复合材料挖补修理结构渐进损伤分析

采用材料弹性系数的刚度退化模型分析了复合材料挖补结构的极限强度。基于Mayes模型提出了一种复合材料层合板的刚度退化方法,以带中心孔拉伸试件为对象,在完成有限元网格划分与单元选取的适应性研究后,使用复合材料层压板挖补试验件进行了渐进损伤分析方法的有效性验证。开展了挖补结构的渐进损伤分析和挖补参数对极限强度的影响研究。研究结果表明,采用层合单元的有限元模型和基于材料弹性系数的刚度退化模型,可以作为复合材料修补结构强度的基本分析模型,计算效率和分析精度能够满足工程分析需求,修补设计参数对修补结构强度的影响呈非线性。研究结果可以为复合材料层压板挖补修理设计提供参考。     

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。     

波纹夹芯加筋板和波纹腹板的刚度工程计算方法及其应用

研究了波纹夹芯加筋板刚度的计算方法,并将该方法拓展到计算复合材料波纹层合板的拉伸、耦合和弯曲刚度,得到了其解析表达式。阐述了将波纹板的刚度输入到MSC．Nastran材料卡中的技巧,以及对波纹板有限元建模分析的方法。将波纹板的刚度计算技术及建模方法用于某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算中,得到了结构测点处的位移计算值和应变计算值,并同试验测量值和传统的有限元分析方法得到的计算值进行了比较。结果显示,同传统的对结构细化的有限元建模分析方法相比,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值,位移计算值相对误差的平均值从原来的9％下降到5％,应变计算值相对误差的平均值从原来的17．4％下降到4．1％。     

蜂窝夹芯旋转壳的屈曲分析

蜂窝夹芯复合材料旋转壳是航天器中的重要部件,且常常与其它部件互相联结,联结区局部高应力往往诱发复杂的局部屈曲模态,为此发展了一套有限元求解方案。针对蜂窝夹芯层合壳体构造了一种基于相对自由度技术的32节点三层壳元,这种单元避免了传统壳元的转动自由度,易与三维实体单元连接,使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。同时运用旋转周期结构有限元技术对大规模的空间蜂窝夹芯层合结构成功实施了屈曲分析。数值算例表明了计算策略的有效性和优越性。     

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明：该算法的计算结果与实验测试值误差最大为369%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于001%,而对模态损耗因子影响最大为10947%。     

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。     

复合材料叠层板壳有限元的渐近解

 本文针对复合材料叠层板壳结构建立了一个分层计算的有限元模型,此模型的特点是以参考面的位移和各层横向剪应变作为独立的自变量,导出了叠层板壳的有限元模式,这是和原有分层模型的本质区别,从而具有以下优点:(1)刚度矩阵具有良好特性,可采用渐近法求解,大大提高了计算效率,克服了分层模型中的最大困难;(2)完全避免了较薄的板壳在有限元计算中常发生的“剪切自锁”现象;(3)较精确地考虑了各层的剪切效应,无须再引入剪切修正系数。还采用此模型较好地解决了任意铺层的叠层板弯曲、叠层板脱层屈曲和承受任意载荷的轴对称叠层壳的弯曲等问题,证明了此模型的优点和可靠性。此模型还极易推广应用于叠层板壳的动力、稳定和层间应力等问题。     

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%。     

几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元

 为了方便合适地选取单元进行工程分析,本文基于开放式结构有限元分析系统SiPESC.FEMS,提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元程序计算框架。此框架利用组合的方法,考虑平面壳单元中板、膜单元之间的关系以及程序编制过程中的重用性、灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的复合材料层合板壳单元。本框架具有一定的通用性和可扩展性,能够处理复杂荷载、边界条件及三维空间不同材料铺设方向的层合板壳的结构分析问题。基于此方法实现了5种复合材料层合板壳单元,通过数值算例分析对比讨论各单元性能,显示了本框架具有简单实用等特点以及采用组合方法构造单元的优势。     

一种楔环刚度等效方法

为了确保分析精度的条件下提高带楔环的鱼雷结构分析效率,在优化设计的基础上建立了一种楔环刚度等效方法.建立带接触的三维细节实体元有限元模型和全壳元有限元模型,分别进行非线性静力分析和线性静力分析,以连接部位壳元刚度为参数,以全壳元模型与三维细节模型挠度一致为目标开展优化设计,通过优化设计得到连接部位的楔环等效刚度.采用等效刚度模型和模态分析后发现,等效模型可以在计算精度和计算效率之间取得较好的均衡,证明提出的方法在鱼雷结构设计和强度研究中具有较高的应用价值.     

