薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

曲线纤维壁板屈曲/后屈曲建模与快速分析方法

曲线（VAT）纤维复合材料壁板相比广泛应用的直线纤维形式具有更优的面内稳定性,作为机翼壁板,在同等质量时具有更高的抗屈曲潜力。为深入研究纤维路径对于曲线纤维壁板稳定性的影响规律,从各向同性薄板的理论出发,推导曲线纤维壁板在面内载荷下的稳定性分析方法;通过Airy应力函数和拉格朗日乘子描述边界条件,建立曲线纤维壁板适用于任意位移及载荷边界条件的单一变分方程,避免了非线性平衡方程和非线性相容方程间由于反复迭代对求解速度的制约。基于冯卡门大变形方程发展了曲线纤维壁板后屈曲状态下的非线性稳定性问题求解模型,并采用瑞利-里兹法建立了屈曲/后屈曲一体化半解析快速求解框架,该框架的求解精度与商用软件MSC.Nastran一致,但求解时间远低于商业软件;利用此优势,可以快速分析给定任意位移边界条件下的曲线纤维壁板屈曲响应特性,并得到纤维路径的影响规律。     

基于非概率凸模型可靠性的结构优化设计

考虑到结构系统参数的不确定性,基于提出的非概率凸模型可靠性指标的新定义,研究了在非概率凸模型可靠性约束下,结构优化设计的数学模型和求解方法.该方法通过超椭球域界定不确定参量,将结构基本不确定变量安全域的超体积与其可行域的超椭球总体积之比作为结构非概率可靠性的度量.并赋值可靠度作为约束条件,利用乘子法和阻尼牛顿法对结构的优化问题进行迭代求解,算法稳定,迭代速度快.数值算例验证了所提出方法的正确性.     

不确定初缺陷简支梁非线性屈曲载荷的确定

给出了初缺陷简支梁非线性屈曲载荷的一种计算方法,这种方法避免了求解常微分方程组初值问题,节约了计算工作量.并将描述初缺陷的傅里叶系数视为有界随机变量,提出了计算屈曲载荷界限的区间方法.当初缺陷统计数据较充分时,用概率统计法计算了一定可靠度下屈曲载荷的界限.最后,对两种方法的结果进行了比较,定性地给出了各自的适用范围.     

不确定初缺陷简支梁非线性屈曲载荷的确定

给出了初缺陷简支梁非线性屈曲载荷的一种计算方法,这种方法避免了求解常微分方程组初值问题,节约了计算工作量.并将描述初缺陷的傅里叶系数视为有界随机变量,提出了计算屈曲载荷界限的区间方法.当初缺陷统计数据较充分时,用概率统计法计算了一定可靠度下屈曲载荷的界限.最后,对两种方法的结果进行了比较,定性地给出了各自的适用范围.     

含模糊参数振动系统的Taylor级数展开法

为研究模糊参数约束条件下振动结构模糊有限元平衡方程特征值的问题,通过模糊集合理论中隶属度的性质,把振动结构的不确定模糊参量表示成区间形式,得到区间有限元平衡方程,利用所提Taylor级数展开法求解可以得到特征值所在的区间集.将α水平截集下得到的区间解,通过模糊分解定理构造出振动结构模糊有限元平衡方程的模糊解,从而可以得到模糊参数约束条件下振动结构的固有频率的变化范围,为结构的模糊可靠性评价奠定了基础.通过数值算例表明了所提方法的可行性.     

1/3含口盖复合材料柱壳后屈曲性能

工程结构中复合材料柱壳已经得到了广泛使用,并且屈曲是其结构设计的一个主要问题。由于试验结果与线性屈曲理论分析结果的巨大偏差,线性特征值屈曲分析只能作为结构的一个初步评估方法,进一步分析可选用含初始几何缺陷的后屈曲分析。本文以轴压载荷下的1/3含口盖复合材料柱壳为研究对象,建立ABAQUS有限元模型,分别进行了基于Buckle算法的线性特征值屈曲分析、基于Riks法的含初始几何缺陷的非线性后屈曲分析,所得应变、载荷数值结果与试验结果吻合。非线性Riks后屈曲分析显示结构具有后屈曲承载能力和稳定的后屈曲平衡路径,能更准确地捕捉临界屈曲载荷,所得屈曲模态也更加贴近试验屈曲模态,因此,在设计上以含初始几何缺陷的Riks法得到的结果更加真实可靠。进行了含口盖复合材料柱壳的初始几何缺陷的敏感性分析,结果表明该结构对初始几何缺陷是非常敏感的,为了提高结构抗屈曲性能,应提高加工工艺质量,减少初始几何缺陷。     

