等离子涂层典型界面损伤与破坏的数值模拟

基于界面损伤力学思想,提出了三结点界面单元的概念,和传统界面单元相比,具有能够表征任意形状界面法线方向的优点,将改进的单元通过ABAQUS的用户子程序UEL与有限元软件进行了结合.考虑等离子涂层界面粗糙度的影响,模拟了余弦形界面在热循环载荷下的损伤以及在拉伸载荷下的破坏过程.计算结果表明,界面单元结点间位移出现不连续现象,体现了裂纹的逐渐张开过程,界面损伤随热循环次数的增加而增加,其中第一个循环造成的损伤最大,波峰处是界面断裂的危险位置,法向分离起主导作用;等离子涂层粗糙界面承受法向拉伸载荷的能力较平直界面显著增加.采用改进的界面单元模拟异质材料复杂形状界面的损伤与破坏是可行的,结果是合理的.      

基于XFEM-CZM耦合法的胶接接头裂纹扩展分析及强度预测

采用扩展有限元法（XFEM）和内聚力模型（CZM）相耦合的方法，分析胶接接头胶层内部裂纹扩展、界面脱粘分层现象。采用内聚力单元和内聚力接触描述胶层/板材界面，建立单/双搭接接头有限元模型。预测拉伸载荷下接头的强度性能并与已有试验数据对比分析，验证XFEM-CZM耦合法的可行性及内聚力单元和内聚力接触2种界面建模方法的有效性。模拟裂纹从胶层内部扩展至胶层/板材界面并引起界面脱粘分层的过程，分析其损伤失效机理。讨论初始裂纹长度和界面刚度、强度及应变能释放率对胶接接头强度性能的影响。结果表明:胶接接头强度随初始裂纹长度增加而降低，且在双搭接接头模型中表现更为明显；界面刚度、强度对胶接接头强度影响较大而应变能释放率的影响较小。      

热力耦合问题数学均匀化方法的物理意义

针对复合材料周期结构热力耦合问题,通过构造各阶摄动项的全解耦格式,推导了高阶数学均匀化方法（MHM）的数学表达式,并使用加权残量方法将其转换为易于编程实现的矩阵列式。将弹性影响函数和热影响函数分别比拟为弹性虚拟位移和热虚拟位移,通过弹性虚拟载荷和热虚拟载荷的自平衡特性、量纲分析及几何直观等角度揭示了各阶影响函数和摄动位移的物理意义,并指出二阶摄动位移对于细观结构分析的必要性。数值计算结果验证了高阶MHM矩阵列式及物理意义分析的正确性。      

基于索膜有限元模型的翼伞气动变形仿真

对定常状况下翼伞的流固耦合变形问题进行了三维数值模拟。使用有限体积法计算了飞行时的气动载荷,分析了前缘切口和翼肋开孔对压强分布的影响;基于翼伞结构大位移小应变的特点建立了非线性索膜有限元模型,伞衣由不能承受弯矩的膜单元模拟,伞绳和切口加强带由只能单向拉伸受力的索单元模拟,仿真了受气动载荷后翼伞相对于理想设计位置的变形和应力分布。结果表明:该翼伞展长相对于设计值减小,"鼓包"形成后翼型最大厚度增大,伞衣变形后产生了额外的后掠角和攻角;最大等效应力主要集中在翼肋上的开孔和伞绳连接点处,需合理布置加强带以满足强度要求。     

热、力耦合作用下热障涂层的失效机制

针对热障涂层服役环境中热物理化学环境与机械载荷耦合作用的特点,采用交流阻抗谱法与声发射法对热障涂层在恒定外载荷(高温蠕变)以及交变载荷(高温低周疲劳)作用下的失效过程进行了考察分析,研究发现,交流阻抗谱中低频段阻抗值的变化可以有效地反映热障涂层热氧化层内横向裂纹的萌生及扩展;有无外机械载荷作用下热障涂层的热循环失效的模式截然不同,在高温蠕变条件下,热障涂层的裂纹并不产生在热氧化层内,而是产生在热氧化层与柱状晶之间的等轴晶区;而在高温低周疲劳条件下裂纹是在粘结层与高温合金基体的扩散层处.      

