Boundary discontinuous Fourier analysis of thick beams with clamped and simply supported edges via CUF

This paper presents an analytical solution for static analysis of thick rectangular beams with different boundary conditions.Carrera's Unified Formulation (CUF) is used in order to consider shear deformation theories of arbitrary order.The novelty of the present work is that a boundary discontinuous Fourier approach is used to consider clamped boundary conditions in the analytical solution,unlike Navier-type solutions which are restricted to simply supported beams.Governing equations are obtained by employing the principle of virtual work.The numerical accuracy of results is ascertained by studying the convergence of the solution and comparing the results to those of a 3D finite element solution.Beams subjected to bending due to a uniform pressure load and subjected to torsion due to opposite linear forces are considered.Overall,accurate results close to those of 3D finite element solutions are obtained,which can be used to validate finite element results or other approximate methods.     

一种含分层复合材料层合板高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料县合板高阶弯曲位移模式。此模式考虑了横向剪切的影响,得到一种新的厚板有限元模型。对于含有分层的单元,通过改变其单元内横向剪切应力的分布,达到改变单元刚度的目的。因此,此模型适用于任何厚度的或含有分层的复合材料层合板。     

复合材料层合板弯曲振动高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料层合板高阶弯曲位移模式,此位移模式既考虑横向剪切的影响,又考虑了法向正应力的分布,进而建立的相当于三维弹性理论解的二维有限元模型,具有精度高、计算量并不大的优点。     

航空板结构强度的边界元法

边界元即边界积分方程方法,可方便地用来解板弯曲问题。本文在局部极坐标下建立公式,采用具有较高协调性的函数插值方案,利用外点技术完全避免边界奇异积分。列举的一系列算例表明该方法输入数据少、机时省、精度高,是板结构强度分析的一个有效方法。     

发动机机匣、支板系统结构动力分析

发展了在环向只能处理连续变量的常规有限条法。分析在环向由若干个离散分布的支板和支架支承的发动机机匣回转壳。各离散支板和支架回转壳刚度的贡献, 是通过支板和壳体连接处位移相等的变换, 将各支板的刚度阵叠加到回转壳的总体刚度阵上实现的。同时证明了位移在环向的Fourier级数展开式中, 只有n=0, n=1项对轴系的支承刚度有贡献。支板及支板附近的壳体的局部应力, 是由局部子结构空间板壳有限元分析得到, 该子结构的边界位移由整体的回转壳分析给出。算例表明, 本文提出的方法能有效地计算轴系的支承动刚度和壳体的局部应力。      

基于等效板模型的弹翼颤振分析

 基于等效板模型发展了一种适用于导弹翼面的动力学和颤振分析方法。在等效板建模过程中,使用简单多项式定义翼面的几何、结构和位移,利用人工弹簧近似边界条件,通过全局Ritz法得到刚度和质量矩阵的解析表达形式,通过特征值问题的求解得到翼面的固有频率和振型。通过频率和模态的初步比较发现,利用该方法得到的弹翼动力学特性与通过有限元方法得到的结果一致。然后利用这两组模态进行弹翼的颤振分析,通过对比发现,两种方法的颤振分析结果吻合,这也进一步验证了等效板方法在弹翼动力学分析方面的准确性。等效板方法为弹翼初步设计阶段的快速建模提供了一种有效工具。     

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。     

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。     

基于有限元方法的复合材料层合板自由振动分析

利用有限元分析方法分别研究了正交各向异性、对称角和反对称角铺设的正方形复合材料层合板的线性和非线性自由振动问题.结合一阶剪切变形理论推导出层合板自由振动的有限元方程,构造了三维有限元模型,并对其基频进行计算.数值结果与其他的文献的结果对照表明,用有限元方法求得的基频与用各阶剪切变形理论求得的结果非常接近,但对于厚板结果与经典Kirchhoff的结果有一些差距,对于其他理记是一致的.     

双分层损伤层合板屈曲的有限元分析

采用参考面单元技术,建立双分层损伤层合板的有限元模型,研究了不同边界条件下,分层尺寸和位置对层合板压屈载荷的影响。大量计算表明,双分层损伤层合板的压屈载荷完全由其最弱的子层确定。在一定的分层位置范围内,双分层和相应单分层的压屈载荷有极好的一致性。给出的压屈载荷的等值线图可以清晰地描述压屈载荷随分层位置的变化规律。     

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.     