复合材料夹层结构的逐渐破坏计算模型

建立了可以预测面内破坏、分层破坏和芯层破坏的复合材料夹层结构逐渐破坏模型.利用能量变分原理和非线性几何方程,以反对称失稳为例导出了考虑剪切效应夹层板的非线性稳定性控制方程组,并利用广义傅氏级数法对此高阶偏微分非线性方程组进行数值求解,在此基础上利用蔡-胡及最大剪应力强度理论及刚度退化规律得到复合材料夹层板的临界载荷、后屈曲路径、破坏过程和强度极限.      

基于灵敏度分析的结构-声学鲁棒优化设计

针对工程中普遍存在的结构-声场耦合系统,充分考虑系统本身及外载荷的不确定性,提出了求解系统响应范围的区间有限元分析方法及鲁棒优化设计模型.从耦合系统的平衡方程出发,利用中心差分方法得到了系统响应的灵敏度计算公式.引入区间变量来表征信息不足的不确定参数,借助一阶泰勒展式,可以快速估算系统响应的区间上下界.在结构鲁棒优化设计过程中,通过引入灵敏度指标,将原不确定单目标优化问题转化为确定的多目标优化问题.为保证结构性能更加稳定,利用区间可能度刻画约束条件的鲁棒性.数值算例通过某弹舱模型弹性板厚度的优化设计,验证了所建立的鲁棒优化模型及算法的有效性.      

带口盖复合材料柱壳压缩性能

研究了1/3弧长带有口盖复合材料柱壳的压缩行为.实验测试的带口盖柱壳结构在压缩后发生局部屈曲变形,无后屈曲现象发生,屈曲破坏载荷为118.944 kN.利用ABAQUS有限元软件建立相应有限元模型计算其屈曲破坏行为,并将计算结果与实验结果进行比较,证明所建立的模型正确有效.利用所建立的模型,探究提高结构屈曲载荷的方法.研究表明:补片与口盖的铺层角度对结构的屈曲载荷有直接影响,如果补片与口盖的铺层角度由0°变为20°后,结构屈曲载荷可以分别提高6.8%和2.4%;补片厚度也与结构屈曲载荷相关,但试图增加现有补片厚度来提高结构屈曲载荷方法并不十分理想.当补片厚度由11层提高到16层时,结构屈曲载荷也仅提高了2.37%,考虑成本与重量因素,此方法与改变铺层角度相比不可取.     

轴压开口圆柱薄壳屈曲分析与试验

开口圆柱薄壳结构的轴向承载能力和稳定性分析是空间薄壁管式伸展机构(STEM,Storable Tubular Extendable Member)设计的关键问题之一.基于特征值屈曲分析方法,研究了轴压铍青铜开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的屈曲载荷与设计参数间的关系,利用幂函数拟合的方法建立了一种轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型.通过铍青铜开口圆柱薄壳轴向压缩试验对特征值屈曲分析和所建立的轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型进行了验证.结果表明:特征值屈曲分析方法可用于各向同性材料开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的轴向承载能力与稳定性分析;使用轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型计算各向同性材料的开口圆柱薄壳在两端固支条件下受轴压作用时的屈曲载荷,最大误差为21%.     

基于变分迭代的航天器相对姿轨耦合动力学解算方法

针对航天器相对姿轨耦合一体化运动,在定义坐标系下利用对偶四元数和旋量表示航天器的一般运动,推导出航天器六自由度运动学和动力学模型,并分别采用Runge-Kutta四阶算法和变分迭代法的配点形式求解该非线性模型。变分迭代法的配点形式是变分迭代法与配点法的复合,本文先给出变分迭代法的迭代方程,再把迭代方程应用到局部时间区间上探讨了局部变分迭代法,然后把变分迭代法与配点法结合得到数值迭代方程。利用对偶四元数所建立的模型相对于其他模型较为简洁,便于分析姿轨耦合特性。仿真结果表明,相比Runge-Kutta四阶算法,变分迭代法的解算精度更高。     

不确定初始几何缺陷杆动态屈曲失效分析

由初始几何缺陷所引起的结构屈曲载荷降低最高可达70%.由于制造误差等原因使得结构初始几何缺陷往往具有不确定性,而这种不确定性又必然会导致结构屈曲荷载与动态屈曲响应的不确定性.研究了动载作用下含有不确定初始几何缺陷杆的动态屈曲失效问题.基于积分挠度定义了动态屈曲安全因子.采用区间分析方法和凸模型方法,给出了具有不确定初始几何缺陷杆的基于积分位移的动态屈曲安全因子的最不利估计,其结果为判断具有不确定初始几何缺陷杆结构的动态屈曲失效分析提供了重要依据.      

