缝合复合材料可用性——简单层合板的基本性能

为了解决缝合复合材料在飞机结构中的应用问题,通过试验方法研究了缝合以及缝合方向对T300帘子布/QY9512单向层合板与正交对称层合板拉伸和压缩性能的影响,得到了T300帘子布/QY9512材料的部分基本性能常数.研究表明,缝合与缝合方向对这两种层合板的模量影响不大,但对单向层合板的泊松比影响较大,而且偏轴后缝合单向层合板的泊松比不满足偏轴转换关系.缝合及其方向对单向层合板的拉伸强度影响很大,而对压缩强度影响却不明显.缝合正交对称层合板中铺层的拉伸破坏机制与缝合单向层合板的破坏机制不同,因此不能用缝合单向层合板的拉伸强度作为正交层合板内铺层的强度极限.      

CFRP平-折-平连接接头试验研究与数值模拟

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）平-折-平（FJF）连接接头强度和失效问题进行了试验研究和数值模拟。基于商用有限元软件ABAQUS,建立了FJF连接接头强度预测模型,通过与试验结果进行对比,探究了此类接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力,同时分析了搭接长度对接头强度和失效模式的影响。结果表明,利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差均小于3.5%,具有较好的精度。不同搭接长度下,FJF混合连接接头相较于胶接连接接头和机械连接接头强度均有提升。接头的强度随着搭接长度的增大而增大,搭接长度增大到一定程度后趋于平缓。搭接长度较小时,FJF混合连接接头失效表现为胶层沿搭接区的断裂和孔边挤压失效;搭接长度较大时,失效模式转变为层合板孔边拉伸断裂和胶层扩展至孔边的断裂。      

压电层合板振动的鲁棒控制

研究具有不确定系统参数的压电层合板,同时考虑压电层合板的稳态性能和暂态性能,在模型降阶的基础上,应用融合多性能指标的鲁棒控制理论设计控制器,使压电层合板的振动响应满足给定的期望性能指标集,并使压电层合板对参数摄动具有鲁棒性,对扰动输入具有良好的抑制作用.实现压电层合板的鲁棒控制,使振动幅度快速、准确地得到控制.为解决多指标下不确定压电层合板振动的控制问题提供一种代数方法.      

应用免疫遗传算法优化设计层合板铺层顺序

应用遗传算法对复合材料层合板的铺层顺序进行优化设计,并通过免疫机理解决基本遗传算法中存在的收敛效率低、"早熟"等问题.以层合板的面内几何因子和弯曲因子为优化对象,建立遗传算法的优化模型.通过交叉、变异等遗传操作,搜索问题的最优解.借助免疫系统对抗体的促进和抑制机制,调节种群中个体的多样性.数值算例中给定了层合板的面内几何因子和弯曲因子,应用免疫遗传算法求解层合板的最佳铺层顺序.并将应用免疫遗传算法与标准遗传算法得到的优化结果进行了比较,证明了免疫遗传算法的优越性和实用性.     

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明:湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。      

湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能

湿热环境是影响复合材料层合板力学性能的主要因素之一，研究湿热环境对复合材料结构的影响对于保证飞行结构安全具有非常重要的工程应用意义。研究碳纤维复合材料层合板在室温干态（RTD）、低温干态（CTD）和高温湿态（ETW）3种环境条件下的拉伸疲劳性能，获得3种环境下的S-N曲线与层合板疲劳破坏模式。在此基础上，建立层合板有限元分析模型，对其疲劳性能进行研究，分析讨论温度及湿度对层合板疲劳性能的影响，建立层合板疲劳寿命环境影响因子的确定方法。结果表明：湿热环境对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大，疲劳寿命为106次时，与RTD环境相比，CTD环境下层合板的疲劳强度下降了2.76%，而ETW环境下下降达到23.77%;ETW和RTD环境下破坏模式以纤维断裂和分层为主，而CTD环境下却几乎全为纤维断裂破坏；S-N曲线包括疲劳强度快速下降和缓慢下降2个阶段；温度对疲劳性能的影响要明显强于湿度，温度超过45℃时湿度对疲劳性能的影响进入强影响区。     