高超声速下翼面的热颤振工程分析

针对高超声速下翼面的结构、气动和热的耦合动力学问题,提出了热颤振分析的分层求解思路.首先分析结构在热环境下的固有动力特性,然后应用van Dyke活塞理论计算高超声速非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振求解.对某高超声速全动舵面和小展弦比根部固支翼面进行了热颤振的分析与比较.计算结果表明,受热后结构的动力学特性和颤振特性均可能发生变化,尤其对于小展弦比根部固支翼面,由于热效应对其扭转刚度影响很大,从而导致弯扭耦合型式的颤振临界速度大幅度下降.     

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。      

Reissner型矩形板分析的U变换-有限元法

将U变换法推广应用于Reissner矩形板的有限元分析中.对原结构进行等效变换,形成周期循环的板单元,使刚度矩阵成为循环矩阵,应用双重U变换解耦了有限元的矩阵方程,使有限元计算只须在一个板单元上进行,并且仍能方便分析整个板的一般分布载荷.所发展的U变换-有限元法不仅提高了计算效率,很快收敛于精确解,对于简支板还给出了精确分析的有限元解、准确的误差估计表达式和收敛速度,可以直接掌控计算精度,这是其它方法难以得到的.对简支和固支矩形板的数值算例及与其它方法的对比说明了U变换-有限元法的优点和重要的工程实用价值.      

一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

采用Ti/Ag/Ti中间层连接SiC陶瓷的 有限元应力分析

在陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷(采用金属中间层)的连接过程中,陶瓷与金属的热膨胀系数等性质存在差异而产生的残余热应力是连接接头强度弱化的主要原因.采用有限元方法对Ti/Ag/Ti作为中间层热压连接SiC陶瓷进行了应力的有限元计算分析,结果表明采用Ti/Ag/Ti结构的金属中间层连接SiC陶瓷时,对接头危害较大的残余应力主要分布在连接件近缝区.靠近试样外表面区域是接头的薄弱区,裂纹易在此处萌生,裂纹的扩展先是沿着一条向陶瓷侧凹入的弧线向陶瓷内切入,而后沿径向扩展.接头实际断裂方式与有限元分析结果相符,表明采用有限元方法对陶瓷连接接头的残余应力进行模拟计算有重要的指导意义.      

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

结构动力特性分析中的圆角建模方法

针对薄壁结构中存在大量的圆角,提出了运用梁单元与壳单元组合的建模方法对圆角进行等效建模。通过分析圆角对薄壁结构的刚度贡献,提出圆角对结构刚度的贡献分为面内刚度贡献和面外刚度贡献。圆角对面外刚度的贡献与梁的作用等效,通过运用扭转相关理论推导出等效梁单元的截面参数。对于圆角的面内效应,运用壳单元对其进行等效建模,采用平面应变状态假设,将三维结构简化为二维结构。在平面内,通过刚度等效原理计算出壳单元的等效厚度与弹性模量。通过2个实例验证了圆角建模方法的正确性与准确性。      

特殊复合球铰3-RPS并联机构及其连续刚度模型

采用矢量微分法研究了在大载荷作用下,兼顾支链和铰链刚度以及雅克比矩阵变化等影响因素的3-RPS并联机构完整连续刚度模型.基于螺旋理论分析了3-RPS并联机构支链及铰链构件所受作用力与机构外载荷之间的力平衡关系.采用矢量微分法分析了3-RPS并联机构动平台位姿变化与支链及铰链构件变形之间的关系.采用矢量微分法对机构的力学平衡方程进行微分,建立了完整的连续刚度模型,最后进行了数值模拟分析,结果表明并联机构刚度受载荷和位姿变化影响,简化刚度模型与完整刚度模型在工作空间边界处差值较大.     

组合航天器转动惯量在轨两步辨识标定

在轨辨识转动惯量参数是主动航天器与非合作空间目标构成组合体后实现高精度姿态控制的重要前提,文章提出了一种两步在轨辨识组合航天器转动惯量参数的方法。第一步以航天器本体坐标系滚动轴转动惯量为基准将转动惯量矩阵归一化,得到特殊的转动惯量比矩阵,建立与其相关的姿态动力学模型,提出了基于扩展卡尔曼滤波的在轨辨识算法,基于星上陀螺角速率测量信息在100s左右辨识出所有转动惯量比参数,克服了由于模型简单导致转动惯量信息辨识不完整的缺点;第二步基于第一步辨识得到的转动惯量比参数,采用最小二乘算法辨识得到滚动轴转动惯量值,计算量小,消耗能量少。最后给出仿真算例,辨识精度基本在1|之内,验证了方法的有效性。