含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

缎纹编织复合材料紧固件拉拔试验及数值模拟

缎纹编织复合材料紧固件中螺牙细节尺寸已达到细观尺度量级,若在数值模拟过程中对于螺牙采用统一的材料属性,则不能准确地模拟其真实失效模式。针对此问题,建立的紧固件螺牙有限元模型是由若干层简化缎纹编织复合材料细观结构代表体积单元堆叠而成,如此模型可包含必要的纤维分区和基体分区。对螺牙模型进行拉拔试验模拟,并基于各组分材料的失效判据,实现对紧固件破坏载荷的预报。完成了缎纹编织碳/碳复合材料单螺牙紧固件拉拔试验。模拟失效模式与真实失效模式吻合良好,二者破坏载荷误差为5.17%,验证了有限元模型的合理性。     

三维四向编织复合材料弹性模量数值预报

 对三维四向编织复合材料的参数化建模技术进行了研究,提出了一种"米"字型枝状体胞的计算模型,较为真实地模拟了该材料的细观结构;在此基础上讨论了相应的边界条件和约束条件并应用有限元方法计算了该材料的纵向、横向弹性模量.通过与实验结果的对比可见,计算结果的预报精度较好.     

Numerical Prediction of Moduli of 3-D and 4-step Braided Composites

对三维四向编织复合材料的参数化建模技术进行了研究 ,提出了一种“米”字型枝状体胞的计算模型 ,较为真实地模拟了该材料的细观结构 ;在此基础上讨论了相应的边界条件和约束条件并应用有限元方法计算了该材料的纵向、横向弹性模量 .通过与实验结果的对比可见 ,计算结果的预报精度较好     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

混杂纤维复合材料轴向剪切模量的预测

为混杂纤维复合材料有效轴向模量的计算发展了一个能够考虑纤维截面影响的广义自洽模型:即假定各相纤维的共焦点椭圆柱体细观单元嵌在同一宏观上均匀化的复合材料中.利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开,获得了相应问题的封闭解.根据复合材料平均应力与应变关系,获得了预测有效轴向模量的形式简单的代数方程.当各相纤维模量相同时,所得方程退化为已有的预测单相纤维复合材料纵向剪切模量的代数方程.     

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

三维四向编织复合材料改进模型弹性性能计算

针对三维四向编织复合材料,在改进的矩形截面单胞模型的基础上,考虑了相邻纤维束之间的界面粘结效应,推导了单胞的几何特性与编织工艺参数之间的数学关系,并且采用ANSYS软件建立了实体有限元模型,得到了等效弹性性能参数;之后,分析了各工艺参数对弹性模量的影响规律.通过有限元计算的材料弹性性能常数与试验数据符合较好,较为真实地模拟了该材料的细观结构,对三维编织复合材料的设计和工艺具有一定的参考价值.      

复合材料层板中就位横向拉伸强度的研究

本文利用弹性力学和断裂力学方法对纤维增强复合材料的横向拉伸强度进行了分析，其中考虑了９０度开裂层厚度和开裂邻层的约束效应的影响，推导出正交各向异性对称铺层中昨合就位横向拉伸强度的数学表达式，得出开裂层的厚度和约束邻层铺设角对就位横向拉伸强度都有影响的结论，理论计算与Ｆｌａｇｇｓ实验结果吻合较好。     

三维四向编织复合材料结构模型的几何特性

建立合理的三维编织复合材料结构模型,对其力学性能的有限元计算结果具有重要影响.以成型后的三维四向编织复合材料为研究对象,在实验观察和以往研究的基础上,提出了一个新的有限元胞体结构模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,更符合三维四向编织复合材料的实际细观结构.基于该单元模型推导了编织参数与结构模型参数之间的几何关系,计算了胞体中纤维体积比并讨论了其几何特性.研究结果表明:当纤维束中的纤维丝根数和纤维束半径,以及纤维体积含量一定时,编织物的花节长度和厚度随着纤维编织角的增大而分别减小和增大,三维四向编织复合材料结构的纤维体积比理论上可以达到68%.      