复合材料层合加筋板结构的后屈曲强度及破坏研究

 对于复合材料加筋层合板结构提出了一个逐步破坏的分析模型，它包含结构总体变形的几何非线性分析和结构内部材料局部损伤破坏的分析及其两者的相互作用。基于这一模型采用非线性有限元分析方法，研究了在压剪载荷作用下层合板结构的屈曲、后屈曲路径和破坏时极限载荷。     

基于三角剪切变形理论的对称层合板振动分析

根据三角剪切变形层合梁理论,推导出对称复合材料层合板的运动微分方程,利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对运动微分方程进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性。将不同材料参数、几何尺寸的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明：用逆复合二次径向基函数离散的三角剪切变形理论在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有一定的精度。     

面内弯曲载荷作用下两边简支两边固支复合材料层合板的屈曲

为扩充航空复合材料结构稳定性设计手段,基于Levy形式级数和有限差分法,提出了面内纯弯曲载荷作用下两边简支两边固支（SSCC）复合材料层合板临界屈曲载荷的数值解法。首先,应用有限差分法将挠度函数进行离散化处理;然后利用边界条件扩充方程组,最后将临界屈曲载荷的求解转化为广义特征值问题。通过数值算例分别在各向同性板和复合材料层合板上验证了本文方法,并与有限元方法（FEM）进行了比较。结果表明,本文方法具有很高的精度,为复合材料层合板的屈曲分析开辟了新的途径。     

复合材料层压板稳态湿度场及应力场分析

1.前言 复合材料湿热效应问题一直困惑着设计人员。60年代末到70年代中期,发表大量有关复合材料湿热效应的文献。近年来仍有不少这方面的研究资料,但具有工程实用价值的资料不多见。本文提供的复合材料层压板稳态湿度场及应力场分析方法,向工程实用化迈出了可喜的一步。     

An advanced five-unknown higher-order theory for free vibration of composite and sandwich plates

Accurate prediction of dynamic characteristics is quite critical to understand the strength of layered structures. Nevertheless, the existing five-unknown higher-order theories encounter difficulties to forecast accurately the dynamic response of sandwich structures. Therefore, a new five-unknown higher-order theory is developed for free vibration analysis of composite and sandwich plates, which possesses the same degree of freedom as those of other five-unknown higher-order theories. The developed model can meet beforehand interlaminar continuity conditions and the free-surface conditions of transverse shear stresses. To assess capability of the proposed model, analytical solution for such composite structures with simply-supported conditions has been presented by employing Hamilton’s principle, which is utilized for analysis of mechanical behaviors of composite and sandwich plates. Compared with the three-dimensional (3D) elasticity solutions, 3D finite element results and the results obtained from the chosen five-unknown higher-order models, the proposed model can yield accurately natural frequencies of composite and sandwich plates. Even for the thick plates, the higher-order frequencies calculated from the proposed model are in good agreement with the 3D finite element results. By studying effect of the thickness/length ratios on natural frequencies, it is found that the proposed model is adaptable to predicting natural frequencies of the sandwich plates with the thickness/length ratios between 1/4 and 1/100. In addition, some factors influencing accuracy of five-unknown higher-order models have been investigated in detail. Finally, by means of numerical analysis and discussion, some conclusions have been drawn as well, which can serve as a reference for other investigators.     

基于Huff夹层板理论的复合材料结构有限元分析

推导了基于Ｈｕｆ假设的复合材料夹层结构的主要理论公式,采用８结点Ｓｅｒｅｎｄｉｐｉｔｙ元素,推出相应的有限元列式的［Ｂ］和［Ｄ］阵,这种元素既是协调元又是高精元,对于研究分析复合材料结构有重要意义。     

复合材料层合板壳通用单元和等网格加筋板壳的局部稳定性

 本文根据多变量拟协调罚函数法构造了15自由度三角形复合材料层合板壳厚薄通用单元。文中以各向同性和等网格加筋板壳的局部稳定性为算例,证明了该单元的有效性,并讨论了结构跨厚比α/h,弹性模量比E_1/E_2、铺设角,铺层数以及边界支承条件与剪切效应和耦合效应间的关系。     

复合材料叠层板壳材料非线性有限元分析

 本文采用通用于复合材料叠层厚、薄板壳的Heferosis三维退化曲壳元,利用Hill屈服准则和层状模型法,研制了针对金属基复合材料叠层板壳进行弹塑性分析的超参元程序。算例结果表明,叠层板壳分析方法和所编程序是可靠的,精度良好。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。