二元智能复合材料结构变形分析

提出了嵌入形状记忆合金丝和压电陶瓷片作为联合变形驱动器的二元智能结构,并建立了有限元模型．驱动器镶嵌于层板表面或内部,其中压电陶瓷片作为压电铺层;形状记忆合金丝的驱动力当量为与温度相关的节点载荷．算例比较了不同种驱动方式的变形效果,并进行了试验验证．结果表明在二元智能结构的形状控制中,形状记忆合金丝承受主要的载荷,压电陶瓷片作变形修正,可以发挥各自的优点．      

压电复合材料壁板颤振的控制

针对考虑热效应的壁板颤振问题,利用von Karman大变形应变-位移关系、气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了埋入压电材料的复合材料板颤振的气动弹性力学模型,使用Bogner-Fox-Schmit单元推导出壁板颤振的非线性有限元方程.将该动力学方程转换到状态空间模型,给出了基于这个非线性模型的最优控制.应用Runge-Kutta方法在时域内对一个四边简支的含压电材料的复合材料壁板颤振的控制进行了仿真,数值结果证明了该方法的有效性.     

复合材料层板低速冲击损伤有限元模拟

利用三维动态有限元模拟计算复合材料层板的低速冲击损伤的过程,采用了基体开裂判据和分层扩展判据,分类考虑不同的损伤形式,通过修正损伤铺层材料的常数来模拟层板损伤所造成的局部刚度下降对冲击过程的影响,讨论了接触定律在冲击损伤问题中的适用性,并结合实验结果给出适于严重冲击损伤层板的卸载定理,模拟计算结果得到的低速冲击后各界面的分层损伤面积与实验结果吻合较好。     

压电层合板自适应结构的静力变形控制

针对板壳型自适应结构,研究了使用压电材料的层合板结构的静力变形控制.基于有限元法,计算出结构位移的灵敏度矩阵;利用该矩阵,建立位移控制方程组.当作动器数量与控制位移相同时,可解线性方程组,求出控制电压;当作动器数少时,采用优化方法求解,由此计算各作动器的控制电压,对自适应结构的静力变形,进行最优控制.算例比较了不同的控制情况.     

基于ANSYS的压电陶瓷PLZT特性仿真分析

针对传统的解析法和有限元法在压电陶瓷分析中的弊端,采用有限元软件ANSYS对压电陶瓷掺镧锆钛酸铅(PLZT)进行特性分析.介绍了大型有限元分析软件ANSYS及其耦合场分析功能,建立了PLZT的ANSYS模型用于分析单片、叠层和双晶片型PLZT的静动态特性.单片PLZT的输出位移与所加电压和外力载荷均成线性关系;叠层结构的输出位移因粘结层的变形而小于理论输出值;双晶片变形的ANSYS计算结果同理论分析很相近.进行压电器件分析时,可先通过ANSYS软件建立实体模型,设定几何尺寸和材料特性参数进行性能仿真,并且针对不同器件只需修改参数,程序通用性好.      

复合材料层板低速倾斜冲击损伤分析

纤维增强复合材料层板对低速冲击事件敏感，冲击产生的损伤会导致材料结构承载性能及使用寿命大幅下降。基于此，提出了一种基于连续介质损伤力学的有限元模型，研究了复合材料层板低速倾斜冲击力学行为。采用Hashin准则结合渐进退化模型预测层内损伤起始和演化；采用界面单元结合双线性Traction-Separation本构关系模拟层间分层；编写用户材料VUMAT子程序，实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。数值计算结果与现有正冲击下实验数据吻合较好，验证了模型的有效性。探讨了冲击角度、冲击能量对复合材料层板倾斜冲击力学性能的影响，分析倾斜冲击下层板损伤模式及失效机理，为复合材料结构倾斜冲击问题数值分析提供参考。      

考虑层间应力的复合材料层板优化设计

本文提出的复合材料层板结构的优化设计方法,不仅考虑了面内问题的宏观特性,而且考虑了层间应力分布的不均匀性。用面内弹性模量和层间应力分别作为设计空间的约束函数和目标函数。用非线性程序SUMT法确定最佳铺层方向。给出了一些典型的层板优化设计结果。     

智能太阳翼动力学建模与模态分析

研究柔性航天器的动力学与控制问题时,通常需要利用柔性附件的模态信息。为获取航天器的高精度姿态控制,必须解决柔性附件的振动抑制问题。配置压电传感/作动器是解决太阳翼振动控制的有效手段。针对基板表面粘贴压电传感/作动器的太阳翼,基于一阶剪切变形层板理论,建立了包含机电耦合效应对结构刚度贡献的有限元模型,并在连接机构等效梁单元中引入了轴向载荷。利用假设剪切应变方法解决了一阶剪切变形层板理论的剪切闭锁问题。仿真结果表明:太阳翼的动力学特征随压电传感/作动器配置方式的改变而改变;连接架轴向载荷可以大幅提高太阳翼的侧摆振动频率;给压电作动器施加控制电压可以增加太阳翼的结构阻尼。     

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.      

配置压电自感作动器智能板振动的主动控制

将板的横向位移按模态展开,对配置压电自感作动器的薄板建立了模型,给出以广义模态坐标为状态变量的状态方程和以传感电流为输出的观测方程,在此基础上,对系统进行了LQG控制和H_∞控制.文中对配置3对压电自感作动器的四边简支薄板结构做了数值仿真,将H_∞控制结果与LQG控制做了比较,绘制出干扰 ω与广义模态速度v 之间传递函数的H₂范数图,同时给出速度、位移响应图,所需作用电压图.仿真结果说明本文的控制方法是有效的.     

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.     

智能结构压电执行器位置优化的模态力准则

基于模态空间控制理论与点压电执行器的Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ点力模型,推导得出了柔性杆梁结构上的点压电执行器所产生的模态控制力与压电片位置处的模态应变成正比的结论。由此提出了点压电执行器置于各阶模态应变的最大值处的最大模态力位置优化准则,计算机仿真结果证明了以上准则的有效性。     

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

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.     

考虑多巡航工况的大型飞机气动弹性优化

针对目前大型飞机机翼常见的单点优化设计方法在考虑多巡航工况情况下非设计点性能较差的问题，提出了一种多工况气动弹性综合优化框架，考虑了不同的巡航工况，对大型飞机复合材料机翼开展气动弹性优化的研究。以最小机翼结构质量为目标，在气动弹性、应力/应变、强度等条件的约束下，通过遗传算法对机翼型架外形的蒙皮、腹板、凸缘等复合材料部件的铺层厚度展开设计，并根据优化结果进行了型架外形设计，采用高精度CFD/CSD耦合方法分析和校验了优化结果的升阻特性。研究表明:在不低于设计巡航外形气动性能的条件下，综合多巡航工况的气动弹性优化能有效减轻结构质量，从而减少整体燃油消耗。进一步对比分析了多巡航工况优化与单巡航工况优化，研究了巡航工况数目与优化结果之间的关系，结果表明:综合考虑多巡航工况的优化结果性能更好，且优化结果的整体性能随着优化巡航工况数目的增加而提升。