冲击载荷下受轴向约束的点阵材料夹芯简支梁

对受到均布冲击载荷的轴向不可移点阵材料夹芯简支梁进行了刚塑性动力响应理论分析和弹塑性有限元分析.首先给出了夹芯梁在外包和内接屈服条件下中点最大挠度的理论预测值,并与有限元结果进行了比较,有限元计算结果介于两种屈服条件给出的理论预测结果之间,有限元计算的支座处最大转角与外包屈服条件给出的理论预测结果接近.然后考察了点阵材料夹芯梁的抗冲击性能和吸能效果.结果表明:夹芯梁的最大挠度和塑性耗散能对杆元与面板夹角及相对密度十分敏感,设计合理的夹芯梁具有很好的吸能效果和抗冲击性能.     

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.      

横向加强构件作用下的开口薄壁梁等效建模方法

卫星结构中通常有大量横向加强构件作用下的开口薄壁杆件,横向加强构件一般沿杆件轴向均匀分布,通过对这类结构研究,理论上证明了这种结构的振动微分方程与普通的开口薄壁梁振动微分方程有相同的形式,因此可以用开口薄壁梁单元进行等效计算。本文建立了开口薄壁梁的3种数学模型:有限元模型、传递矩阵模型和解析模型。采用优化理论中序列二次规划对等效截面参数进行辨识,同时分析了不同目标函数对辨识结果的影响,并且提出了一种对截面初始参数进行估计的方法。对于有限元模型,提出采用MATLAB与ABAQUS交互式参数优化方法,充分结合二者优点可以快速高效地对截面参数进行优化辨识,具有较强的通用性。通过实验验证了这种等效建模方法的正确性与精确性。所提出的等效建模方法可以减少90%以上的单元数量。通过建立这种简化模型,可以大幅度提高整星结构模型修正与结构重分析的效率。      

面向空间天线的TWF复合材料性能研究

利用碳纤维三向编织物（triaxial woven fabric，TWF）作为增强材料，与柔性基体材料硅橡胶复合，制成兼具一定柔性和刚性的复合材料壳膜结构，用于卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。采用复合材料细观方法，对碳纤维增强硅橡胶TWF复合材料进行了力学性能的研究。首先由纤维和基体的材料特性得到均质纤维束的材料特性；接下来考虑纤维束交织情况（起伏波动）建立由纤维束组成的单胞实体有限元模型；然后对单胞实体有限元模型进行均匀化分析，施加周期性边界条件，最终得到等效的均质材料特性；为满足天线反射器高性能需求，分析了碳纤维种类、纤维体积分数对单胞等效性能的影响规律。对该材料力学性能的研究，可以为其未来应用于大型高精度可展开天线反射器提供一定的理论依据。     

三维编织复合材料强度的数值预报

在实验研究和有限元分析的基础上,提出了一种经验性强度失效判据,并利用刚度预报的模型和有限元分析的结果,进一步提出了强度预报的方法.强度计算的结果表明: 预测值与拉伸实验的结果基本相符.     

腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响

针对平面编织复合材料梁腹板结构剪切载荷作用下的面内剪切屈曲失稳和后屈承载能力问题,采用实验与有限元方法进行了研究。结合实验所得应变分布规律与有限元分析所得失稳模态分析了梁腹板结构剪切失稳特点。后屈曲承载分析中引入了平面织物复合材料Hashin失效准则,获得的结构主要失效模式包括纬向纤维压溃和经向纤维拉断,与实验结果符合良好。基于经实验结果验证的有限元模型进行了参数化研究,分析了腹板开口尺寸和开口形式对平面织物复合材料梁腹板剪切稳定性、承载能力和破坏模式的影响。研究结果可为复合材料结构设计和强度评估提供参考。      

有限元法在空间飞行器天线反射器热分析中的应用

有限元方法是求解对热稳定性要求较高的空间飞行器部件温度场的一种行之有效的方法。文章给出了空间飞行器天线反射器热分析的有限元求解方法,应用有限元法计算了某卫星抛物面天线反射器的在轨稳态和瞬态温度场,为进一步的在轨热变形计算以及热控方案的选择提供了必要的温度数据。