厚截面层合板非同步固化的三维有限元分析

建立了描述厚截面复合材料固化压实过程的三维有限元模型并进行了模型有效性验证,计算了400层AS4/3501-6层合板在固化过程中的温度场、固化度、粘性、树脂体积含量和厚度压缩率情况.模型计算结果表明：在固化过程中,层合板的中间层会出现高于保温平台约49K的温度峰值;层合板沿厚度方向的温度和固化度的非同步现象明显;层合板的中部存在明显的局部温度过热和快速固化区域,该区域内的树脂粘性变化剧烈、树脂流动时间缩短,阻碍了该区域及层合板下部的多余树脂流入吸胶膜,并最终导致了固化结束后树脂的不均匀分布,靠近吸胶膜的上表面树脂体积含量约为41%,靠近模具的下表面约为46.5%;层合板的最终固化压实率在15.7%左右.     

剪切效应对非对称层板固化变形的影响

研究了横向剪切效应对非对称层合板固化变形的影响，研究发现，当层合板尺寸处于临界位置时，横向剪切对固化变形的影响比较大，远离临界尺寸时，横向剪切效应的影响不是很明显。     

复合材料层合板的非线性后屈曲分析

应用能量变分方法，对多向辅设的复合材料层合板结构进行了后屈曲分析，在分析中计及了几何非线性和物理非线性的影响，导出了层合板结构的总势能表达式，最后获得在面内纵向压缩载荷下的非线性后屈曲控制方程，通过对几种碳／环氧复合材料层合板铺导情况的编程计算，得到了不同的经典临界值Ｐ１及其后屈曲平衡位形曲线，即Ｐ１／Ｐ１α～Ｗ１／Ｈ曲线，并总结出一些带有规律性的结论。     

轴间气膜密封周向相对滑动判定方法

为预判端面轴间气膜密封中密封环与外层转子之间是否产生周向相对滑动，提出了一种考虑离心膨胀效应的轴间气膜密封周向相对滑动判定方法。分析了密封环与外层转子之间产生周向相对滑动的力学机制，将密封环和外层转子离心膨胀简化为轴对称平面应力问题和轴对称平面应变问题。计算了密封环和外层转子的弹性变形刚度差异对膨胀变形及连接关系的影响，得到了密封环与外层转子产生临界滑动的工况区域。所提判定方法对工程中密封环的周向滑动问题提供了预测及指导。      

复合材料混合连接结构拉伸性能与影响因素分析

胶螺混合连接设计适当,能够提高结构的连接效率.针对复合材料胶螺(螺钉)混合连接结构中存在的分析与设计问题,在ABAQUS软件平台上建立了损伤累积三维有限元模型,其中考虑了胶层物理非线性以及非线性接触等问题,连接结构拉伸强度及损伤破坏过程的计算结果与试验结果基本吻合,证明了所建模型的有效性.在此基础上,研究了复合材料层合板端头翻边、胶层厚度、胶层韧性以及接触面摩擦系数等因素的影响.结果表明:复合材料层合板端头翻边对混合连接结构具有增强作用,能够提高结构的拉伸强度;韧性胶层能够提高结构的拉伸强度,但胶层厚度对结构的强度基本没有影响;螺钉杆与连接孔接触面间摩擦系数越大,连接结构的拉伸强度越高.     

复合材料固化应力模型

本文建立了描述复合材料固化应力史的综合模型。在本模型中考虑了化学收缩对残余应力史的贡献,并考虑了以玻璃化转变区为应力释放区的应力松弛过程。整个模型由四部分组成:描述温度场的模型、物理力学参数的模型、描述细观纵向残余应力史的模型、描述层合固化应力史的模型。     

电场影响铁磁流体摩擦系数的试验研究

通过试验研究了处于边界润滑状态下钢-钢摩擦副在铁磁流体及加有添加剂的铁磁流体中的摩擦特性,特别是在电场作用下摩擦系数的变化情况.在销-盘试验机上进行的试验表明:加有添加剂的铁磁流体在不同方向的直流电流作用下,其摩擦系数变化的幅度最大可达到23％.因此得到了一种在边界润滑状态下摩擦系数可控的新型润滑介质.这样就可能通过外加电场的手段实现摩擦系数的主动控制,达到减摩、节能的目的.      

