更准确,与试验结果更接近。将该方法用于民用飞机结构有限元建模,能够对真实结构进行更准确地模拟,分析结果也更精确,对民用飞机结构的强度分析和安全保障具有重要的意义。     

弹性波纹环减振轴承设计与分析

设计了一种圆周周向呈现正弦波纹状的弹性圆环轴承阻尼器,与滚动轴承耦合到一起,实现轴承减振吸能功能。建立了弹性波纹环减振轴承的力学模型,利用有限元方法对该减振轴承进行力学性能分析,研究了弹性波纹环几何参数对其应力分布和径向压缩刚度的影响以及弹性波纹环的减振吸能效果。结果表明：与弹性凸台环比较,弹性波纹环的应力分布有了很大改善,在给定工况下,最大Mises应力从1 356 MPa降低到464 MPa,应力减小了64%,消除了应力集中现象;弹性波纹环的厚度、波纹周期数和弹性环直径对弹性环的应力和刚度影响显著。弹性波纹环的引入大幅度降低了轴承在振动冲击时受到的冲击力。     

复合材料面板全高度蜂窝翼面结构分析

针对复合材料面板全高度蜂窝夹层翼面结构,基于MSC. Patran/Nastran创建了翼面有限元模型,对均布载荷作用下的结构进行了仿真分析。结果表明:翼面结构最大位移2. 79 mm,曲屈载荷33. 7 kN。工程方法计算得到翼面结构曲屈应变1 308. 6με。静强度试验中实测翼面最大位移2. 81 mm。理论与试验相结合的方式分析夹层翼面结构,最大位移值偏差约0. 7%,证明了仿真分析模型的合理性,为该类型结构的工程应用提供了一定的参考。     

细观周期性结构复合材料热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法及有限单元法实现

针对周期性结构复合材料,根据稳态热固耦合平衡方程,将弹性矩阵和导热系数矩阵进行合并,将位移和温度作为空间场量同时进行小参数渐进展开,利用摄动理论和均匀化理论,推导并建立了周期性结构复合材料稳态热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法。将复合材料力学分析从单一物理场推广到热固耦合场,为实现复合材料构件的热固耦合多尺度力学分析建立了基础。根据建立的偏微分方程式,利用变分原理推导得到其有限单元形式,用VC++6.0开发了热固耦合双尺度渐进均匀化分析程序。为验证该方法预测复合材料宏观等效性能的准确性,对纤维体积含量从20%到80%的单向纤维增强复合材料宏观等效参数进行了计算。当纤维体积含量低于65%时,得到的计算值与实验值吻合良好。更加真实地还原复合材料细观结构模型,计算精度将进一步提高。     

复合材料层合板沉头螺栓接头拉伸性能试验与有限元仿真

根据ASTM标准设计了复合材料沉头螺栓单钉单搭接头拉伸性能试样,并完成试验件的制备和挤压性能试验。试验过程中采用非接触全场应变测量系统(VIC-3D)对载荷-位移曲线、表面应变场、沉头板上表面面外位移等试验数据进行了采集。基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit模块建立了复材接头单向拉伸的静力隐式和动力显式三维有限元模型,利用模型搭接区域的变形对试验结果进行验证。采用静力隐式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为14.4%和20.5%;采用动力显式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为13.1%和11.9%。采用动力显式算法精度较高,而且其在接触建模时稳健性很强,可用于后续多钉连接接头以及整体壁板等大型复杂结构建模。     

复合材料臂杆刚度性能研究

为获得大型复合材料臂杆刚度特性用于结构动力学仿真,采用有限元建模和试验测试两种方法,分别得到试验件一阶模态频率与弯曲及扭转刚度。分析结果与试验结果并不吻合,对产品刚度降低原因进行了分析,不良成型工艺和纤维打断对复合材料产品的刚度特性有着较大的影响。