正交各向异性复合材料圆锥壳非线性稳定性分析

利用能量变分原理和非线性几何方程推导了圆锥形薄壳稳定性的基本微分方程，并建立了适合于一般各向异性复合材料圆锥壳的Ｄｏｎｎｅｌｌ型控制方程，针对正交各向异性复合材料圆锥壳的特殊情况，选择适当的位移函数，通过坐标变换将难于求解的变系数偏微分方程转换为容易求解的常微分方程。根据所设位移函数，严格从协调方程中推导出应力函数的表达式，并用伽辽金方法分析了正交各向异性圆锥壳在外压作用下的稳定性问题，最后得到一     

含椭圆分层缝纫复合材料层板的局部屈曲研究

建立了分析含椭圆分层的缝纫增强复合材料层板压缩屈曲问题的三维模型.通过应用瑞利-里兹法研究了分层椭圆几何参数和缝线等效弹性系数对压缩屈曲载荷的影响.分析结果表明,缝纫对提高临界曲屈载荷的作用十分明显,随着缝线等效弹性系数的增大,临界曲屈载荷迅速提高;分层椭圆的长轴垂直于载荷方向时,临界曲屈载荷最小,并且随长轴的长度增大时,临界曲屈载荷减小并逐渐收敛.     

整体次加筋壁板屈曲载荷近似计算方法

为了在初步设计阶段能够快速计算整体次加筋板的失稳载荷,在一些合理假设的基础上,提出了一种简单的近似计算方法.以无缺陷的四边简支的矩形次加筋板为研究对象,针对该结构的3种失稳形式,利用传统加筋板理论分别计算相应的屈曲载荷,并以3种失稳形式中最小的临界屈曲载荷作为整体次加筋板的近似屈曲载荷.应用ABAQUS软件的屈曲线性摄动步方法分别计算了两组有限元模型:一组用来验证3种失效形式理论公式计算的准确度;另一组是整体次加筋板有限元模型,用以验证所提出的次加筋板屈曲载荷计算方法的适用性.以上研究均考虑了纵向压缩载荷和压剪组合载荷两种工况.计算结果表明,理论近似计算方法能够准确地计算次加筋板的失稳载荷,有一定的工程应用价值.      

飞行逆动力学的应用

考察了求解输入类飞行逆动力学问题的微分-迭代与积分-迭代算法; 探讨了利用逆动力学确定过失速机动操纵效能要求问题,这构成了进一步提出过失速机动飞机设计简化判据的数值基础; 利用逆动力学设计机动发生模块进行飞控系统的最外环控制,以便跟踪期望的复杂机动轨迹.飞机最速反向示例及其它数值仿真结果表明设计思想与算法是可行的.     

邻域辅助径迹法提高射线追踪效率

针对面元形式的目标数据,从提高入射点求解的成功率着手,采用增加对参考路径上参考面元的相邻单元进行相交性判断的方法,并将普通径迹法的单参考路径改为双参考路径,提高了径迹法射线追踪的效率.对邻域辅助径迹法在样条曲面格式目标文件上的应用作了探讨.分析了该方法与其它方法的兼容性和对计算资源的占用情况,给出了该方法提高射线追踪速度的上限.以2个典型目标为例,对该方法的效果进行了测试.结果表明,该方法通过减少真实、遍历式追踪的次数,能将普通径迹法射线追踪过程的计算量减少到原来的1/3左右.该方法对目标具有很强的适应性,并克服了普通径迹法对射线管的划分密度的依赖性.      

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。      

飞机表面绕射射线的寻迹方法

研究一种电子对抗特种飞机表面绕射射线的寻迹新方法.对飞机进行快速三维几何建模和表面网格剖分,并根据需要对几何模型的剖面和结点加密,生成飞机表面网格数据;选定寻迹区域,对飞机表面网格结点进行管理,根据费马原理,采用改进的动态规划方法,在飞机表面网格上快速、准确地实现任意源点和绕射接收点间的短程线计算;在此基础上,采用递归方法实现可视化的几何绕射理论(GTD)、一致性几何绕射理论(UTD)绕射射线离散寻迹.绕射射线离散寻迹为数值方法求解机身表面任意两点间的天线隔离度提供了条件.