适用于混合网格的约束最小二乘重构方法

为强化边界条件对计算流体力学(CFD)计算中流场重构过程的影响,基于三维任意多面体混合网格,对一种约束最小二乘法进行了研究。通过对不同边界类型的透明化处理,统一了约束方程组的形式,从而简化了该方法的应用。为了充分吸收消去法和加权法各自求解约束方程组的优点,提出了混合采用两种方法的思路。针对层流平板研究了加权法中加权系数如何取值问题,数值实验表明加权系数取到5基本已经足够大。最后通过亚声速层流平板和跨声速湍流ONERA-M6算例对比了混合法、加权法与原始最小二乘法,计算结果表明:约束最小二乘法相比原始最小二乘法的流场重构更加准确,特别是对边界质量较差网格的计算优势更为突出;混合消去加权法相比单独采用加权法的计算结果也有所改善。     

二元推力矢量喷管导流板的设计研究

在某型飞机进行二元推力矢量改装时，为了获得俯仰方向的矢量推力，必须对飞机尾喷口气流进行导向，以便实现推力方向的改变。本文将喷口导流板设计成由矩形板部分和三角形部分组合成的一个几何体，利用有限元软件Patran对导流板进行了应力强度分析和变形分析，得出不同的三角形高度和不同的矩形宽度组成的导流板的应力分布场和变形位移场不同。通过对不同宽度的矩形板和不同高度的三角形板组成的导流板的分析计算得出，导流板最大应力和最大位移随三角形高度变化曲线，从而确定最佳的三角形高度和矩形板宽度。     

纤维增强及匀质层层叠板动力分析的解析与半解析方法

本文引入复合板条振型函数系列,提出二种层叠板解法。一种纯解析法适用于各种边界条件的矩形层叠板的动力计算;另一种半解析半数值方法适用于任意形状、任意边界的层叠板动力计算,比现有数值计算方法节省大量内存与时间。文中还给出了一系列常用层叠板计算公式。     

基于非线性几何场论求解热弹性板大挠度弯曲的BEM法

基于理性力学非线性几何场理论,建立了热弹性薄板等效速率形式的Ｋａｒｍａｎ方程,通过将热弹性薄板大挠度弯曲问题看成平板弯曲问题与平面大变形问题的耦合,在固定坐标系及拖带坐标系上推导出两组边界积分方程,从而建立起新的分析热弹性薄板大挠度弯曲的边界元法。算例表明本文方法理论可靠、精度高。     

轮盘振动特性计算

本文提出了一种计算轮盘振动特性的数值解法。采用薄板和厚板两种理论,将问题化成一阶微分方程组进行数值计算。编制了计算机程序,得出了令人满意的结果。由于没有涉及到复杂的数学问题,计算机程序大为简化,计算时间少。      

2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。     

航发高温内腔温度场模型的建立与仿真分析

航空发动机内腔温度高、变化快，传统接触测试方法需要破坏结构或加载传感器于内腔获取温度数据。针对这种高温测量应用需求，从热传导和热弹性理论出发，理论分析了温度场作用下的钢质薄板变形特性。基于热弹性的基本方程和边界条件，研究了符合轴对称原则的金属薄板的应力、应变、位移、温度之间的数学关系，建立了多项式方程求解金属薄板温度位移模型。依据金属薄板材料参数和边界约束条件，有限元仿真分析了金属薄板的热变形状态，仿真结果与建立的模型计算数据比对验证基本一致，初步验证了温度计算模型的可靠性，为微变形内推温度测量提供可能。     

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。     

Coupling fluid (CFD) and structural (FE) models using finite interpolation elements

In the field of aeroelasticity, interactions between elastic structures and fluid flow are investigated. Recently, numerical aeroelastic models have been built composing those of the combining fluid dynamics (CFD) and the computational structural dynamics (CSD) domains. Since the fluid and the structural models differ in their formulation and discretization, an interface model has to be introduced that represents the connectivity and physical interaction between the two single domain models. In the following, a scheme for coupling fluid (CFD) and structural models (FE) in space is presented which is based on finite interpolation elements. It is applied to static aeroelastic problems, in order to predict the equilibrium of elastic wing models in transonic fluid flow. The structure is represented by finite elements and the related equations are solved using commercial FE analysis codes. The transonic fluid flow is described by the three-dimensional Euler equations, solved by an upwind scheme procedure. The resulting coupled field problem containing the fluid and the structural state equations, is solved by applying a partitioned solution procedure. In each solution step the interface and boundary conditions are exchanged and updated. Here, a fixed-point iteration scheme is used for the coupled aeroelastic equations.