Large Amplitude Flexural Vibration of the Orthotropic Composite Plate Embedded with Shape Memory Alloy Fibers

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率,建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程,基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论,建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有3次非线性项的Duffing型常微分方程,采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明,非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征,马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著,同时也讨论了SMA纤维含量、板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

含孔复合材料层合板孔边应力集中的近似计算

针对含圆孔有限大复合材料层板的应力集中间题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中系数的方法:先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含圆孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况.根据所推导的含孔有限宽度复合材料层合板应力集中系数的表达式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响.     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

复合材料层合/夹层板分析方法

分别用ANSYS软件的实体单元solid-46.基于一阶理论的壳单元shell-99和基于整体-局部高阶理论有限元计算了复合材料层合/夹层板结构,包括层合板孔边应力集中和层合板热响应的算例,比较了各算法的精度.计算结果表明:ANSYS软件不能准确计算层合板/夹层板的层间应力,对孔边应力和热响应问题精度较低,整体-局部高阶理论有限元对于上述问题的计算具有较高精度.     

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

复合材料梯形波纹夹层板的优化设计

针对复合材料梯形波纹夹层板的优化设计,提出了一个三步优化方法。第1步和第3步以结构质量为目标函数,使用广义简约梯度法进行尺寸优化,第2步以临界载荷为目标函数,使用遗传算法进行铺层优化。最后通过算例验证了优化策略的有效性。     

铺层顺序对碳纤维复合材料钻削分层制孔的影响

在碳纤维环氧树脂基复合材料的钻削制孔加工过程中会产生很多种类的缺陷,其中分层损伤是最难以控制的缺陷,严重影响机械连接的有效性和材料的使用性能。将铺层规则尤其是防分层规则应用于层合板铺层顺序优化中,使用Memetic算法得出防止碳纤维板分层的铺层顺序,并设计CFRP制孔试验加以论证。试验结果表明,复合材料铺层角度对分层缺陷有重要影响,优化后的碳纤维复合材料可有效减少分层、毛刺缺陷。     

基于复合材料机翼刚度的铺层自由尺寸优化分析

复合材料层合板的优化设计对于提高飞机结构承载能力具有巨大的潜在意义,自由单元尺寸优化技术是对复杂的复合材料结构进行优化的有效方法。本文从复合材料机翼翼盒的翼尖刚度控制出发,对机翼壁板铺层进行了自由尺寸优化设计分析。研究表明：在给定的机翼翼尖变形约束下,自由单元尺寸优化方法能够快速准确地设计机翼翼盒的复合材料铺层比例和厚度,寻找到最优的主传力路径布置,以及获得最小重量目标。     

机身复合材料加筋板壳的稳定性及强度分析系统

随着先进复合材料在飞机主承力结构（如机身结构）中的大量应用,工程上迫切需要大型复合材料加筋板壳的快速建模打样计算、稳定性（刚度）和强度分析的理论和程序支持。基于稳定性理论,并综合复合材料任意加筋板壳有限单元和复合材料层合板壳失效理论等方面的成果,开发了一个机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序(CSSAP)。该程序系统不仅可以进行复合材料（加筋）板壳的线性稳定性和强度分析,还可进行非线性稳定性和强度分析;可对较粗的网格划分,得到临界屈曲应变和后屈曲时的应力。通过一些算例与文献结果的对比,表明本程序系统能够满足工程上的精度要求。并且,通过对实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算,表明本程序系统也可用于飞机工程复杂结构的分析。     

考虑剪切效应的复合材料层合板阻尼特性研究

为了对复合材料结构设计模型进行优化,基于Hencky假设,考虑剪切应力的影响,建立了复合材料层合板的有限元分析模型,在微观力学角度上改进3相桥联模型,预测能量损耗因子,获得目标复合材料层合板的固有频率、振型以及比阻尼容量等振动相关参数。以碳纤维材料层合板为例,将计算结果与现有文献结果进行对比,验证了改进模型的正确性。矩形层合板具体分析结果表明:复合材料层合板在一端固支下,无论是长度还是宽度的变化,对第1阶固有频率的影响都很微弱;第4、5阶固有频率表现出趋于同频现象,振型也会产生类似变化趋势;在长度和宽度变化下,第6阶模态结果则表现出相反的对数变化轨迹。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

