飞机结构加筋壁板参数化有限元模型的实现

提出一种基于MSC.Nastran/Patran的加筋板结构有限元模型自动生成方法.方法对加筋条位置、加筋条几何尺寸、底板几何尺寸、材料物性以及网格密度完全参数化,给出标量参数、向量参数、字符参数及动态数组在PCL函数中的具体应用,载荷、约束以及材料特性全部施加于几何体以实现网格密度的自动疏密控制.实例表明,对于帽型加筋板,张角为60°时壁板位移最小.     

整体加筋壁板剪切试验件的分析与设计

采用有限元方法,对整体加筋壁板5种典型缺口区细节试验件进行了应力分析及屈曲载荷计算,给出了加筋壁板试验件较优结构形式.并对连接区厚度和宽度进行参数化影响分析,得到了剪应力及临界屈曲载荷变化曲线.依据计算结果设计出连接区变宽度变厚度试验件.设计思路和分析方法可为整体加筋壁板剪切试验件的设计提供参考.     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题.考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法--几何背景网格法.该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计.采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计.数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局.     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题。考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法——几何背景网格法。该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计。采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计。数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局。     

复合材料加筋壁板有限元建模与强度分析

运用基于工艺的“laminate modeler”模块创建了复合材料铺层和加筋层合板的三维有限元模型.介绍了一种体单元与壳单元节点融合的方法.以不同的相对节点间距对加筋层合板模型进行了有限元网格划分,采用结构最大Von Mises应力作为标准进行了收敛性分析,得到了一个可适用于其他类似加筋板模型网格创建的合理相对节点间距值1/72.应力计算表明,集中载荷作用下复合材料加筋壁板的初始损伤发生于第八铺层材料主方向的2方向,损伤模式为基体拉伸开裂.发生初始损伤时加筋板结构的极限载荷为75 N.应力集中区较小,且主要分布于载荷作用点附近.集中载荷作用下加筋板的承载效率较低.     

超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法

针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构,提出了一种快速屈曲分析方法。首先,基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利-里兹法建立了快速屈曲分析框架,并通过与算例中等效刚度法屈曲载荷结果进行比较,验证了本文方法具有较高的预测精度。然后,对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率,结果表明本文方法不受结构尺寸影响,平均计算时间仅为6s,凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而,基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估,其预测误差均在3.0%以内,表现出广泛的构型适用性。在此基础上,通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率,优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势,相较于初始方案取得了82.2%的承载增幅,可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

NASA TrapWing高升力标模数值模拟研究

针对NASA TrapWing高升力全展襟翼构型，采用计算流体力学（ CFD）方法进行三维复杂流场仿真模拟，考察网格尺度和湍流模型对高升力模型气动特性的影响。采用“超立方体”概念，生成绕TrapWing模型的不同网格密度高质量多块结构网格，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程，研究网格尺度对高升力模型气动特性的影响。在此基础上选取中等规模计算网格，考察Spalart Allmaras和Menter k-ωSST湍流模型对高升力全展构型流场模拟能力，分析湍流模型对气动特性的影响。研究结果表明：网格策略具有较好的网格收敛性；湍流模型对翼稍附近位置上翼面压力系数的预测稍有影响，SA湍流模型预测的压力系数较SST更接近实验值。确认研究工作为大型飞机增升装置数值模拟提供了一定的参考。     

大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法

通过对大型飞机整体壁板结构的损伤断裂特性分析,在壳体断裂力学统一计算理论框架下,将扩展有限元应用于大型飞机整体加筋壁板结构损伤断裂计算;实现了大尺寸加筋板壳结构断裂参数的精确求解;通过采用基于应力强度因子和能量释放率的三维壳体断裂准则,建立了以结构重量、裂纹扩展长度和壳体剩余寿命等多参数设计目标的大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法,以及综合考虑壁板厚度、加筋截面面积和间距的参数优化方法,并给出了工程试验件的设计与验证结果。     

压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

热声联合作用下金属薄壁结构动态响应分析

未来飞行器在服役过程中会遇到气动热、力、振动、噪声等多种载荷联合作用的严酷环境,其结构设计、分析与试验验证面临巨大的技术挑战.针对受热结构在随机噪声载荷作用下的动态响应问题,采用基于顺序耦合策略的谱分析法分析热声耦合动态响应.通过对典型结构的仿真分析,给出了响应均方根应变和功率谱密度响应等计算结果,并与试验结果从数值和形态上进行了比较.结果表明,结构受热后各阶局部模态频率降低明显,功率谱密度响应曲线峰值对应的频率发生明显的前移,随机噪声载荷引起的响应均方根应变很小,并且仅能激起结构的局部模态,分析与试验结果在趋势与数值上均吻合较好,具有较好的工程实用性.     