受钉传载荷含边缘裂纹板的解析变分解法

采用复变-变分法求解受钉传载荷含边缘裂纹各向异性与各向同性板的应力强度因子。首先建立满足所有各向异性弹性力学基本方程和钉孔合力平衡条件及位移单值条件的应力和位移级数表达式,然后应用变分原理满足板的边界条件,从而确定应力强度因子。计算表明,级数收敛迅速,数值解和实验结果吻合,而所需机时较少。     

转动副临界角分析及其在四连杆机构中的应用

滑动配合条件下,转动副（R副）通过接触面间的相对滑动提供一个转动自由度。由于接触面间的摩擦和间隙共同作用,R副会在一个小的摆角范围内发生自锁,这一摆角将在机构平衡时带来连杆长度误差和连杆偏角误差。本文指出了R副中临界角的存在,讨论了使得R副实现自锁的临界角范围,在考虑接触变形和不考虑接触变形2种条件下对临界角进行了计算,并以一平面四连杆机构作为应用算例,综合对比了铰链间隙、接触变形和摩擦因素对所在连杆机构输出精度的影响。算例结果表明,在一般的精度计算中铰链间隙及连杆弹性变形起主要影响作用,铰链本身的接触变形量可忽略。      

电摩擦效应的机理研究

边界润滑状态时铁磁流体的摩擦系数在直流电场作用下发生有规律的变化.本文根据直流电流产生的电场和磁场对边界润滑状态下铁磁流体摩擦力的不同作用,提出了电场控制摩擦系数的作用机理,进行了测量摩擦副间法向相对微小位移的实验.测量结果验证了机理分析的正确性.      

材料非线性对复合材料层板损伤的影响

根据Hahn-Tsai非线性应力应变关系,用有限元方法对受拉伸载荷作用的含孔复合材料层板损伤演变进行了模拟计算,由非线性有限元方法得到的应力、应变以及最终载荷与以往线性分析方法得到的结果比较表明:考虑材料非线性可以提高计算精度;参数研究表明非线性系数的变化对正交各向异性板的影响较大,而对准各向同性板的影响较少.     

非对称非均衡层板弯扭耦合效应研究

在对称层板的基础上添加铺层使得整个层板成为非对称或非均衡层板,用数值计算方法对添加铺层后的层板在拉或弯载荷下由于弯扭耦合效应产生的端面变形进行了研究,得到了最有利的添加层铺层位置和添加层铺设角,并用蜂窝夹芯板模拟机翼翼盒进行了实验验证.实验表明,从数值计算所得到的结果与实验结果相比具有良好的一致性.      

带间隙空间结构的动力学特性分析

研究带间隙空间结构的动力学问题。着重讨论间隙引起的结构非线性特性,从理论上探讨了一维间隙系统的定量及定性求解方法,并通过伸展机构的试验研究,验证了间隙对结构动力学特性的影响。     

新型防松管路连接副的接触特性分析

针对新型航空发动机管路连接副,研究了其在安装过程和松动过程中的接触特性。首先,将连接副的安装-松动过程划分为3个阶段,并对这3个阶段的摩擦力和接触压力进行了解析推导,分析了摩擦力和接触压力的变化规律。然后,建立了管路连接副的轴对称有限元模型,并对其进行了非线性瞬态分析。最后,基于施加位移载荷的方法模拟了连接副的安装和松动过程,研究了接触面的滑移量、接触压力、摩擦力和接触压应力的变化规律。同时研究了不同预紧力对连接副接触压应力的影响。结果表明:松动过程在滑移点前后可以分为2个阶段,这2个阶段中接触面的接触特性有明显区别;连接副接触面的接触特性只与接触面参数和预紧力大小相关,与管径、材料等其他因素无关。本文研究的安装与松动过程中接触特性变化规律在工程上可以指导新型管路连接副的设计工作。