复合材料板拉/压-剪复合载荷屈曲相关方程

利用轴向拉伸/压缩和面内剪切载荷构建了一个相互作用函数,并将其通过幂级数展开成二次多项式,利用单轴试验测试的复合材料板屈曲载荷,基于数学原理和合理的假设,推导确定了多项式的各项待定系数,构建了轴向拉伸/压缩和剪切复合载荷下的复合材料板屈曲相关方程,从数学上理性地解决了传统屈曲相关方程不适用于复合材料板（尤其是非均衡铺层板）的问题。利用提出的相关方程预测了4种不同的非均衡铺层复合材料板在轴向拉伸/压缩和剪切载荷作用下的屈曲相关曲线,并与有限元特征值法的模拟结果进行了对比,两者具有很好的一致性,而对于传统相关方程,其铺层的非均衡性越大则预测误差越大。最后通过均衡铺层的复合材料加筋壁板的压剪复合试验进一步证明了提出的相关方程的有效性。     

复合材料层合板的振动模态试验研究

采用逐点激励单点测试（SISO）的方法,在自由状态和一端固支状态下对无损伤和含开孔损伤的复合材料层合板进行了模态试验和模态识别.根据测量得到的试验件的频率、阻尼和振型等模态参数,分析了层合板在不同边界条件下开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性的影响.结果表明：复合材料层合板具有优越的阻尼特性;试验获得的振动特性与相关文献中的结果一致;开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性有明显影响.     

三种增强复合材料层合板抗屈曲优化分析

基于单向轴压、压剪复合以及纯剪三种栽荷形式,对各向同性均质板进行拓扑优化分析,得到了相应的传力路径,即对应载荷条件下的材料分布;针对三种增强复合材料层合板:常规夹芯板、单向加筋板和非常规网格加筋板,运用MSC.Nastran语言,编写抗屈曲优化代码,采用大量有限元优化算例,求解了上述增强复合材料层合板在给定载荷条件下最优的抗屈曲结构效率,对比分析得出四种载荷形式下的最优增强形式,为飞机壁板类结构选型设计提供参考.     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

复合材料叠层板固化成型后的变形分析计算

分析复合材料铺层的微观结构，研究复合材料成型过程变形特点，以此建立两类针对性的有限元模型，并采用典型复合材料叠层板固化成型温度载荷，进行叠层板翘曲变形和板内应力的计算分析。在此基础上，将计算结果与实际试验制件实测结果进行对比。结果表明，本文所提供的有限元分析计算模型可对实际情况进行简便和较为精确的模拟。     

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.     

复合材料层合曲板的非线性动力稳定性

建立了复合材料圆柱曲板受外压作用的大变形动力学控制方程。在边界夹支可移的条件下借用数值方法求得曲板中面随时间的响应历程。将动力响应与Ｂ－Ｒ准则相结合,给出了对称正交铺层复合材料曲板受均布突加外压作用的动态失稳“跳跃”特性图。讨论了铺层顺序和结构参数对曲板跳跃特性的影响。     

复合材料层合板抗冲击损伤的参数表征

研究了铺层方式为［０２／９０２／４５２／－４５２］ｓ的航空用碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）准各向同性层合板低速冲击引起损伤的表征问题。通过落重冲击试验引入损伤程度Ｄ表示材料低速冲击后材料参数的变化大小，通过准静态球面弯曲试验提出复合材料层合板抗冲击的三种表征参数：层内开裂临界能Ｅ１ｃ、层间开裂（分层）临界能Ｅ２ｃ、分层扩展阻力Ｒ．