基于Optistruct的结构静动力拓扑优化设计

基于Optistruct平台,研究了二维平面薄板及三维结构的静力、动力以及静动力联合的拓扑优化,给出了典型结构的算例,对比了优化参数取值不同时所对应的优化结果,探讨了优化过程中的网格依赖性以及拓扑优化的效率等问题.     

面向航线网络体系的客机设计指标权衡方法

为了通过客机的市场分析与总体设计的紧密结合进行关键设计指标的更充分的权衡,提出了从航线网络体系的视角进行指标集效能评价的方法。这一方法以燃油效率作为经济性评价准则,基于运营统计数据建立综合考虑航线航程概率及航线实际乘客数概率的运输周转量概率密度分布,结合客机运行空重的估算,计算出各条航线消耗的燃油重量,进而通过多轮次的仿真分析出不同指标集对应的燃油效率概率密度。分析结果有助于权衡各个指标集的潜在设计方案适合在何种航线上运营,以及从燃油效率的角度分析潜在设计方案对航空公司的吸引力。通过在一个算例中对航程和载客量的变化进行计算和分析,说明了所提方法的应用方式,最后对目前研究的局限之处和后续的研究方向进行了探讨。     

纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现

针对纺织复合材料细观有限元分析中单胞网格的快速生成与顺利施加周期性边界条件之间的矛盾,提出了非周期性网格划分条件下,一般性周期性边界条件的数学表达形式.基于ABAQUS有限元软件平台,通过在单胞模型的相对面、相对边及相对角点施加多点约束(MPC)方程,实现了一般性周期性边界条件的施加.结合三维四向编织复合材料单胞模型,对比分析了周期性网格划分和非周期性网格划分情况下,单胞模型受载下的变形状态、应力分布及弹性性能的预测结果,验证了一般性周期性边界条件的正确性和有效性.研究表明:一般性周期性边界条件可以实现复杂细观结构单胞模型的自由网格划分,降低网格划分的难度,提高网格生成的质量.     

FINITE DIFFERENCE MODEL FOR SIMULATION OF DENSIFYING CARBON-CARBON COMPOSITES BY CHEMICAL VAPOR INFILTRATIONP ROCESSES

ＮｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅｓＡ０—ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＡｒｈｅｎｉｕｓｅｑｕａｔｉｏｎＣ（ｎ）—ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｕｎｉｔ（ｎ）（ｍｏｌ／ｃｍ３）Ｃ０—ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｔｅｘ...     

圆柱筒轴向载荷下单元尺寸效应数值模拟

利用显式非线性有限元方法对薄壁圆柱筒轴向载荷下的动力学响应进行了研究,模拟了圆柱筒在轴向冲击作用下的动力屈曲变形及其发展过程。分析比较了不同单元尺度下冲击模型的数值计算解与理论解,揭示了在进行有限元模拟时存在的网格尺寸效应,为研究有限元网格尺寸与有限元求解精度的内在联系提供参考;为在保证数值解满足工程实际精度要求的前提下,确定合理的单元尺度,提高有限元分析效率进行了有益的探索。     

复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

叶轮机三维非定常流动数值模拟的研究

利用数值模拟手段对压气机内部非定常流场进行了初步研究,在数值模拟中引进了双重时间步方法。研究和讨论了物理时间步长及网格尺寸对计算结果的影响,给出了叶轮机通道中非定常流动的部分流动图画,并对非定常流场进行了初步的分析。     

金属丝网橡胶的本构关系

通过对圆环形金属丝网橡胶成型制造过程的分析,在圆环嵌套模型基础上,结合干摩擦非线性理论和小曲梁模型建立了金属丝网橡胶材料的非线性本构关系,对不同相对密度的金属丝网橡胶试件进行了静态压缩实验,通过实验数据确定了本构关系方程的各项系数并实验结果进行比较.研究结果表明:建立的本构关系模型可以很好地描述金属丝网橡胶的非线性力学特性,实验结果能够较好地符合理论结果,并且该模型反映了相对密度、网格大小和网格宽度等参数的影响,从而实现了对材料结构刚度的预估.      

CVD技术制备Ta/W层状复合材料

运用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)技术制备了W体积分数分别10%,13%和18%的Ta/W两层层状复合材料,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和室温拉伸实验对复合材料的性能进行分析。结果表明:运用CVD技术可以制备W体积分数不同,且密度优于理论密度99.4%的层状复合材料;复合材料中Ta,W层的晶粒均为柱状晶粒,离界面越近,晶粒越细;沉积态复合材料的力学性能优于纯CVD Ta和CVD W;1600℃×2 h的热处理后,复合材料的界面扩散层宽度显著增大,力学性能高于沉积态的力学性能,最高抗拉强度可达660 MPa。